基于智能刀具切削状态监测与反馈的超精密智能随动工艺系统基础研究与应用

Intelligent manufacturing is an important part for the development of industry in the future. At the same time, ultra-precision machining, which represents the state of the manufacturing industry, is being developed forward intellectualization. To become smart, it is necessary to break through the cognition and sensation of the machining process, adaptive control and intelligent servo process system. This project aims to improve the machining accuracy by intelligent ultra-precision manufacturing. To achieve this purpose, this project attempts to address the immediate great challenges which include the analysis and monitoring of ultra-precision machining process and high-dynamic servo responding mechanism and the adaptive control. Focused on the two key scientific challenges, this project will carry out interdisciplinary research covering the approach, methodology and key enabling techniques, and reveal micro physics behaviors between cutting edge and the surface material. Furthermore, the smart cutting tool system for real-time monitoring will be developed, so as to propose the model for the tool wear prediction and the servo control method depending on the cutting force feedback. In addition, the project will develop a high-dynamic intelligent servo process system, which can facilitate ultra-precision machining to achieve stable and controllable. Research achievements of the project will facilitate development of ultra-precision manufacturing both scientifically and technically, and therefore enhance the innovation and R&D capability on high-value ultraprecision manufacturing.

智能制造是制造业未来发展的重要方向，而代表制造业发展水平的超精密制造也必然向智能化方向发展。在超精密加工中实现智能化需要突破加工过程的深度认知与感知、自适应控制与工艺系统智能随动三个关键环节。本项目以超精密加工过程的智能化为对象，以此来进一步提高加工精度，围绕超精密加工过程状态的解析与感知和超精密加工系统的高动态随动响应机制及其控制这两个关键科学问题，从共性基础和关键技术层面，通过多学科交叉融合，揭示切削过程中切削刃-工件表面材料之间的微观物理行为，建立切削过程状态实时监测的智能刀具系统，提出基于切削力反馈的切削刃-工件表面相对位置随动控制方法与刀具磨损预测模型，构建超精密加工高动态智能随动工艺系统，实现稳定可控的智能超精密加工，为我国超精密加工能力的提升提供基础理论和关键技术支持，提高我国超精密加工技术的自主创新能力。

本项目以超精密加工过程的智能化为对象，以此来进一步提高加工精度，围绕超精密加工过程状态的解析与感知和超精密加工系统的高动态随动响应机制及其控制这两个关键科学问题，从共性基础和关键技术层面，通过多学科交叉融合，揭示切削过程中切削刃-工件表面材料之间的微观物理行为，建立切削过程状态实时监测的智能刀具系统，提出基于切削力反馈的切削刃-工件表面相对位置随动控制方法与刀具磨损预测模型，构建超精密加工高动态智能随动工艺系统，实现稳定可控的智能超精密加工。.项目开展了超声振动辅助超精密加工中刀具与工件作用的多尺度仿真与分析。构建了包含颗粒脆性断裂准则的SiCp/Al复合材料单颗粒微观切削模型，研究了在微铣削下的材料去除和表面缺陷形成机理、铣削力、表面微观形貌和表面缺陷抑制等方面，为工艺参数的选择和优化提供了指导，改善了加工质量，可以进一步促进SiCp/Al复合材料在精密领域的应用。.针对超精密加工刀具实时监测和加工能力需求，研制出了一种切削力感知式智能切削刀具，基于此开发了一种超声振动与切削力实时感知复合式智能刀具系统，刀具参与加工的同时具有实时检测切削力的能力，以实时监测刀具加工状态，并且可根据加工的需要进行振动辅助切削加工，提高切削刀具的加工能力。并研究了智能切削刀具的切削力解耦、结构参数优化以及振动感知功能集成等方面。.建立了基于切削力反馈的切削刃-工件表面相对位置的控制方法，减小了刀具磨损，延长了刀具寿命。构建了超精密加工高动态弹性随动工艺系统，建立了纵扭转换结构在受到纵波激励时产生的轴向激振力和扭转激振力的数学模型，并以此为基础提出了一种具有共用振动节点的、在单一纵向振动激励下产生纵向振动和扭转振动的超声换能器。建立了纵扭共振超声铣削加工过程中单一超声振动周期内刀具的空载时间数学模型，能够对不同加工参数下刀具与工件分离的时间以及不同超声振幅下能实现断续切削加工的最大主轴转速进行预测。