基于計(jì)算機(jī)軟件的單點(diǎn)金剛石車削加工中表面粗糙度的預(yù)測(cè)方法
【專利摘要】基于計(jì)算機(jī)軟件的單點(diǎn)金剛石車削加工中表面粗糙度的預(yù)測(cè)方法。一種表面粗糙度的預(yù)測(cè)方法，具體涉及基于計(jì)算機(jī)軟件的單點(diǎn)金剛石車削加工中表面粗糙度的預(yù)測(cè)方法。本發(fā)明為了解決現(xiàn)有表面粗糙度預(yù)測(cè)方法預(yù)測(cè)誤差較大的問題。本發(fā)明通過從已加工表面的檢測(cè)結(jié)果提取加工過程中刀具和工件間相對(duì)振動(dòng)的幅值信息，建立主軸轉(zhuǎn)速和材料特性與相對(duì)振動(dòng)和膨脹效應(yīng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算發(fā)生膨脹效應(yīng)后加工表面的輪廓曲線，由特定加工材料和主軸轉(zhuǎn)速找到對(duì)應(yīng)的等效振幅，從而得到刀具、工件間的等效相對(duì)振動(dòng)，將等效相對(duì)振動(dòng)與發(fā)生膨脹效應(yīng)后加工表面的輪廓曲線進(jìn)行疊加可得到新的表面輪廓曲線，并對(duì)新曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算出表面粗糙度。本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)軟件領(lǐng)域。
【專利說明】
基于計(jì)算機(jī)軟件的單點(diǎn)金剛石車削加工中表面粗繼度的預(yù)測(cè) 方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種表面粗糖度的預(yù)測(cè)方法，具體設(shè)及基于計(jì)算機(jī)軟件的單點(diǎn)金剛石 車削加工中表面粗糖度的預(yù)測(cè)方法，屬于計(jì)算機(jī)軟件領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 單點(diǎn)金剛石車削加工一般采用小切深、低進(jìn)給和高轉(zhuǎn)速，W保證納米級(jí)的表面粗 糖度，但是加工過程中材料去除和表面形成機(jī)理非常復(fù)雜，目前，在單點(diǎn)金剛石車削加工中 表面粗糖度預(yù)測(cè)的研究中，基于切削理論建立表面粗糖的預(yù)測(cè)方法的基本思想是基于一定 的假設(shè)條件下將理論表面粗糖度和刀具與工件間的相對(duì)振動(dòng)進(jìn)行疊加，現(xiàn)有的預(yù)測(cè)方法存 在W下問題： 1、刀具和工件間的相對(duì)振動(dòng)是在機(jī)床空轉(zhuǎn)且未進(jìn)行切削條件下預(yù)測(cè)的，所W它不能真 實(shí)的反映在實(shí)際加工中刀具和工件間的相對(duì)振動(dòng)信息。
[0003] 2、沒有考慮被切削的材料特性和切削參數(shù)對(duì)刀具和工件對(duì)振動(dòng)的影響。
[0004] 3、理論表面粗糖度的計(jì)算純粹是從幾何的角度考慮的，但實(shí)際的切削過程中，由 于材料發(fā)生的彈性恢復(fù)和塑性變形等復(fù)雜的變化，純粹從幾何角度計(jì)算的理論表面粗糖度 不能正確的反映實(shí)際的殘留區(qū)域的高度。
[0005] 4、沒有考慮材料特性和切削參數(shù)對(duì)切削過程中彈性恢復(fù)和塑性變形的影響。
[0006] 由于上述問題的存在，現(xiàn)有預(yù)測(cè)方法的預(yù)測(cè)誤差較大，Ra值的預(yù)測(cè)誤差約為10%。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明為解決現(xiàn)有表面粗糖度預(yù)測(cè)方法誤差較大的問題，進(jìn)而提出基于計(jì)算機(jī)軟 件的單點(diǎn)金剛石車削加工中表面粗糖度的預(yù)測(cè)方法。
[000引本發(fā)明為解決上述問題所采取的技術(shù)方案是:本發(fā)明所述一種單點(diǎn)金剛石車削加 工表面粗糖度的預(yù)測(cè)方法的建立步驟如下： 步驟一、選取典型待測(cè)工件材料，變化進(jìn)給轉(zhuǎn)速、主軸轉(zhuǎn)速和背吃刀量設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案， 在超精密機(jī)床上進(jìn)行預(yù)先的單點(diǎn)金剛石切削加工實(shí)驗(yàn)； 步驟二、采用觸針式輪廓儀預(yù)測(cè)加工典型待測(cè)工件的表面輪廓曲線； 步驟Ξ、從已加工表面的檢測(cè)結(jié)果提取加工過程中刀具和工件間相對(duì)振動(dòng)的幅值信 息，所述刀具和工件間相對(duì)振動(dòng)的幅值信息通過W下方法獲得： 步驟Ξ( -）、根據(jù)檢測(cè)的表面輪廓曲線和數(shù)據(jù)，W加工工件端面的最外側(cè)即徑向直徑 最大值處為原點(diǎn)建立X、Z坐標(biāo)系，提取刀尖在徑向相對(duì)于工件的輪廓代表實(shí)際加工過程中 刀具和工件間相對(duì)振動(dòng)在徑向的反映，X軸方向?yàn)榈毒哌M(jìn)給方向，Z軸方向?yàn)榈毒咔猩罘较颍?則徑向刀具輪廓的數(shù)目為:恥= i(l)，其中L為徑向檢測(cè)長(zhǎng)度，S為刀具每轉(zhuǎn)的進(jìn)給量，從已 乙 加工表面的檢測(cè)曲線上提取數(shù)據(jù)的數(shù)目也為N; 步驟立(二）、提取數(shù)據(jù)的X軸上坐標(biāo)為而-皆郵-1知=& + C-l托（2)，其中j = U...邪， 從而可得到提取的刀尖坐標(biāo)數(shù)據(jù)為(Χ，ζ,0,))，從已加工表面提取的刀具和工件間相對(duì)振動(dòng) 的輪廓曲線為:Z，(r,)=馬(r,)- η?巧站)（3)，其中? = U，...，7^- 1，上述相對(duì)振動(dòng)的輪廓曲線 引起的表面粗糖度：
其中！=：捉姐； 步驟Ξ(Ξ)、將刀具和工件間的相對(duì)振動(dòng)等效為簡(jiǎn)諧振動(dòng)，設(shè)其簡(jiǎn)諧振動(dòng)的方程為： Ζ*(χ)= 3sm(；2犧)（5)，將其離散化可得到；
，其中Δ；? = ?Μ0/， S = U，...，Λ^耶=:";故:，則等效簡(jiǎn)諧振動(dòng)引起的表面粗糖度為：
刀具和工件間相對(duì)震動(dòng)等效為簡(jiǎn)諧振動(dòng)的原則為兩振動(dòng)引起的表面粗糖度相同，即 遜?* ='描?:κ (8 ); 步驟Ξ(四）、通過式(4)、（7)和(8)求解等效振幅立的值，立即為實(shí)際加工中刀具和工 件間相對(duì)振動(dòng)的幅值信息； 步驟四、計(jì)算膨脹比值，膨脹比為發(fā)生膨脹效應(yīng)后的殘留區(qū)域的高度和未發(fā)生膨脹效 應(yīng)的殘留區(qū)域高度的比值，即
式中巧4;是加工表面上第i個(gè)刀具痕跡在發(fā)生膨 脹效應(yīng)后的殘留高度，:心。是未發(fā)生膨脹效應(yīng)刀具痕跡的理論殘留高度，其中= I涅 步驟五、計(jì)算發(fā)生膨脹效應(yīng)后加工表面的輪廓曲線，發(fā)生膨脹效應(yīng)后加工表面的輪廓 曲線中刀具痕跡殘留區(qū)域的高度為馬· SP; 步驟六、由特定加工材料和主軸轉(zhuǎn)速找到對(duì)應(yīng)的等效振幅，從而得到刀具、工件間的等 效相對(duì)振動(dòng)曲線，刀具、工件間的等效相對(duì)振動(dòng)曲線為：卻=3sm(2如奇巧）； 步驟屯、通過matlab軟件將步驟五中發(fā)生膨脹效應(yīng)后加工表面的輪廓曲線與步驟六中 等效相對(duì)振動(dòng)曲線進(jìn)行疊加可得到新的表面輪廓曲線，對(duì)新曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算出表面 粗糖度。
[0009] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明從已加工表面提取刀具和工具間的相對(duì)振動(dòng)信息， 并考慮膨脹效應(yīng)對(duì)表面粗糖度的影響，提出膨脹比的概念，從而有效提高了表面粗糖度的 預(yù)測(cè)精度，Ra值的平均預(yù)測(cè)誤差為5.1%。
【附圖說明】
[0010] 圖1是從已加工表面提取刀尖輪廓曲線和數(shù)據(jù)，圖2是膨脹效應(yīng)對(duì)表面粗糖度的影 響(a表示發(fā)生彈性恢復(fù)后的加工表面，b表示發(fā)生塑性流動(dòng)后的加工表面，C表示理論加工 表面），圖3是理論加工表面(S-每轉(zhuǎn)的進(jìn)給量，R-刀具圓角半徑，Rt-理想情況下刀具痕跡的 殘留高度），圖4是表面粗糖度預(yù)測(cè)模型的流程圖，圖5是實(shí)施例一中加工參數(shù)下的理想表 面，圖6是NiP的檢測(cè)表面，圖7是化的檢測(cè)表面，圖8是在主軸轉(zhuǎn)速為lOOOr/min，背吃刀量為 2μπι，不同進(jìn)給速度下，預(yù)測(cè)表面粗糖度和實(shí)際表面粗糖度的對(duì)比(虛線為預(yù)測(cè)值，實(shí)線為預(yù) 測(cè)值），圖9是在主軸轉(zhuǎn)速為lOOOr/min，進(jìn)給速度為40mm/min，在不同的背吃刀量下，預(yù)測(cè)表 面粗糖度和實(shí)際表面粗糖度的對(duì)比（虛線為預(yù)測(cè)值，實(shí)線為預(yù)測(cè)值）圖10是W加工工件端 面的最外側(cè)即徑向直徑最大值處為原點(diǎn)建立X、Z坐標(biāo)系(其中A為切削方向，B為進(jìn)給方向，C 為刀具、工件相對(duì)振動(dòng)，D為工件，E為金剛石刀具）。
【具體實(shí)施方式】
[0011]【具體實(shí)施方式】一：如圖1-10所示，本實(shí)施方式所述一種單點(diǎn)金剛石車削加工表面 粗糖度預(yù)測(cè)方法的建立步驟如下： 步驟一、選取典型待測(cè)工件材料，變化進(jìn)給轉(zhuǎn)速、主軸轉(zhuǎn)速和背吃刀量設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案， 在超精密機(jī)床上進(jìn)行預(yù)先的單點(diǎn)金剛石切削加工實(shí)驗(yàn)； 步驟二、采用觸針式輪廓儀預(yù)測(cè)加工典型待測(cè)工件的表面輪廓曲線； 步驟Ξ、從已加工表面的檢測(cè)結(jié)果提取加工過程中刀具和工件間相對(duì)振動(dòng)的幅值信 息，所述刀具和工件間相對(duì)振動(dòng)的幅值信息通過W下方法獲得： 步驟Ξ( -）、根據(jù)檢測(cè)的表面輪廓曲線和數(shù)據(jù)，W加工工件端面的最外側(cè)即徑向直徑 最大值處為原點(diǎn)建立X、z坐標(biāo)系，提取刀尖在徑向相對(duì)于工件的輪廓代表實(shí)際加工過程中 刀具和工件間相對(duì)振動(dòng)在徑向的反映，X軸方向?yàn)榈毒哌M(jìn)給方向，Z軸方向?yàn)榈毒咔猩罘较颍?則徑向刀具輪廓的數(shù)目為: = ^ (1)，其中L為徑向檢測(cè)長(zhǎng)度，S為刀具每轉(zhuǎn)的進(jìn)給量，從已 占 加工表面的檢測(cè)曲線上提取數(shù)據(jù)的數(shù)目也為N; 步驟Ξ(二）、提取數(shù)據(jù)的X軸上坐標(biāo)為了, = 11 + (/-1)化=& + 9-吵（2)，其中吉=1義..邪， 從而可得到提取的刀尖坐標(biāo)數(shù)據(jù)為(Λ，馬(?,))，從已加工表面提取的刀具和工件間相對(duì)振動(dòng) 的輪廓曲線為卻:。-兩卻式))（3)，其中^=1義..，7/-:1:.，上述相對(duì)振動(dòng)的輪廓曲線 引起的表面粗糖度：
其中? =1:么,.:，姐； 步驟Ξ(Ξ)、將刀具和工件間的相對(duì)振動(dòng)等效為簡(jiǎn)諧振動(dòng)，設(shè)其簡(jiǎn)諧振動(dòng)的方程為： 玄山)。1皿扭犧Κ 5 )，將其離散化可得到: ?,'1 =龍sin(2醉誠(chéng)-輸（6 )，其中扯=牌日./， i。U，...，jY，= Z .I'故，則等效簡(jiǎn)諧振動(dòng)引起的表面粗糖度為：
刀具和工件間相對(duì)震動(dòng)等效為簡(jiǎn)諧振動(dòng)的原則為兩振動(dòng)引起的表面粗糖度相同，即 加* =化?》(8); 步驟Ξ(四）、通過式(4)、（7)和(8)求解等效振幅五的值，3即為實(shí)際加工中刀具和工 件間相對(duì)振動(dòng)的幅值信息； 步驟四、計(jì)算膨脹比值，膨脹比為發(fā)生膨脹效應(yīng)后的殘留區(qū)域的高度和未發(fā)生膨脹效 應(yīng)的殘留區(qū)域高度的比值，即
式中肴是加工表面上第i個(gè)刀具痕跡在發(fā)生膨 脹效應(yīng)后的殘留高度/瑪是未發(fā)生膨脹效應(yīng)刀具痕跡的理論殘留高度，其中L2，...，K ; 步驟五、計(jì)算發(fā)生膨脹效應(yīng)后加工表面的輪廓曲線，發(fā)生膨脹效應(yīng)后加工表面的輪廓 曲線中刀具痕跡殘留區(qū)域的高度為· SP; 步驟六、由特定加工材料和主軸轉(zhuǎn)速找到對(duì)應(yīng)的等效振幅，從而得到刀具、工件間的等 效相對(duì)振動(dòng)曲線，刀具、工件間的等效相對(duì)振動(dòng)曲線為：*^4<>)= 35卸]神巧）； 步驟屯、通過matlab軟件將步驟五中發(fā)生膨脹效應(yīng)后加工表面的輪廓曲線與步驟六中 等效相對(duì)振動(dòng)曲線進(jìn)行疊加可得到新的表面輪廓曲線，對(duì)新曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算出表面 粗糖度。
[0012] 本實(shí)施方式中所述mat lab軟件是由美國(guó)mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì) 算、可視化W及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算機(jī)軟件。
[0013] 【具體實(shí)施方式】二 在轉(zhuǎn)速為lOOOr/min，背吃刀量2皿，進(jìn)給速度為25mm/min的條件下，對(duì)于NiP，提取相對(duì) 振動(dòng)幅值信息五為5皿，對(duì)于化，提取相對(duì)振動(dòng)幅值信息1為15皿，通過2山)=3細(xì)；2如:K 5) 計(jì)算等效相對(duì)振動(dòng)； 如圖5-7所示，計(jì)算膨脹比值SP，在此加工條件下，NiP的膨脹比SP為1.3，Cu的膨脹比SP 為0.65，計(jì)算發(fā)生膨脹效應(yīng)后加工表面的輪廓曲線； 通過matlab軟件將發(fā)生膨脹效應(yīng)后加工表面的輪廓曲線與等效相對(duì)振動(dòng)進(jìn)行疊加并 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算可得到預(yù)測(cè)結(jié)果，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的對(duì)比如圖8和圖9; 如圖8-9所示，NiP和Cu是在相同條件下加工的，相同的機(jī)床，相同的刀具，相同的加工 參數(shù)，不同的地方在于材料的特性，實(shí)際的加工結(jié)果對(duì)于理論值均有一定的偏離，主要原因 就在于膨脹效應(yīng)改變了理論表面粗糖度的大小，相同的條件下，NiP和Cu的表面粗糖度相差 較大，運(yùn)表明在表面粗糖度預(yù)測(cè)方法中，必須考慮膨脹效應(yīng)的影響。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于計(jì)算機(jī)軟件的單點(diǎn)金剛石車削加工中表面粗糙度的預(yù)測(cè)方法，其特征在于:所 述一種單點(diǎn)金剛石車削加工表面粗糙度的預(yù)測(cè)方法的建立步驟如下： 步驟一、選取典型待測(cè)工件材料，變化進(jìn)給轉(zhuǎn)速、主軸轉(zhuǎn)速和背吃刀量設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案， 在超精密機(jī)床上進(jìn)行預(yù)先的單點(diǎn)金剛石切削加工實(shí)驗(yàn)； 步驟二、采用觸針式輪廓儀預(yù)測(cè)加工典型待測(cè)工件的表面輪廓曲線； 步驟三、從已加工表面的檢測(cè)結(jié)果提取加工過程中刀具和工件間相對(duì)振動(dòng)的幅值信 息，所述刀具和工件間相對(duì)振動(dòng)的幅值信息通過以下方法獲得： 步驟三(一）、根據(jù)檢測(cè)的表面輪廓曲線和數(shù)據(jù)，以加工工件端面的最外側(cè)即徑向直徑 最大值處為原點(diǎn)建立X、z坐標(biāo)系，提取刀尖在徑向相對(duì)于工件的輪廓代表實(shí)際加工過程中 刀具和工件間相對(duì)振動(dòng)在徑向的反映，X軸方向?yàn)榈毒哌M(jìn)給方向，Z軸方向?yàn)榈毒咔猩罘较颍? 則徑向刀具輪廓的數(shù)目為:況=1(1)，其中L為徑向檢測(cè)長(zhǎng)度，S為刀具每轉(zhuǎn)的進(jìn)給量，從已 加工表面的檢測(cè)曲線上提取數(shù)據(jù)的數(shù)目也為N; 步驟三（二）、提取數(shù)據(jù)的X軸上坐標(biāo)為& = A + G - 1)血=& + G -以（2)，其中i = U,...I， 從而可得到提取的刀尖坐標(biāo)數(shù)據(jù)為(VAOi))，從已加工表面提取的刀具和工件間相對(duì)振動(dòng) 的輪廓曲線為：ItX.) = (3)，其中? =H., AHL，上述相對(duì)振動(dòng)的輪廓曲線 引起的表面粗糙度步驟三(三）、將刀具和工件間的相對(duì)振動(dòng)等效為簡(jiǎn)諧振動(dòng)，設(shè)其簡(jiǎn)諧振動(dòng)的方程為： A (Z)''== 3 sai( 2 響.（5 )，將其離散化可得至Ij : ^?:). = .3 (6 )，其中 ? = W = i/A*，則等效簡(jiǎn)諧振動(dòng)引起的表面粗糙度為Γ刀具和工件間相對(duì)震動(dòng)等效為簡(jiǎn)諧振動(dòng)的原則為兩振動(dòng)引起的表面粗糙度相同，BP FjJi1 = (8)； 步驟三（四）、通過式(4)、（7)和（8)求解等效振幅?的值，即為實(shí)際加工中刀具和工 件間相對(duì)振動(dòng)的幅值信息； 步驟四、計(jì)算膨脹比值，膨脹比為發(fā)生膨脹效應(yīng)后的殘留區(qū)域的高度和未發(fā)生膨脹效 應(yīng)的殘留區(qū)域高度的比值?中及<是加工表面上第i個(gè)刀具痕跡在發(fā)生膨 脹效應(yīng)后的殘留高度，:?是未發(fā)生膨脹效應(yīng)刀具痕跡的理論殘留高度，其中i = 步驟五、計(jì)算發(fā)生膨脹效應(yīng)后加工表面的輪廓曲線，發(fā)生膨脹效應(yīng)后加工表面的輪廓 曲線中刀具痕跡殘留區(qū)域的尚度為為.?* · SP; 步驟六、由特定加工材料和主軸轉(zhuǎn)速找到對(duì)應(yīng)的等效振幅，從而得到刀具、工件間的等 效相對(duì)振動(dòng)曲線，刀具、工件間的等效相對(duì)振動(dòng)曲線為(5); 步驟七、通過matlab軟件將步驟五中發(fā)生膨脹效應(yīng)后加工表面的輪廓曲線與步驟六中 等效相對(duì)振動(dòng)曲線進(jìn)行疊加可得到新的表面輪廓曲線，對(duì)新曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算出表面 粗糙度。
【文檔編號(hào)】G05B19/408GK105843171SQ201610194369
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年3月31日
【發(fā)明人】張鵬
【申請(qǐng)人】林潤(rùn)(天津)科技有限公司