超精密慢刀伺服车削零件的面型分析与刀具设计方法研究

研究首先分析总结了当前自由曲面复杂零件超精密慢刀伺服车削加工中的具体加工技术挑战,进而系统地研究了自由曲面零件面型特性,零件面型关键参数提取,零件面型参数与刀具参数之间的关联关系。进一步研究了超精密慢刀伺服车削金刚石刀具的几何参数确定方法;并针对自由曲面零件的可加工性,提出了超精密慢刀伺服车削加工中金刚石刀具选用准则。另外,通过超精密慢刀伺服车削加工实际案例和应用加工试验,证明零件面型分析及金刚石刀具几何参数的合理选用,对实现高效稳定的工业化超精密慢刀伺服车削加工至关重要。     

慢刀伺服车削渐进多焦点透镜的刀具路径生成与实验

针对渐进多焦点透镜的高效、高质量加工需求,基于慢刀伺服的超精密车削技术提出了一种等弧长-角度混合刀触点离散方法,模拟分析了金刚石圆弧车刀在加工渐进多焦点透镜时的三维刀具轨迹形貌。通过程序生成,采用超精密慢刀伺服车削的方法在超精密机床上进行了PMMA材料渐进多焦点透镜样件的加工,经检测分析,验证了刀具生产算法的可行性和有效性,加工效率和加工质量得到了有效保证。研究成果对于渐进多焦点透镜自由曲面加工技术的发展具有重要意义。     

复杂曲面慢刀伺服加工刀具半径补偿方法

随着机床技术的进步,一种基于慢刀伺服技术的超精密金刚石车削创成加工方式成为可能,能够一次加工获得精度很高的各种复杂曲面。在复杂曲面慢刀伺服车削加工路径规划中,针对存在的刀具过切现象,传统刀具半径补偿算法为计算曲面刀触点的等距点,通过分析传统等距点刀具半径补偿算法的不足,提出了一种基于等距点的刀具半径补偿算法,弥补了传统等距点刀具半径补偿算法的不足,通过实例证明该算法有效地改进了传统刀具半径补偿算法的不足,提高了曲面加工的精度。     

微透镜阵列单点金刚石车削补偿技术

为了提高微透镜阵列单点金刚石车削的加工精度与一致性,提出了加工误差的理论模型,并针对其补偿方法进行了理论分析和实验研究.将微透镜阵列加工等效为自由曲面加工,通过建立单点金刚石慢刀伺服切削模型,计算了理论曲面在每一个切削点处沿切削方向的曲率半径;结合刀具等效倾斜角模型和机床加工时延模型,进一步得到了慢刀伺服切削微透镜阵列...     

稳定X轴的刀具圆弧Z向补偿差值迭代法

为了改进自由曲面刀具路径规划中刀具圆弧Z向补偿的计算方法,降低车床克服X轴惯性带来的跟踪误差,提高切削速度和效率,基于超精密车削下的慢刀伺服技术提出一种差值迭代法.以理想刀位点极径和由给定刀触点计算出的实际刀位点极径作差值运算,判断差值是否小于车床导轨分辨率,若低于分辨率,则输出刀位点;若超过,将差值补偿给初始刀触点重...     

基于慢刀伺服的3D曲面抛光技术研究

在分析离子体抛光、磁流变抛光技术、振动辅助抛光、等超精密抛光技术优缺点的基础上,探讨研究基于慢刀伺服的3D曲面抛光技术。基于慢刀伺服的3D曲面抛光技术应用小直径球刀,刀具的旋转轴线与工件中心线呈35°角,呈刀轴相互吻合的抛光头抛光形态;采用刀轨可视化3D动态仿真的方式对刀轨所具有的效果与精准性进行检测,便于分析抛光参数;采用刀具轨迹形式设计有相应的后处理器,可适用于外圆车削、轴向端面加工以及准柔性抛光等。基于慢刀伺服的3D曲面抛光技术属于机械抛光技术的类别,通过车削的方式将工件表面不平整的材料去除,往往不伴随化学反应,表面粗糙度Ra=0.3～3.0μm,高于化学抛光可以达到的表面粗糙度Ra=0.5～10μm,加工精度优于化学抛光技术。基于慢刀伺服的3D曲面抛光技术的结构简单,不需要准备夹具、直流电设备、化学介质等相关材料,整体加工时间短,加工效率优势显著。慢刀伺服的3D曲面抛光技术只需要根据3D曲面的情况建立起对应程式,由机床统一完成3D曲面抛光,使用寿命长,成本低。     

离散曲面慢刀伺服车削刀具路径规划

为解决离散曲面加工的难题,进行了离散曲面慢刀伺服车削刀具路径规划,研究了离散曲面的刀触点生成算法和刀位点生成算法,对比了两种刀位点速度插补算法。提出了基于Zernike多项式局部数据点拟合的刀触点生成方法和Z向刀具形状补偿方法。使用MATLAB软件以环曲面为例进行仿真,验证了该方法的正确性。通过对环曲面和渐进多焦点曲面进行刀具路径规划和加工实验,表明该刀具路径规划方法能够在避免对整个曲面进行拟合的基础上实现离散曲面的高精度加工。     

基于临界约束的四轴数控加工刀轴优化方法

针对自由曲面四轴加工中复杂刀具运动导致的干涉和刀具运动不连续等现象,提出一种基于临界约束的刀轴优化方法。基于刀具与工件约束曲面之间的相对位置关系,利用曲线上的点搜索算法确定切触点处的临界刀轴矢量,并计算当前切触点刀轴摆动的可行域;以切削行内所有切触点的刀轴可行域为基础,建立当前切削行内无干涉且相邻刀轴变化最小的刀轴矢量优化模型,实现了自由曲面四轴加工无干涉刀轴矢量的光顺控制。整体叶盘四轴加工试验表明,利用此方法获得的刀轴矢量可以显著改善机床运动的连续性,并避免刀具干涉的产生,提高了加工质量。     

渐进多焦点镜片的设计与慢刀伺服车削

为解决自由曲面眼镜片设计加工的难题,进行了渐进多焦点镜片的设计和加工。提出了渐进多焦点曲面的参数化设计方法,通过控制曲面曲率来控制曲面的面型,避免了复杂的数学计算。在对曲面光焦度和像散分布进行计算的基础上对曲面进行评价。提出了离散曲面的刀触点生成方法,将慢刀伺服车削技术用于该渐进多焦点曲面的加工。实验结果证明了设计方法的正确性和加工方法的可行性。     

基于PMAC时基控制的离轴抛物面超精密加工技术

为了实现对离轴抛物面等非回转对称、不规则复杂曲面零件的金刚石超精密车削成型。本文提出了一种基于PMAC时基控制的离轴抛物面加工方法。论文首先依据平移旋转方程对工件的坐标进行转换,然后根据时基控制原理计算控制参数,最后通过分析刀具的运动过程进行了工艺试验。实验结果表明,在主轴转速96 r·min-1时,切削深度0.005 mm,刀具进给率1 mm·min-1等切削参数进行加工时,成功地获得面形精度2μm,粗糙度Ra为0.02的离轴抛物面。该方法不仅适用于离轴抛物面的加工,还适用于其它回转对称、不规则的自由曲面的超精密加工。     

复杂曲面零件超精密多轴铣削加工工艺研究

常规的铣削加工工艺在工艺规划中具有不确定性,影响工艺质量。针对铣削加工工艺的质量问题,研究人员设计了多种加工工艺。基于NSGA-Ⅱ的多轴铣削加工工艺,与基于切削稳定性与表面质量约束的多轴铣削加工工艺的应用较为广泛。因此,设计了复杂曲面零件超精密多轴铣削加工工艺。选择小楔角铣削加工刀具,选用0°前角作为刀具楔角,结合刀柄结构缩小回转半径,实现铣削刀切削稳定的目标。规划复杂曲面零件超精密多轴铣削走刀轨迹,将多轴轮廓铣的刀轴位姿与投影方向进行调整,在复杂曲面零件表面生成光滑轨迹,确保铣削加工质量。采用仿真实验,验证了该工艺的铣削质量更佳。     

改装超精密磨床的超精密车削试验研究

对自主研制的T形结构超精密磨床进行改装,在超精密磨床的转台上安装单点金刚石圆弧车刀,进行了超精密车削试验研究。对超精密磨床和车床的结构、精度、刚度进行了分析和比较,确定在超精密磨床的基础上可以进行超精密车床的改造;通过调整静压导轨和刀具静压回转台的供油压力实现超精密车削刀具与工件回转中心高度的精确调整,可有效地实现工件回转中心区域的加工;利用刀具回转台的精密摆动实现刀具切削过程中切削刃位置的微调,为超精密车削提供可能。采用上述方法进行铝合金和无氧铜工件端面不同速度和不同进给量下的超精密车削试验,获得了表面粗糙度为10.8nm的超精密平面。     

基于均匀设计法的精密车削参数优化

为了探索难加工材料-奥氏体不锈钢精密车削的参数优化问题,引入伪变量A表达车削冷却降温条件,用均匀设计法设计含定性因素混合水平的精密车削试验方案。在干式、环保型湿式和低温冷风微油雾三种不同车削冷却降温条件下,实现低成本高效率的精密车削试验。在这三种条件下,以切削速度、进给量、背吃刀量和刀尖半径为优化变量,以表面粗糙度、表面残余应力、切削力、切削温度、刀具寿命和切削效率为优化目标函数,建立了奥氏体不锈钢精密车削参数优化模型,还对车削参数进行了优化和验证,效果明显。以刀具磨钝前能车削出的总金属表面积作为刀具寿命,在工件连续表面不出现接刀现象的前提下进行精密车削参数优化。研究成果对指导大型工件精密车削的参数选择具有实际意义。     

环曲面眼镜片的慢刀伺服加工技术

为解决非回转对称非球面眼镜片加工的难题,探讨了环曲面眼镜片的慢刀伺服加工方法。建立了环曲面数学模型,对其加工进行了路径规划,分析了刀触点离散方案、刀具补偿方案及棱镜曲面空间延拓问题。实例加工表明,提出的基于慢刀伺服加工技术的路径规划方法实用可行,可以加工屈光度精度0.05D以内的环曲面眼镜片。     

微结构自由曲面的超精密单点金刚石切削技术概述

回顾了超精密加工技术的发展,主要包括超精密加工设备的开发历程,以及超精密单点金刚石切削技术基础,并对微工程技术作一简要介绍;重点论述微结构自由曲面的微纳切削技术,包括单点金刚石车削(Single point diamond turning, SPDT),快刀伺服加工(Fast tool servo, FTS),金刚石微凿切(Diamond micro chiseling, DMC),光栅铣削等技术。指出微结构自由曲面测量领域面临的挑战和存在的问题,包括接触式测量和非接触式测量。通过几个典型微结构自由曲面的加工及测量的应用进行举例说明;最后介绍我国在超精密加工机床领域内的研制情况,展望了超精密切削技术未来发展趋势。     

基于改进型Butterfly细分的三角网格自由曲面环形刀具轨迹规划

针对刀具轨迹连续性差、切削刀具负荷波动大的问题,提出一种基于改进型Butterfly细分的三角网格曲面环形刀具轨迹规划方法。以三角网格曲面的几何特征为基础构建曲面定点数据表达结构,结合环形刀的几何特征对刀触点(CC点)的刀具曲面及工件曲面进行几何分析,构建三角网格曲面环形刀切削模型。根据切削刀具干涉原理计算刀具的最小前倾角以获得切削路径的最大宽度,并据此采用改进型Butterfly细分方法对三角网格曲面进行细分,使刀具轨迹的行距达到切削路径宽度的要求。以曲面轮廓曲线为初始刀具轨迹,沿着三角网格边界进行螺旋型刀具轨迹刀触点(CC点)的逐行规划,最终根据环形刀几何模型求解刀心(CL点)位置。根据选择的刀具参数和给定的残余高度要求,仿真生成的三角网格曲面螺旋刀具轨迹的连续性好,从而降低了切削刀具负载的波动,最后通过机加工实验验证了刀具轨迹的可行性。     

SPDT超精密切削时切削变形与切削力的研究

研究了超精密切削时，单晶金刚石刀具与工件间的摩擦系数、刀具锋锐度、切削厚度等对切削变形系数、切削力及加工表面质量的影响。作者认为在超精密切削时，要提烹加工表面质量，优选金刚石刀具的晶面方向、提高金刚石刀具的锋锐度是十分重要的，在超精密切削单晶材料时，工件晶面的选择也是十分重要的。     

大行程快速刀具伺服装置的设计

基于快速刀具伺服(Fast Tool Servo,FTS)的金刚石车削加工技术是一种非常有发展前景的光学自由曲面加工手段。以柔性铰链和音圈电机为主要元素,研制一套大行程快速刀具伺服系统,该系统具有刚度大、工作稳定性好、阻尼可调等优点。详细介绍了柔性铰链的设计与分析、FTS系统性能测试和自由曲面切削试验,新型FTS系统的跟踪误差为0.12%,运动分辨率优于0.04μm,可以获得Ra30nm的光学自由曲面。测试和加工结果表明,新型的FTS系统可以用光学自由曲面高效、高精密金刚石车削加工。     

AM60镁合金超精密车削残余应力的有限元分析

为改善AM60镁合金精密零件加工工艺方法,对镁合金精密零件的超精密加工进行微米级仿真研究。采用解析和有限元仿真法,利用Advant Edge软件进行车削加工模拟,得到刀具参数和切削参数对已加工表面残余应力的影响规律,并建立加工材料残余应力经验模型。结果表明:切削力对残余应力的产生起主导作用,随着切削参数的改变,切削温度变化不明显,对残余应力的影响较小。仿真结果满足制造精度要求,为提高镁合金精密工件的质量和性能打下了理论基础。     

双刀车削在数控立式车床上的应用研究

针对工件的材质以及性能,结合工件结构以及立式车床规格提出了双刀车削的方法。介绍了双刀切削工艺过程中工件装夹方式、刀具和切削参数选择以及双刀车削工艺过程的实施,并结合工件形状和具体尺寸编制车削过程数控加工程序,有效提高工件车削效率。