钛合金微米级车削刀具磨损识别及加工误差补偿技术研究

• 作 者: 王爱博
• 机 构: 哈尔滨工业大学
• 出 处: 哈尔滨工业大学
• 发表日期: 2016年期
• 关键词: 钛合金加工 刀具磨损 声发射 误差补偿 压电陶瓷

由于钛合金材料具有高强度、耐腐蚀、耐高温等优良特性,而被广泛应用于航空航天领域。随着我国卫星技术的发展,对某些关键钛合金零件精度要求已达亚微米级,并由此对加工系统提出了很高的要求。钛合金是一种典型的难加工材料,具有较强的化学活性和较低的导热系数,易使刀具产生磨损而影响加工精度。因此针对高精度钛合金零件加工需求,必须对钛合金加工过程中的刀具磨损问题与加工误差补偿技术进行研究,从而使得钛合金零件达到亚微米级尺寸精度、形位精度以及镜面级表面粗糙度等要求。本课题针对钛合金难加工易使刀具磨损的问题,选择了刀具磨损识别技术以实时监控刀具磨损状态,从而保证零件的镜面级表面粗糙度要求。刀具磨损识别技术采用了基于声发射信号的间接监测方法。为了建立声发射信号与刀具磨损状态间的映射关系,首先,搭建了基于声发射信号的刀具磨损实验平台,在某一切削参数范围内,采集并测量了刀具不同磨损状态下的声发射信号与刀具后刀面磨损值;其次,使用了基于小波变换的信号分析方法,从上述信号中提取出反应刀具磨损状态的特征向量;然后,应用BP神经网络建立了特征向量与刀具磨损状态间的映射关系。最后,综合上述研究内容搭建了基于声发射信号的刀具磨损识别系统。本课题又针对钛合金高精度加工要求,选择了加工误差补偿技术以提高机床现有加工精度,以此保证零件的亚微米级加工精度要求。加工误差补偿技术采用了静态误差在位补偿方法和开环控制方式。在已有硬件基础上,按照误差数据补偿流程,首先,研究了误差数据预处理方法以合成统一的补偿数据并规划补偿路径;其次,研究了误差补偿运动控制使补偿执行装置按照预定轨迹运动以实现误差补偿;最后,根据已有硬件基础和上述研究内容,搭建了利用微动刀架的机床加工误差在位补偿系统。为验证上述研究技术,采取了实验研究。在某一切削参数范围内,刀具磨损识别系统的识别准确率为73.44%;加工误差补偿系统将机床径向定位精度由2μm提升至0.2μm,Z轴导轨水平直线度误差由2.025μm/210mm降至0.448μm/210mm,降低了77.89%;最终样件直径为Φ199.999 6mm,圆度为0.000 46mm,圆柱度为0.000 68mm,表面粗糙度Ra0.048μm。上述两项技术的研究以及系统的搭建,提升了原加工系统的性能,使其具备了高精度钛合金零件的加工能力,满足了航天技术的需要,具有重要的应用价值和广阔的使用前景。