超精密切削钛合金的加工表面晶粒细化预测方法及系统

1.本发明涉及钛合金切削技术领域，特别是涉及一种超精密切削钛合金的加工表面晶粒细化预测方法及系统。


背景技术：

2.在钛合金的切削加工过程中，刀具与工件的相互作用会使加工表面产生晶粒细化的效果，影响加工表面力学性能，进而直接影响后续的加工工艺设计。
3.目前用于对钛合金加工过程中晶粒细化预测评价方法，通常是采用实验检测的方法进行观测评价，不仅过程复杂，而且周期长成本高。虽然可基于分子动力学和有限元方法建立的切削仿真模型对超精密切削过程进行动态仿真，但是上述模型因受限于仿真尺度和仿真原理，而无法用于对切削中的晶体结构演化进行预测，进而导致难以直观、快速地评价加工表面质量，且无法指导后续加工工艺设计。
4.因此，亟需提供一种能够对钛合金超精密切削加工过程中加工表面晶粒细化程度进行高效精准预测的方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种超精密切削钛合金的加工表面晶粒细化预测方法，通过离散位错动力学，计算模拟加工过程中钛合金内部位错行为，推演钛合金晶粒细化的微观结构变化，且预测出加工表面晶粒尺寸，解决现有钛合金切削加工表面晶粒细化预测方法的应用缺陷，能够直观、快速且精准地评价加工表面质量，为后续加工工艺的设计指导提供可靠保障，具有较高的应用价值。
6.为了实现上述目的，有必要针对上述技术问题，提供了一种超精密切削钛合金的加工表面晶粒细化预测方法及系统。
7.第一方面，本发明实施例提供了一种超精密切削钛合金的加工表面晶粒细化预测方法，所述方法包括以下步骤：
8.预先获取待加工钛合金工件的α相晶体参数，并在所述待加工钛合金工件上选取晶粒细化分析区域；
9.根据所述α相晶体参数，建立所述晶粒细化分析区域对应的离散位错动力学模型；所述离散位错动力学模型用于仿真模拟所述晶粒细化分析区域内的位错行为；
10.响应于所述待加工钛合金工件的超精密切削加工，根据所述离散位错动力学模型，对所述晶粒细化分析区域进行晶粒细化预测分析，得到对应的切削后晶粒尺寸。
11.进一步地，所述在所述待加工钛合金工件上选取晶粒细化分析区域的步骤包括：
12.根据切削刀具的初始切削位置，在所述待加工钛合金工件上选取预设尺寸的晶粒细化分析区域；所述晶粒细化分析区域位于所述初始切削位置的正下方。
13.进一步地，所述α相晶体参数包括位错源密度、位错源与障碍间距和滑移面间距；
14.所述根据所述α相晶体参数，建立所述晶粒细化分析区域对应的离散位错动力学
模型的步骤包括：
15.根据钛合金α相中滑移面间距和滑移方向、以及晶胞内滑移系与晶界的相对夹角，建立α相晶体滑移系；所述α相晶体滑移系的滑移系方向包括0
°
方向、60
°
方向和-60
°
方向；
16.将所述晶粒细化分析区域均匀划分为预设数目个相同大小的晶粒区域；
17.根据所述位错源密度和晶粒细化分析区域大小，得到位错源数目，并采用正态分布法将位错源均分在各个滑移系方向上，以及得到各个位错源位置；
18.根据所述位错源与障碍间距，在各个位错源沿着所在滑移系方向的前后各布设一个位错障碍，并得到各个位错障碍位置；
19.根据所述α相晶体滑移系、各个位错源位置、各个位错障碍位置，基于离散位错动力学，建立所述离散位错动力学模型。
20.进一步地，所述根据离散位错动力学模型，对所述晶粒细化分析区域进行晶粒细化预测分析，得到对应的切削后晶粒尺寸的步骤包括：
21.获取超精密切削参数；所述超精密切削参数包括刀尖圆角、切削速度和切削深度；
22.根据所述切削速度和所述晶粒细化分析区域的长度，得到预测计算时长，并将各个位错源作为不可动位错，初始化位错数目；所述位错包括可动位错和不可动位错；
23.当切削刀具切削至所述晶粒细化分析区域时，根据所述超精密切削参数和所述α相晶体参数，在所述计算预测时长内，基于所述离散位错动力学模型对所述晶粒细化分析区域内的晶粒细化进行迭代分析，得到所述切削后晶粒尺寸。
24.进一步地，所述α相晶体参数还包括剪切模量、钛合金泊松比、柏氏矢量、位错段长度、位错增殖时长、粘性系数和位错障碍强度；
25.所述在所述计算预测时长内，基于所述离散位错动力学模型对所述晶粒细化分析区域内的晶粒细化进行迭代分析，得到所述切削后晶粒尺寸的步骤包括：
26.对不可动位错数目、可动位错数目和晶粒细化次数进行初始化；
27.获取当前时刻切削刀具的切削推力，并根据所述切削推力和各个位错位置，得到各个位错的剪切应力和长程作用合应力；
28.根据所述剪切模量、所述钛合金泊松比、所述柏氏矢量和所述位错段长度，计算所述晶粒细化分析区域的区域内派纳力和位错源增殖强度；所述区域内派纳力表示为：
[0029][0030]
其中，σ
p-n
表示区域内派纳力；μ、v、b和ξ分别表示剪切模量、钛合金泊松比、柏氏矢量和位错半宽度；
[0031]
所述位错源增殖强度表示为：
[0032][0033]
其中，τs表示位错源增殖强度；l
ab
表示位错段长度；
[0034]
根据各个位错源的剪切应力和长程作用合应力，得到对应的位错源合应力；所述位错源合应力表示为：
[0035]
[0036]
其中，τ
ok
、σ
ok
和分别表示为第k个位错源的剪切应力、长程作用合应力和位错源合应力；
[0037]
判断各个位错源合应力是否大于所述位错源增殖强度，若是，则将对应的位错源位置保持不变，并按照预设距离，在对应位错源的滑移系上产生一对正负位错，以及增加可动位错数量；
[0038]
根据各个可动位错的剪切应力、长程作用合应力和所述区域内派纳力，得到各个可动位错的运动速度，并根据各个可动位错的运动速度和同一滑移系的位错障碍位置，得到对应的障碍强度，以及根据所述运动速度和障碍强度，得到对应的可动位错当前位置；
[0039]
根据各个可动位错当前位置，得到对应的可动位错间距，并根据各个可动位错间距，判断是否发生位错湮灭，并在发生时，移除对应的可动位错，以及减少所述可动位错数量；
[0040]
根据所有的可动位错当前位置和位错源位置，统计各个晶粒区域的晶界位错数，并根据各个晶粒区域的晶界位错数，得到对应的晶界扭转角度；
[0041]
根据所述晶界扭转角度，判断是否存在发生晶粒细化的晶粒区域，并将发生晶粒细化的晶粒区域均分为四个大小相同的子晶粒区域，以及将所述晶粒细化次数增加；
[0042]
根据所述位错增殖时长更新当前分析时刻，并获取所述切削刀具的当前切削推力，并根据所述当前切削推力更新所述切削推力，继续下一轮晶粒细化分析，直至达到预设计算预测时长，停止迭代，根据晶粒细化次数，得到所述切削后晶粒尺寸。
[0043]
进一步地，所述根据所述切削推力和各个位错位置，得到各个位错的剪切应力和长程作用合应力的步骤包括：
[0044]
根据所述切削推力，得到各个位错的剪切应力；所述剪切应力表示为：
[0045][0046]
式中，
[0047][0048][0049]
其中，τi表示第i个位错受到切削所造成的剪切应力；z和λ表示钛合金的材料参数；v
t
表示切削速度；(xi,yi)表示第i个位错在晶粒细化分析区域内的坐标；u和w分别表示晶粒细化分析区域的长度和宽度；f
t
表示切削推力；σ
t
表示切削刀具的剪切应力；s表示切削刀具与待加工钛合金工件的接触面积；r表示刀尖圆角；h表示切削深度；
[0050]
根据各个位错位置，得到位错间长程作用力，并根据所述位错间长程作用力，得到各个位错的长程作用合应力；所述长程作用合应力表示为：
[0051][0052]
式中，
[0053][0054]
其中，表示第i个位错的长程作用合应力；σ
ij
和θ分别表示第i个位错与第j个位错的位错间长程作用力和夹角；dx
ij
和dy
ij
分别表示位错i与位错j沿着x轴和y轴的距离；ns和n
dis
分别表示不可动位错数目和可动位错数目。
[0055]
进一步地，所述根据所述运动速度和障碍强度，得到对应的可动位错当前位置的步骤包括：
[0056]
根据各个可动位错的运动速度和初始位置，得到第一可动位错位置；所述第一可动位错位置表示为：
[0057][0058]
式中，
[0059][0060]
其中，和分别表示第n
l
个可动位错的运动速度、剪切应力和长程作用合应力；σ
p-n
表示区域内派纳力；b和bg分别表示柏氏矢量和粘性系数；和分别表示第n
l
个位错从t0时刻开始在第一个位错增殖时长t内移动前后的位置；
[0061]
根据各个可动位错的剪切应力和长程作用合应力，得到对应的驱动力，并根据所述区域内派纳力和对应的障碍强度，得到对应的移动阻力；
[0062]
判断各个可动位错的驱动力是否大于对应的移动阻力，若是，则将所述第一可动位错位置作为所述可动位错当前位置，反之，则判定对应可动位错发生位错塞积，将对应的初始位置作为所述可动位错当前位置。
[0063]
进一步地，所述晶界扭转角度表示为：
[0064][0065]
式中，
[0066][0067]
其中，和分别表示第q个晶粒区域的晶界扭转角度、晶界区域面积和晶界位错数目；d表示晶粒边长；b表示柏氏矢量。
[0068]
进一步地，所述切削后晶粒尺寸表示为：
[0069][0070]
其中，d
new
表示切削后晶粒尺寸；n表示晶粒细化次数；u和w分别表示晶粒细化分析区域的长度和宽度。
[0071]
第二方面，本发明实施例提供了一种超精密切削钛合金的加工表面晶粒细化预测系统，所述系统包括：
[0072]
预处理模块，用于预先获取待加工钛合金工件的α相晶体参数，并在所述待加工钛合金工件上选取晶粒细化分析区域；
[0073]
模型建立模块，用于根据所述α相晶体参数，建立所述晶粒细化分析区域对应的离散位错动力学模型；所述离散位错动力学模型用于仿真模拟所述晶粒细化分析区域内的位错行为；
[0074]
分析预测模块，用于响应于所述待加工钛合金工件的超精密切削加工，根据所述离散位错动力学模型，对所述晶粒细化分析区域进行晶粒细化预测分析，得到对应的切削后晶粒尺寸。
[0075]
第三方面，本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
[0076]
第四方面，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
[0077]
上述本技术提供了一种超精密切削钛合金的加工表面晶粒细化预测方法及系统，通过所述方法实现了预先获取待加工钛合金工件的α相晶体参数，并在待加工钛合金工件上选取晶粒细化分析区域后，根据α相晶体参数，建立晶粒细化分析区域对应的离散位错动力学模型，并在超精密切削加工待加工钛合金工件时，根据离散位错动力学模型，对晶粒细化分析区域进行晶粒细化预测分析，得到对应的切削后晶粒尺寸的技术方案。与现有技术相比，该超精密切削钛合金的加工表面晶粒细化预测方法，基于离散位错动力学计算模拟加工过程中钛合金内部位错行为，推演钛合金晶粒细化的微观结构变化，以及预测出切削后加工表面的晶粒尺寸，能够直观、快速且精准地评价加工表面质量，为优化后续加工工艺提供可靠保障，具有较高的应用价值。
附图说明
[0078]
图1是本发明实施例中超精密切削钛合金的加工表面晶粒细化预测方法的流程示意图；
[0079]
图2是本发明实施例中晶粒细化分析区域中晶粒划分的示意图；
[0080]
图3是本发明实施例中晶体内位错源固定在滑移面上的示意图；
[0081]
图4是本发明实施例中切削刀具恰好切削至选定晶粒细化分析区域的示意图；
[0082]
图5是本发明实施例中切削后晶粒尺寸的迭代计算过程的详细流程示意图；
[0083]
图6是本发明实施例中位错的长程作用合应力的计算流程图；
[0084]
图7是本发明实施例中位错增殖示意图；
[0085]
图8是本发明实施例中可动位错与位错障碍相遇的示意图；
[0086]
图9是本发明实施例中一次迭代预测完成后的晶体内位错分布示意图；
[0087]
图10是本发明实施例中一次迭代预测完成后的晶粒细化示意图；
[0088]
图11是本发明实施例中超精密切削钛合金的加工表面晶粒细化预测方法的另一流程示意图；
[0089]
图12是本发明实施例中钛合金加工后的示意图；
[0090]
图13是图12中钛合金加工过程中的位错行为仿真示意图；
[0091]
图14是图13的位错行为仿真结果的晶粒仿真结果示意图；
[0092]
图15是本发明实施例中超精密切削钛合金的加工表面晶粒细化预测系统的结构示意图；
[0093]
图16是本发明实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
[0094]
为了使本技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明，显然，以下所描述的实施例是本发明实施例的一部分，仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0095]
本发明提供的超精密切削钛合金的加工表面晶粒细化预测方法主要是基于离散位错动力学，实时模拟计算超精密切削钛合金α相中加工表面的位错行为，推演出加工过程中的晶粒细化，达到精准预测切削后加工表面晶粒尺寸，以对加工表面进行高效质量评估，指导选择合适加工工艺的目的。下述实施例将对本发明的超精密切削钛合金的加工表面晶粒细化预测方法进行详细说明。
[0096]
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种超精密切削钛合金的加工表面晶粒细化预测方法，包括以下步骤：
[0097]
s11、预先获取待加工钛合金工件的α相晶体参数，并在所述待加工钛合金工件上选取晶粒细化分析区域；其中，α相晶体参数包括位错源密度、位错源与障碍间距、滑移面间距、剪切模量、钛合金泊松比、柏氏矢量、位错段长度、位错增殖时长、粘性系数和位错障碍强度；对应的，获取方法均可采用现有技术实现，比如：使用纳米压痕仪测定剪切模量(μ)；根据泊松比测试仪测得钛合金泊松比(v)；对钛合金作金相处理，在金相显微镜、透射电子显微镜(tem)下对腐蚀后的晶体试样进行观察，得到金相图谱与傅立叶变化像，结合金相图谱与傅立叶变化像，确定位错类型并测量出位错蚀坑的数量，使用tem网格交线位错测量法计算出钛合金的位错源密度(ρs)，以及根据位错源密度得到位错障碍密度(ρ
obs
＝2ρs，即一般为位错源密度的两倍)；另外，其他的一些已知α相晶体参数如表1所示：
[0098]
表1钛合金的α相晶体中一些已知材料参数
[0099][0100]
晶粒细化分析区域可理解为是选取的一块用于分析超精密切削钛合金过程中晶粒细化程度的区域，为了保证计算的可靠性并减少计算量，本实施例优选地在待加工钛合金工件上选取的任一固定区域；具体的，所述在所述待加工钛合金工件上选取晶粒细化分析区域的步骤包括：
[0101]
根据切削刀具的初始切削位置，在所述待加工钛合金工件上选取预设尺寸的晶粒
细化分析区域；所述晶粒细化分析区域位于所述初始切削位置的正下方；其中，预设尺寸的选择可根据实际情况确定，此处不作具体限定；
[0102]
s12、根据所述α相晶体参数，建立所述晶粒细化分析区域对应的离散位错动力学模型；所述离散位错动力学模型用于仿真模拟所述晶粒细化分析区域内的位错行为，包括位错增殖、位错移动、位错湮灭、位错塞积和晶粒细化等仿真计算过程；具体的，所述根据所述α相晶体参数，建立所述晶粒细化分析区域对应的离散位错动力学模型的步骤包括：
[0103]
根据钛合金α相中滑移面间距和滑移方向、以及晶胞内滑移系与晶界的相对夹角，建立α相晶体滑移系；其中，钛合金α相中位错的滑移平面及滑移方向为{1 0
ꢀ‑
1 0}和《1 1
ꢀ‑
2 0》且晶胞内滑移系与晶界的相对夹角等于{0
°
，60
°
，-60
°
}，则对应的α相晶体滑移系的滑移系方向(位错运动方法)包括0
°
方向、60
°
方向和-60
°
方向；
[0104]
将所述晶粒细化分析区域均匀划分为预设数目个相同大小的晶粒区域；其中，预设数目原则上可任意选取，但考虑到钛合金α相晶粒的大小一般为微米级，本实施优选地将长为u(mm)和宽为w(mm)的晶粒细化分析区域按照图2所示的方式，均匀划分为100u*100w个的相同大小区域，每个相同大小的区域都是一个晶粒，晶粒区域的尺寸为10微米；
[0105]
根据所述位错源密度和晶粒细化分析区域大小，得到位错源数目，并采用正态分布法将位错源均分在各个滑移系方向上，以及得到各个位错源位置；其中，位错源数目ns通过位错源密度与晶粒细化分析区域大小的乘积得到，表示为：
[0106]ns
＝u*w*ρsꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0107]
其中，u和w分别表示晶粒细化分析区域的长度和宽度；ρs表示位错源密度；
[0108]
通过式(1)得到晶粒细化分析区域的位错源数目后，使用正态分布的方法使得前1/3的位错源在0
°
方向滑移系上，中间1/3的位错源在60
°
方向滑移系上，最后1/3的位错源在-60
°
方向滑移系上，并且得到图3所示的位错源位置ss且位错源位置ss一直不变；
[0109]
根据所述位错源与障碍间距，在各个位错源沿着所在滑移系方向的前后各布设一个位错障碍，并得到各个位错障碍位置；其中，位错源与障碍间距表示为：
[0110][0111]
其中，l
obs
、ρ
obs
和d分别表示位错源与障碍间距、位错障碍密度和滑移面间距；对应的，位错障碍位置可根据同一滑移系上的位错源位置和对应的位错源与障碍间距计算得到，并且位错障碍位置s
obs
也是固定不动的；
[0112]
需要说明的是，各个位错源和位错障碍在晶粒细化分析区域完成布设以后，在后续的分析预测过程中均保持不变，即所有的位错源属于不可动位错，对应的不可动位错数目与位错源数目等同，在后续晶粒细化分析过程中不可动位错数目ns不变，而实际切削过程中会由位错源不断产生可动位错，可动位错数目n
dis
也会不断更新，具体变动方式可参见下文晶粒细化分析中的相关描述；
[0113]
根据所述α相晶体滑移系、各个位错源位置、各个位错障碍位置，基于离散位错动力学，建立所述离散位错动力学模型。
[0114]
本实施例通过随机分布位错源，并基于离散位错位错动力学，模拟位错的行为，具有普适应和一般性，更能贴应用实际，提高位错行为模拟精准性的同时，也为晶粒细化分析的准确性提供可靠保证。
[0115]
s13、响应于所述待加工钛合金工件的超精密切削加工，根据所述离散位错动力学模型，对所述晶粒细化分析区域进行晶粒细化预测分析，得到对应的切削后晶粒尺寸；
[0116]
具体的，所述根据离散位错动力学模型，对所述晶粒细化分析区域进行晶粒细化预测分析，得到对应的切削后晶粒尺寸的步骤包括：
[0117]
获取超精密切削参数；所述超精密切削参数包括刀尖圆角、切削速度和切削深度；
[0118]
根据所述切削速度和所述晶粒细化分析区域的长度，得到预测计算时长，并将各个位错源作为不可动位错，初始化位错数目；所述位错包括可动位错和不可动位错；其中，预测计算时长可理解为对切削过程中整个晶粒细化分析的时长，表示为：
[0119]
t
max
＝1.5u/v
t
[0120]
其中，t
max
表示预测计算时长；u表示晶粒细化分析区域的长度；v
t
表示切削速度；
[0121]
需要说明的是，如图4所示，本实施例的迭代预测计算从切削刀具恰好切削至晶粒细化分析区域时开始，此时可动位错数目为0，即位错数目的初始值实际就为位错源数目；
[0122]
当切削刀具切削至所述晶粒细化分析区域时，根据所述超精密切削参数和所述α相晶体参数，在所述计算预测时长内，基于所述离散位错动力学模型对所述晶粒细化分析区域内的晶粒细化进行迭代分析，得到所述切削后晶粒尺寸；其中，切削后晶粒尺寸的迭代计算过程如图5所示，包括切削过程中位错所受的切削应力、长程作用力、位错增殖、位错运动/位错塞积、位错湮灭、晶粒细化等模拟计算过程，具体的，所述在所述计算预测时长内，基于所述离散位错动力学模型对所述晶粒细化分析区域内的晶粒细化进行迭代分析，得到所述切削后晶粒尺寸的步骤包括：
[0123]
对不可动位错数目、可动位错数目和晶粒细化次数进行初始化；其中，迭代开始时，记录切削刀具恰好到达晶粒细化分析区域的时刻为t0，此时不可动位错数目、可动位错数目和晶粒细化次数分别为位错源数目、0和0；同时，将迭代计算的时间步长设为位错增殖时长，可以理解对每一个位错增殖时段进行一次晶粒细化预测分析；
[0124]
获取当前时刻切削刀具的切削推力，并根据所述切削推力和各个位错位置，得到各个位错的剪切应力和长程作用合应力；其中，所述根据所述切削推力和各个位错位置，得到各个位错的剪切应力和长程作用合应力的步骤包括：
[0125]
根据所述切削推力，得到各个位错的剪切应力；所述剪切应力表示为：
[0126][0127]
式中，
[0128][0129][0130]
其中，τi表示第i个位错受到切削所造成的剪切应力；z和λ表示钛合金的材料参数；v
t
表示切削速度；(xi,yi)表示第i个位错在晶粒细化分析区域内的坐标；u和w分别表示晶粒细化分析区域的长度和宽度；f
t
表示t0时刻采用测力仪测出的切削推力；σ
t
表示切削刀具的剪切应力；w表示切削刀具与待加工钛合金工件的接触面积；r表示刀尖圆角；h表示切削深度；
[0131]
根据各个位错位置，得到位错间长程作用力，并根据所述位错间长程作用力，得到各个位错的长程作用合应力；所述长程作用合应力可理解为是将一个位错受到的其他所有位错的长程作用力的累计，具体计算过程如图6所示，表示为：
[0132][0133]
式中，
[0134][0135]
其中，表示第i个位错的长程作用合应力；σ
ij
和θ分别表示第i个位错与第j个位错的位错间长程作用力和夹角，且(0
°
《＝θ《180
°
)；dx
ij
和dy
ij
分别表示位错i与位错j沿着x轴和y轴的距离；ns和n
dis
分别表示不可动位错数目和可动位错数目；需要说明的是，考虑到不同位错的滑移系夹角不同，通过在计算长程应力的计算公式中增加变量θ的方式来提高长程应力计算的准确性；
[0136]
根据所述剪切模量、所述钛合金泊松比、所述柏氏矢量和所述位错段长度，计算所述晶粒细化分析区域的区域内派纳力和位错源增殖强度；所述区域内派纳力表示为：
[0137][0138]
其中，σ
p-n
表示区域内派纳力；μ、v、b和ξ分别表示剪切模量、钛合金泊松比、柏氏矢量和位错半宽度，位错半宽度大小为5b；
[0139]
所述位错源增殖强度表示为：
[0140][0141]
其中，τs表示位错源增殖强度；l
ab
表示位错段长度；
[0142]
根据各个位错源的剪切应力和长程作用合应力，得到对应的位错源合应力；所述位错源合应力表示为：
[0143][0144]
其中，τ
ok
、σ
ok
和分别表示为第k个位错源的剪切应力、长程作用合应力和位错源合应力；需要说明的是，位错源不可动位错，则τ
ok
和σ
ok
同样分别采用式(2)和(3)计算得到，此处不再赘述；
[0145]
判断各个位错源合应力是否大于所述位错源增殖强度，若是，则将对应的位错源位置保持不变，并按照预设距离，在对应位错源的滑移系上产生一对正负位错，以及增加可动位错数量；其中，预设距离优选地按式(7)得到，对应增殖的正负位错的位错如图7所示：
[0146][0147]
其中，l表示位错源生成的正负位错之间的距离；
[0148]
由于位错源生成的正负位错可在对应的滑移系上移动，则就需要按照下述方法步骤分析其后续的运行速度，不同时刻的移动位置，进一步对可能出现的位错塞积和位错湮灭等行为进行预测分析，从而保证晶粒细化分析的准确性；
[0149]
根据各个可动位错的剪切应力、长程作用合应力和所述区域内派纳力，得到各个可动位错的运动速度，并根据各个可动位错的运动速度和同一滑移系的位错障碍位置，得到对应的障碍强度，以及根据所述运动速度和障碍强度，得到对应的可动位错当前位置；其中，可动位错的运动方向与可动位错所在的滑移系方向平行，且通过应力计算可得可动位错的运动速度，表示为：
[0150][0151]
其中，和分别表示第n
l
个可动位错的运动速度、剪切应力和长程作用合应力；σ
p-n
表示区域内派纳力；b和bg分别表示柏氏矢量和粘性系数；
[0152]
需要说明的是，考虑到可动位错移动过程中，可能会因实际移动过程中所受到的障碍强度和区域派纳力的影响而发生位错塞积，导致位错不能正常移动的情况，即对应的位置就不会发生变化；其中，移动过程中所受到的障碍强度会因是否遇到位错障碍而定，具体的分析过程为：假设可动位错n
l
所受的障碍强度为其只有在经过位错障碍所在位置s
obs
时，也即当可动位错n
l
运动时出现在图8所示位置时，对应的大小才为τ
obs
，反之，则为0；具体地，可动位错n
l
是否与位错障碍相遇的问题可通过下列计算判断：
[0153]
通过式(9)计算可动位错n
l
到达位错障碍所需时间t1，如果0《＝t1《t(其中，t表示迭代预测的时间步长，等于位错增殖时长)，则判断可动位错n
l
在本次运动过程中会与位错障碍相遇，反之，就是不会相遇；
[0154][0155]
通过上述方法步骤确定各个可动位错的运动速度和障碍强度后，就可采用下述方法计算每个可动位错的所在位置；具体的，所述根据所述运动速度和障碍强度，得到对应的可动位错当前位置的步骤包括：
[0156]
根据各个可动位错的运动速度和初始位置，得到第一可动位错位置；所述第一可动位错位置可理解为正常未遇到位错障碍的情况下，在一个位错增殖时长后移至的位置，表示为：
[0157][0158]
其中，表示第n
l
个可动位错的运动速度；和分别表示第n
l
个位错从t0时刻开始在第一个位错增殖时长t内移动前后的位置；
[0159]
根据各个可动位错的剪切应力和长程作用合应力，得到对应的驱动力，并根据所述区域内派纳力和对应的障碍强度，得到对应的移动阻力；其中，驱动力表示为：
[0160][0161]
其中，和分别表示第n
l
个可动位错的驱动力、剪切应力和长程作用合
应力；
[0162]
移动阻力表示为：
[0163][0164]
其中，和分别表示第n
l
个可动位错的移动阻力和障碍强度；
[0165]
判断各个可动位错的驱动力是否大于对应的移动阻力，若是，则将所述第一可动位错位置作为所述可动位错当前位置，反之，则判定对应可动位错发生位错塞积，将对应的初始位置作为所述可动位错当前位置；
[0166]
需要说明的是，原则上，经过上述位错塞积判断后，可以得到式(10)所示的经过一个位错增殖时长后所有可动位错的准确位置，然而，在实际位错运动过程中，还会出现同一滑移系上的正位错和负位错位置间距过小，而发生位错湮灭，即两个可动位错同时消失的情况。基于此，为了保证位错行为模拟的全面性和准确性，本实施例还进一步对可能存在的位错湮灭行为进行识别，以实时更新有效可移动位错数目，保证后续迭代分析的准确性；
[0167][0168]
根据各个可动位错当前位置，得到对应的可动位错间距，并根据各个可动位错间距，判断是否发生位错湮灭，并在发生时，移除对应的可动位错，以及减少所述可动位错数量；其中，可动位错间距可理解为任意一对可动位错间的距离，表示为：
[0169][0170]
其中，表示第n
l
个可动位错和第nm个可动位错间的可动位错间距；和分别表示在
t0+t
时刻第n
l
个可动位错和第nm个可动位错对应的可动位错当前位置；
[0171]
根据所有的可动位错当前位置和位错源位置，统计各个晶粒区域的晶界位错数，并根据各个晶粒区域的晶界位错数，得到对应的晶界扭转角度；其中，晶界位错数可理解为是位于晶粒区域内，但未在大小为(1/200)*(1/200)的晶体中心区域内的位错数目，如图9所示，位置在晶体中心区域的位错为是晶体内位错，位置在晶界区域内的位错是晶界位错；对应的，每粒晶粒的晶界扭转角度表示为：
[0172][0173]
式中，
[0174][0175]
其中，和分别表示第q个晶粒区域的晶界扭转角度、晶界区域面积和晶界位错数目；d表示晶粒边长；b表示柏氏矢量；
[0176]
根据所述晶界扭转角度，判断是否存在发生晶粒细化的晶粒区域，并将发生晶粒细化的晶粒区域均分为四个大小相同的子晶粒区域，以及将所述晶粒细化次数增加；其中，根据所述晶界扭转角度，判断是否存在发生晶粒细化的晶粒区域的具体过程可理解为判断
每个晶粒的晶界扭转角度是否大于预设度数(比如，5
°
)，若是，则某个晶粒的晶界扭转角度大于预设度数，则判定该晶粒出现晶粒细化，反之，则未出现晶粒细化；此外，晶粒细化可理解为将一个晶粒划分为四个相同大小的子晶粒的过程，即如图10所示出现一个晶粒细化，对应的晶粒数目就会增加3，对应的晶粒细化次数n就会增加1；自此就可以认为是完成一次晶粒细化的迭代预测，随后需要从获取切削刀具的切削推力开始，更新相关迭代计算参数，执行新的一轮晶粒细化迭代预测，直至达到预设计算预测时长；
[0177]
根据所述位错增殖时长更新当前分析时刻，并获取所述切削刀具的当前切削推力，并根据所述当前切削推力更新所述切削推力，继续下一轮晶粒细化分析，直至达到预设计算预测时长，停止迭代，根据晶粒细化次数，得到所述切削后晶粒尺寸；其中，所述切削后晶粒尺寸表示为：
[0178][0179]
其中，d
new
表示切削后晶粒尺寸；n表示晶粒细化次数；u和w分别表示晶粒细化分析区域的长度和宽度。
[0180]
此外，为了对本发明提供的超精密切削钛合金的加工表面晶粒细化预测方法的有效性进行验证，本实施例还按照图11所示的详细流程对图12所示的在钛合金样本(相关α相晶体参数：b＝0.295nm，μ＝113.76gpa，ν＝0.342，ρs＝1.2
×
10
13
m-2
；距离切削刀具切削处1mm的晶粒细化分析区域尺寸：u＝0.1mm，w＝0.1mm；切削深度h＝30um，切削速度v
t
＝5m/s)的切削加工进行晶粒细化仿真预测，得到图13所示的位错行为仿真结果(
‘
*’代表位错源，
‘
.’代表可动位错)；根据图13所示的位错分布，计算每个晶粒的晶界扭转角度，确定每个晶粒是否出现晶粒细化，得到本次迭代晶粒细化次数的增加量，并进行下次迭代；通过完成所有迭代计算，最后可得晶粒细化次数n＝20，如图14所示，由此计算可得微切削后选定区域内的平均晶粒尺寸等于7.9057微米，相对于原晶粒尺寸10微米，明显减少，因此后续的加工工艺需要根据晶粒尺寸的变化而进行相应的设计，比如，如果平均晶粒尺寸的变化不大，那么晶粒细化问题不大，钛合金的弹性模量等材料参数变化量较小，后续加工工艺无需考虑晶粒细化问题；如果晶粒尺寸的变化较大，钛合金的弹性模量等材料参数变化量较大，后续加工工艺需要根据晶粒细化问题进行修改；同时，如果晶粒细化次数n太多，此时，钛合金的一些材料参数变化量变化十分明显，后续加工工艺设计困难，那么可以选择修改切削深度，减少晶粒细化，使得晶粒尺寸的变化减少。
[0181]
本技术实施例通过采用随机分布位错源(而不是连续的)，结合基于离散位错动力学模拟超精密切削加工过程中的位错行为，推演钛合金晶粒细化的微观结构变化，对钛合金α相中的加工表面晶粒细化进行迭代计算分析，实现对切削后加工表面晶粒尺寸的高效精准预测，不仅操作简单，计算量减小，而且相较于传统有限元仿真方法，其普适性和可行性均有提升，能够直接、快速且精准地观测和评价加工表面质量，为后续加工工艺设计的有效指定提供可靠保障，具有较高的应用价值。
[0182]
需要说明的是，虽然上述流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。
[0183]
在一个实施例中，如图15所示，提供了一种超精密切削钛合金的加工表面晶粒细化预测系统，所述系统包括：
[0184]
预处理模块1，用于预先获取待加工钛合金工件的α相晶体参数，并在所述待加工钛合金工件上选取晶粒细化分析区域；
[0185]
模型建立模块2，用于根据所述α相晶体参数，建立所述晶粒细化分析区域对应的离散位错动力学模型；所述离散位错动力学模型用于仿真模拟所述晶粒细化分析区域内的位错行为；
[0186]
分析预测模块3，用于响应于所述待加工钛合金工件的超精密切削加工，根据所述离散位错动力学模型，对所述晶粒细化分析区域进行晶粒细化预测分析，得到对应的切削后晶粒尺寸。
[0187]
关于超精密切削钛合金的加工表面晶粒细化预测系统的具体限定可以参见上文中对于超精密切削钛合金的加工表面晶粒细化预测方法的限定，对应的技术效果也可等同得到，在此不再赘述。上述超精密切削钛合金的加工表面晶粒细化预测系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
[0188]
图16示出一个实施例中计算机设备的内部结构图，该计算机设备具体可以是终端或服务器。如图16所示，该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示器和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现超精密切削钛合金的加工表面晶粒细化预测方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
[0189]
本领域普通技术人员可以理解，图16中示出的结构，仅仅是与本技术方案相关的部分结构的框图，并不构成对本技术方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有同的部件布置。
[0190]
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述方法的步骤。
[0191]
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
[0192]
综上，本发明实施例提供的一种超精密切削钛合金的加工表面晶粒细化预测方法、系统、计算机设备及存储介质，其超精密切削钛合金的加工表面晶粒细化预测方法实现了预先获取待加工钛合金工件的α相晶体参数，并在待加工钛合金工件上选取晶粒细化分析区域后，根据α相晶体参数，建立晶粒细化分析区域对应的离散位错动力学模型，并在超精密切削加工待加工钛合金工件时，根据离散位错动力学模型，对晶粒细化分析区域进行晶粒细化预测分析，得到对应的切削后晶粒尺寸的技术方案，该方法实现了基于离散位错
动力学计算模拟加工过程中钛合金内部位错行为，推演钛合金晶粒细化的微观结构变化，以及预测出切削后加工表面的晶粒尺寸，能够直观、快速且精准地评价加工表面质量，为优化后续加工工艺提供可靠保障，具有较高的应用价值。
[0193]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例直接相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。需要说明的是，上述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0194]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种超精密切削钛合金的加工表面晶粒细化预测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：预先获取待加工钛合金工件的α相晶体参数，并在所述待加工钛合金工件上选取晶粒细化分析区域；根据所述α相晶体参数，建立所述晶粒细化分析区域对应的离散位错动力学模型；所述离散位错动力学模型用于仿真模拟所述晶粒细化分析区域内的位错行为；响应于所述待加工钛合金工件的超精密切削加工，根据所述离散位错动力学模型，对所述晶粒细化分析区域进行晶粒细化预测分析，得到对应的切削后晶粒尺寸。2.如权利要求1所述的超精密切削钛合金的加工表面晶粒细化预测方法，其特征在于，所述在所述待加工钛合金工件上选取晶粒细化分析区域的步骤包括：根据切削刀具的初始切削位置，在所述待加工钛合金工件上选取预设尺寸的晶粒细化分析区域；所述晶粒细化分析区域位于所述初始切削位置的正下方。3.如权利要求1所述的超精密切削钛合金的加工表面晶粒细化预测方法，其特征在于，所述α相晶体参数包括位错源密度、位错源与障碍间距和滑移面间距；所述根据所述α相晶体参数，建立所述晶粒细化分析区域对应的离散位错动力学模型的步骤包括：根据钛合金α相中滑移面间距和滑移方向、以及晶胞内滑移系与晶界的相对夹角，建立α相晶体滑移系；所述α相晶体滑移系的滑移系方向包括0
°
方向、60
°
方向和-60
°
方向；将所述晶粒细化分析区域均匀划分为预设数目个相同大小的晶粒区域；根据所述位错源密度和晶粒细化分析区域大小，得到位错源数目，并采用正态分布法将位错源均分在各个滑移系方向上，以及得到各个位错源位置；根据所述位错源与障碍间距，在各个位错源沿着所在滑移系方向的前后各布设一个位错障碍，并得到各个位错障碍位置；根据所述α相晶体滑移系、各个位错源位置、各个位错障碍位置，基于离散位错动力学，建立所述离散位错动力学模型。4.如权利要求3所述的超精密切削钛合金的加工表面晶粒细化预测方法，其特征在于，所述根据离散位错动力学模型，对所述晶粒细化分析区域进行晶粒细化预测分析，得到对应的切削后晶粒尺寸的步骤包括：获取超精密切削参数；所述超精密切削参数包括刀尖圆角、切削速度和切削深度；根据所述切削速度和所述晶粒细化分析区域的长度，得到预测计算时长，并将各个位错源作为不可动位错，初始化位错数目；所述位错包括可动位错和不可动位错；当切削刀具切削至所述晶粒细化分析区域时，根据所述超精密切削参数和所述α相晶体参数，在所述计算预测时长内，基于所述离散位错动力学模型对所述晶粒细化分析区域内的晶粒细化进行迭代分析，得到所述切削后晶粒尺寸。5.如权利要求4所述的超精密切削钛合金的加工表面晶粒细化预测方法，其特征在于，所述α相晶体参数还包括剪切模量、钛合金泊松比、柏氏矢量、位错段长度、位错增殖时长、粘性系数和位错障碍强度；所述在所述计算预测时长内，基于所述离散位错动力学模型对所述晶粒细化分析区域内的晶粒细化进行迭代分析，得到所述切削后晶粒尺寸的步骤包括：
对不可动位错数目、可动位错数目和晶粒细化次数进行初始化；获取当前时刻切削刀具的切削推力，并根据所述切削推力和各个位错位置，得到各个位错的剪切应力和长程作用合应力；根据所述剪切模量、所述钛合金泊松比、所述柏氏矢量和所述位错段长度，计算所述晶粒细化分析区域的区域内派纳力和位错源增殖强度；所述区域内派纳力表示为：其中，σ
p-n
表示区域内派纳力；μ、v、b和ξ分别表示剪切模量、钛合金泊松比、柏氏矢量和位错半宽度；所述位错源增殖强度表示为：其中，τ
s
表示位错源增殖强度；l
ab
表示位错段长度；根据各个位错源的剪切应力和长程作用合应力，得到对应的位错源合应力；所述位错源合应力表示为：其中，τ
ok
、σ
ok
和分别表示为第k个位错源的剪切应力、长程作用合应力和位错源合应力；判断各个位错源合应力是否大于所述位错源增殖强度，若是，则将对应的位错源位置保持不变，并按照预设距离，在对应位错源的滑移系上产生一对正负位错，以及增加可动位错数量；根据各个可动位错的剪切应力、长程作用合应力和所述区域内派纳力，得到各个可动位错的运动速度，并根据各个可动位错的运动速度和同一滑移系的位错障碍位置，得到对应的障碍强度，以及根据所述运动速度和障碍强度，得到对应的可动位错当前位置；根据各个可动位错当前位置，得到对应的可动位错间距，并根据各个可动位错间距，判断是否发生位错湮灭，并在发生时，移除对应的可动位错，以及减少所述可动位错数量；根据所有的可动位错当前位置和位错源位置，统计各个晶粒区域的晶界位错数，并根据各个晶粒区域的晶界位错数，得到对应的晶界扭转角度；根据所述晶界扭转角度，判断是否存在发生晶粒细化的晶粒区域，并将发生晶粒细化的晶粒区域均分为四个大小相同的子晶粒区域，以及将所述晶粒细化次数增加；根据所述位错增殖时长更新当前分析时刻，并获取所述切削刀具的当前切削推力，并根据所述当前切削推力更新所述切削推力，继续下一轮晶粒细化分析，直至达到预设计算预测时长，停止迭代，根据晶粒细化次数，得到所述切削后晶粒尺寸。6.如权利要求5所述的超精密切削钛合金的加工表面晶粒细化预测方法，其特征在于，所述根据所述切削推力和各个位错位置，得到各个位错的剪切应力和长程作用合应力的步骤包括：根据所述切削推力，得到各个位错的剪切应力；所述剪切应力表示为：
式中，式中，其中，τ
i
表示第i个位错受到切削所造成的剪切应力；z和λ表示钛合金的材料参数；v
t
表示切削速度；(x
i
,y
i
)表示第i个位错在晶粒细化分析区域内的坐标；u和w分别表示晶粒细化分析区域的长度和宽度；f
t
表示切削推力；σ
t
表示切削刀具的剪切应力；s表示切削刀具与待加工钛合金工件的接触面积；r表示刀尖圆角；h表示切削深度；根据各个位错位置，得到位错间长程作用力，并根据所述位错间长程作用力，得到各个位错的长程作用合应力；所述长程作用合应力表示为：式中，其中，表示第i个位错的长程作用合应力；σ
ij
和θ分别表示第i个位错与第j个位错的位错间长程作用力和夹角；dx
ij
和dy
ij
分别表示位错i与位错j沿着x轴和y轴的距离；n
s
和n
dis
分别表示不可动位错数目和可动位错数目。7.如权利要求5所述的超精密切削钛合金的加工表面晶粒细化预测方法，其特征在于，所述根据所述运动速度和障碍强度，得到对应的可动位错当前位置的步骤包括：根据各个可动位错的运动速度和初始位置，得到第一可动位错位置；所述第一可动位错位置表示为：式中，其中，和分别表示第n
l
个可动位错的运动速度、剪切应力和长程作用合应力；σ
p-n
表示区域内派纳力；b和b
g
分别表示柏氏矢量和粘性系数；和分别表示第n
l
个位错从t0时刻开始在第一个位错增殖时长t内移动前后的位置；根据各个可动位错的剪切应力和长程作用合应力，得到对应的驱动力，并根据所述区域内派纳力和对应的障碍强度，得到对应的移动阻力；判断各个可动位错的驱动力是否大于对应的移动阻力，若是，则将所述第一可动位错位置作为所述可动位错当前位置，反之，则判定对应可动位错发生位错塞积，将对应的初始
位置作为所述可动位错当前位置。8.如权利要求5所述的超精密切削钛合金的加工表面晶粒细化预测方法，其特征在于，所述晶界扭转角度表示为：式中，其中，和分别表示第q个晶粒区域的晶界扭转角度、晶界区域面积和晶界位错数目；d表示晶粒边长；b表示柏氏矢量。9.如权利要求5所述的超精密切削钛合金的加工表面晶粒细化预测方法，其特征在于，所述切削后晶粒尺寸表示为：其中，d
new
表示切削后晶粒尺寸；n表示晶粒细化次数；u和w分别表示晶粒细化分析区域的长度和宽度。10.一种超精密切削钛合金的加工表面晶粒细化预测系统，其特征在于，所述系统包括：预处理模块，用于预先获取待加工钛合金工件的α相晶体参数，并在所述待加工钛合金工件上选取晶粒细化分析区域；模型建立模块，用于根据所述α相晶体参数，建立所述晶粒细化分析区域对应的离散位错动力学模型；所述离散位错动力学模型用于仿真模拟所述晶粒细化分析区域内的位错行为；分析预测模块，用于响应于所述待加工钛合金工件的超精密切削加工，根据所述离散位错动力学模型，对所述晶粒细化分析区域进行晶粒细化预测分析，得到对应的切削后晶粒尺寸。

技术总结
本发明提供了一种超精密切削钛合金的加工表面晶粒细化预测方法及系统，所述方法包括：预先获取待加工钛合金工件的α相晶体参数，并在待加工钛合金工件上选取晶粒细化分析区域；根据α相晶体参数，建立晶粒细化分析区域对应的离散位错动力学模型；所述离散位错动力学模型用于仿真模拟晶粒细化分析区域内的位错行为；响应于待加工钛合金工件的超精密切削加工，根据离散位错动力学模型，对晶粒细化分析区域进行晶粒细化预测分析，得到对应的切削后晶粒尺寸。本发明基于离散位错动力学计算模拟位错行为，推演晶粒细化的微观结构变化，以及预测出切削后的晶粒尺寸，能够直观、快速且精准地评价加工表面质量，具有较高的应用价值。值。值。


技术研发人员：孙占文 焦杰 王素娟 伍海清
受保护的技术使用者：广东工业大学
技术研发日：2023.05.06
技术公布日：2023/8/21