一种基于数字孪生的超声辅助切削表面微织构创建方法技术

本发明专利技术公开了一种基于数字孪生的超声辅助切削表面微织构创建方法，包括搭建超声辅助切削系统，并基于该系统及加工条件构建相应数字孪生体，根据不同工况下的功能需求，利用超声辅助切削技术和数字孪生技术生成满足相应要求的表面微织构，并反演分析得到最优超声振动系统类型、超声振动参数和机床切削参数，指导超声辅助切削系统进行表面微织构创建，解决传统超声辅助切削时，表面微织构不可控的难题，实现了“按需加工”的目标；其中，提取该微织构形貌特征，并反馈至数字孪生体，进行自评估分析，然后做出相应决策，实现了微织构创建过程的闭环控制，进一步保障了加工效果。进一步保障了加工效果。进一步保障了加工效果。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字孪生的超声辅助切削表面微织构创建方法


[0001]本专利技术涉及零件表面微织构创建
，具体为一种基于数字孪生的超声辅助切削表面微织构创建方法。

技术介绍

[0002]零件表面微织构是指在零件表面制备特定形状、排布和尺寸的微结构阵列，以获得特殊的表面性能。合理的表面织构对其服役性能具有重要作用，如表面织构可以控制摩擦、减小磨损；改变工件表面疏水性或亲水性，提升相关领域的使用性能；改善润滑性能，降低能量消耗，实现节能减排。
[0003]目前微织构的加工方法主要有光刻技术、电火花加工技术、激光加工技术和超声辅助切削技术等。但是光刻技术加工和激光加工，存在设备昂贵，难以普及的问题，而电火花加工只能去除导电材料且加工效率低。相比而言，超声辅助加工可以降低切削力、降低切削热、提升已加工表面质量和加工效率，并且超声振动设备易于机床匹配，近年来取得快速发展，在硬脆材料及难加工材料领域获得广泛应用。此外，超声辅助切削改变传统切削轨迹，使已加工零件生成表面微织构，对零件服役性能产生积极影响，但目前微织构的生成并不可控，无法按照需求生成相应功能的表面微织构，该问题严重制约了表面微织构的进一步应用，所以急需一种基于数字孪生的超声辅助切削表面微织构创建方法来解决上述问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种基于数字孪生的超声辅助切削表面微织构创建方法，解决了上述技术中，表面微织构不可控的难题，实现了“按需加工”的目标。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于数字孪生的超声辅助切削表面微织构创建方法，包括如下步骤：
[0006]S1、搭建超声辅助切削系统，并基于该系统及加工条件构建相应数字孪生体；
[0007]S2、根据需求微织构类型，确定目标微织构，数字孪生体根据该目标微织构的形状及尺寸，结合超声振动切削轨迹及刀具类型，不断优化迭代，反演获得切削参数及超声振动参数；
[0008]S3、基于反演的切削参数及超声振动参数，指导超声辅助切削系统构建微织构；
[0009]S4、提取表面微织构形貌特征，并与目标值进行比对，若差异在预设容限范围内，则加工结束，若差异大于预设容限范围，则修正加工参数，重新进行切削加工。
[0010]优选的，在步骤S1中,构建相应数字孪生体具体为：依据超声辅助切削系统的振动方式构建相对应的三维切削模型，建立物理振动参数与切削模型的一一对应关系，结合机床切削参数，生成超声辅助切削系统的数字孪生体，实现超声振动条件下物理刀尖轨迹与模型刀尖轨迹的映射。
[0011]优选的，在步骤S1中，组装超声换能器、变幅杆、刀具、能量传输盘、匹配超声电源
和振动末端，完成超声振动系统的搭建，并搭配相应的机床系统，从而搭建超声辅助切削系统。
[0012]优选的，在步骤S2中，目标微织构由工件服役过程中的实际需求确定，包括润滑作用的表面微织构、疏水性作用的表面微织构和改善摩擦特性的表面微织构。
[0013]优选的，在步骤S2中，以布尔运算为基础，建立微织构与切削参数的一一对应关系的表面微织构模型，并根据目标微织构的形状及尺寸，获得表面轨迹曲线，反演获得刀尖切削轨迹，结合超声振动切削轨迹及刀具类型，反演获得切削参数及超声振动参数。
[0014]优选的，在步骤S4中，将微织构形貌特征反馈至数字孪生体，依据图像识别算法进行图像处理，根据尺寸评估算法计算微织构大小及尺寸偏差是否在设定的容限范围内，若满足要求，则加工完成，若超过容限，重新规划参数，再次进行切削加工。
[0015]优选的，所述图像识别算法对获取的图像进行特征提取，获得表面轮廓曲线特征，进而得到表面微织构的尺寸表征值。
[0016]与现有技术相比，本专利技术的有益效果：可据不同工况下的功能需求，利用数字孪生体，根据超声辅助加工对象，不断优化迭代，反演分析得到最优超声振动系统类型、超声振动参数和机床切削参数，并指导超声辅助切削系统进行表面微织构创建，可减少试验环节、提升加工效率、优化加工结果，解决传统超声辅助切削时，表面微织构不可控的难题，实现了“按需加工”的目标，即在规定目标功能下，完成微织构的创建；其中，提取加工零件表面形貌特征，并将结果反馈至数字孪生体，数字孪生体进行图像识别、表面纹理尺寸评估、并根据相关结果完成相应材料的微织构容限评估，然后做出相应决策，实现了微织构创建过程的闭环控制，进一步保障了加工效果。
附图说明
[0017]附图用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本专利技术的实施例一起用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限制。
[0018]在附图中：
[0019]图1为基于数字孪生的超声辅助切削表面微织构创建系统原理图；
[0020]图2为表面微织构容限分析流程图；
[0021]图3为工件振动时的超声振动系统示意图；
[0022]图4为刀具振动时的超声振动系统示意图；
[0023]图中标号：1、机床系统；2、换能器；3、变幅杆；4、刀具；5、工件；6、超声电源。
具体实施方式
[0024]以下结合附图对本专利技术的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0025]实施例：如图所示，一种基于数字孪生的超声辅助切削表面微织构创建方法，包括如下步骤：
[0026]S1、搭建超声辅助切削系统，依据超声辅助切削系统的振动方式构建相对应的三维切削模型，建立物理振动参数与切削模型的一一对应关系，结合机床切削参数，生成超声辅助切削系统的数字孪生体，实现超声振动条件下物理刀尖轨迹与模型刀尖轨迹的映射；
[0027]其中，超声辅助切削系统由超声振动系统及机床系统1组成：超声振动系统类型若按照振动对象划分：可以是工件振动系统或刀具振动系统；若按振动维数划分：可为一维超声振动或多维超声振动系统；若按加工形式划分：可为超声车削振动系统、超声铣削振动系统、超声磨削振动系统及超声钻削振动系统等任意一种；机床系统可为三轴、四轴、五轴等任意一种；
[0028]参考图3
‑
图4，超声振动系统包括超声换能器2、变幅杆3、刀具4、能量传输盘、超声电源6和振动末端，其中，刀具振动时，振动末端可为：车刀、铣刀、磨头及钻头等其中任意一种；工件振动时，振动末端为工件；
[0029]其中，是以物理实体为基础，反映实际动态加工过程的仿真模型，在虚拟状态下对加工过程进行动态分析，得到不同工况下的加工结果；
[0030]S2、根据需求微织构类型，确定目标微织构，数字孪生体根据该目标微织构的形状及尺寸，结合超声振动切削轨迹及刀具类型，不断优化迭代，反演获得切削参数及超声振动参数；
[0031]即，数字孪生体进行模拟分析微织构尺寸特征，根据建立的表面微织构模型以切削参数(转速、切削深度、进给速度)、刀具参数(前角、后角等)及超声振动参数(超声振动频率、超声振幅、超声振动方向)为变量，在实际超本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生的超声辅助切削表面微织构创建方法，其特征在于：包括如下步骤：S1、搭建超声辅助切削系统，并基于该系统及加工条件构建相应数字孪生体；S2、根据需求微织构类型，确定目标微织构，数字孪生体根据该目标微织构的形状及尺寸，结合超声振动切削轨迹及刀具类型，不断优化迭代，反演获得切削参数及超声振动参数；S3、基于反演的切削参数及超声振动参数，指导超声辅助切削系统构建表面微织构；S4、提取表面微织构形貌特征，并与目标值进行比对，若差异在预设容限范围内，则加工结束，若差异大于预设容限范围，则修正加工参数，重新进行切削加工。2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的超声辅助切削表面微织构创建方法，其特征在于：在步骤S1中,构建相应数字孪生体具体为：依据超声辅助切削系统的振动方式构建相对应的三维切削模型，建立物理振动参数与切削模型的一一对应关系，结合机床切削参数，生成超声辅助切削系统的数字孪生体，实现超声振动条件下物理刀尖轨迹与模型刀尖轨迹的映射。3.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的超声辅助切削表面微织构创建方法，其特征在于：在步骤S1中，组装超声换能器、变幅杆、刀具、能量传输盘、匹配超声电源和振动末端，完成超声振动系统的搭建，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鹏涛，许娟，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：