CN105843171A - 基于计算机软件的单点金刚石车削加工中表面粗糙度的预测方法 - Google Patents

Abstract

基于计算机软件的单点金刚石车削加工中表面粗糙度的预测方法。一种表面粗糙度的预测方法，具体涉及基于计算机软件的单点金刚石车削加工中表面粗糙度的预测方法。本发明为了解决现有表面粗糙度预测方法预测误差较大的问题。本发明通过从已加工表面的检测结果提取加工过程中刀具和工件间相对振动的幅值信息，建立主轴转速和材料特性与相对振动和膨胀效应的对应关系，计算发生膨胀效应后加工表面的轮廓曲线，由特定加工材料和主轴转速找到对应的等效振幅，从而得到刀具、工件间的等效相对振动，将等效相对振动与发生膨胀效应后加工表面的轮廓曲线进行叠加可得到新的表面轮廓曲线，并对新曲线进行数据处理计算出表面粗糙度。本发明属于计算机软件领域。

Description

基于计算机软件的单点金刚石车削加工中表面粗糙度的预测 方法

技术领域

本发明涉及一种表面粗糙度的预测方法，具体涉及基于计算机软件的单点金刚石车削加工中表面粗糙度的预测方法，属于计算机软件领域。

背景技术

单点金刚石车削加工一般采用小切深、低进给和高转速，以保证纳米级的表面粗糙度，但是加工过程中材料去除和表面形成机理非常复杂，目前，在单点金刚石车削加工中表面粗糙度预测的研究中，基于切削理论建立表面粗糙的预测方法的基本思想是基于一定的假设条件下将理论表面粗糙度和刀具与工件间的相对振动进行叠加，现有的预测方法存在以下问题：

1、刀具和工件间的相对振动是在机床空转且未进行切削条件下预测的，所以它不能真实的反映在实际加工中刀具和工件间的相对振动信息。

2、没有考虑被切削的材料特性和切削参数对刀具和工件对振动的影响。

3、理论表面粗糙度的计算纯粹是从几何的角度考虑的，但实际的切削过程中，由于材料发生的弹性恢复和塑性变形等复杂的变化，纯粹从几何角度计算的理论表面粗糙度不能正确的反映实际的残留区域的高度。

4、没有考虑材料特性和切削参数对切削过程中弹性恢复和塑性变形的影响。

由于上述问题的存在，现有预测方法的预测误差较大，Ra值的预测误差约为10%。

发明内容

本发明为解决现有表面粗糙度预测方法误差较大的问题，进而提出基于计算机软件的单点金刚石车削加工中表面粗糙度的预测方法。

本发明为解决上述问题所采取的技术方案是：本发明所述一种单点金刚石车削加工表面粗糙度的预测方法的建立步骤如下：

步骤一、选取典型待测工件材料，变化进给转速、主轴转速和背吃刀量设计实验方案，在超精密机床上进行预先的单点金刚石切削加工实验；

步骤二、采用触针式轮廓仪预测加工典型待测工件的表面轮廓曲线；

步骤三、从已加工表面的检测结果提取加工过程中刀具和工件间相对振动的幅值信息，所述刀具和工件间相对振动的幅值信息通过以下方法获得：

步骤三（一）、根据检测的表面轮廓曲线和数据，以加工工件端面的最外侧即径向直径最大值处为原点建立X、Z坐标系，提取刀尖在径向相对于工件的轮廓代表实际加工过程中刀具和工件间相对振动在径向的反映，X轴方向为刀具进给方向，Z轴方向为刀具切深方向，则径向刀具轮廓的数目为：（1），其中L为径向检测长度，s为刀具每转的进给量，从已加工表面的检测曲线上提取数据的数目也为N；

步骤三（二）、提取数据的X轴上坐标为（2），其中，从而可得到提取的刀尖坐标数据为，从已加工表面提取的刀具和工件间相对振动的轮廓曲线为：（3），其中，上述相对振动的轮廓曲线引起的表面粗糙度：（4），其中；

步骤三（三）、将刀具和工件间的相对振动等效为简谐振动，设其简谐振动的方程为：（5），将其离散化可得到：（6），其中，，，则等效简谐振动引起的表面粗糙度为：（7），刀具和工件间相对震动等效为简谐振动的原则为两振动引起的表面粗糙度相同，即（8）；

步骤三（四）、通过式（4）、（7）和（8）求解等效振幅的值，即为实际加工中刀具和工件间相对振动的幅值信息；

步骤四、计算膨胀比值，膨胀比为发生膨胀效应后的残留区域的高度和未发生膨胀效应的残留区域高度的比值，即，式中是加工表面上第i个刀具痕迹在发生膨胀效应后的残留高度，是未发生膨胀效应刀具痕迹的理论残留高度，其中；

步骤五、计算发生膨胀效应后加工表面的轮廓曲线，发生膨胀效应后加工表面的轮廓曲线中刀具痕迹残留区域的高度为·SP；

步骤六、由特定加工材料和主轴转速找到对应的等效振幅，从而得到刀具、工件间的等效相对振动曲线，刀具、工件间的等效相对振动曲线为：（5）；

步骤七、通过matlab软件将步骤五中发生膨胀效应后加工表面的轮廓曲线与步骤六中等效相对振动曲线进行叠加可得到新的表面轮廓曲线，对新曲线进行数据处理计算出表面粗糙度。

本发明的有益效果是：本发明从已加工表面提取刀具和工具间的相对振动信息，并考虑膨胀效应对表面粗糙度的影响，提出膨胀比的概念，从而有效提高了表面粗糙度的预测精度，Ra值的平均预测误差为5.1%。

附图说明

图1是从已加工表面提取刀尖轮廓曲线和数据，图2是膨胀效应对表面粗糙度的影响（a表示发生弹性恢复后的加工表面，b表示发生塑性流动后的加工表面，c表示理论加工表面），图3是理论加工表面(s-每转的进给量，R-刀具圆角半径，Rt-理想情况下刀具痕迹的残留高度)，图4是表面粗糙度预测模型的流程图，图5是实施例一中加工参数下的理想表面，图6是NiP的检测表面，图7是Cu的检测表面，图8是在主轴转速为1000r/min，背吃刀量为2μm，不同进给速度下，预测表面粗糙度和实际表面粗糙度的对比(虚线为预测值，实线为预测值)，图9是在主轴转速为1000r/min，进给速度为40mm/min，在不同的背吃刀量下，预测表面粗糙度和实际表面粗糙度的对比(虚线为预测值，实线为预测值) 图10是以加工工件端面的最外侧即径向直径最大值处为原点建立X、Z坐标系（其中A为切削方向，B为进给方向，C为刀具、工件相对振动，D为工件，E为金刚石刀具）。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1-10所示，本实施方式所述一种单点金刚石车削加工表面粗糙度预测方法的建立步骤如下：

步骤一、选取典型待测工件材料，变化进给转速、主轴转速和背吃刀量设计实验方案，在超精密机床上进行预先的单点金刚石切削加工实验；

步骤二、采用触针式轮廓仪预测加工典型待测工件的表面轮廓曲线；

步骤三、从已加工表面的检测结果提取加工过程中刀具和工件间相对振动的幅值信息，所述刀具和工件间相对振动的幅值信息通过以下方法获得：

步骤三（一）、根据检测的表面轮廓曲线和数据，以加工工件端面的最外侧即径向直径最大值处为原点建立X、Z坐标系，提取刀尖在径向相对于工件的轮廓代表实际加工过程中刀具和工件间相对振动在径向的反映，X轴方向为刀具进给方向，Z轴方向为刀具切深方向，则径向刀具轮廓的数目为：（1），其中L为径向检测长度，s为刀具每转的进给量，从已加工表面的检测曲线上提取数据的数目也为N；

步骤三（二）、提取数据的X轴上坐标为（2），其中，从而可得到提取的刀尖坐标数据为，从已加工表面提取的刀具和工件间相对振动的轮廓曲线为：（3），其中，上述相对振动的轮廓曲线引起的表面粗糙度：（4），其中；

步骤三（三）、将刀具和工件间的相对振动等效为简谐振动，设其简谐振动的方程为：（5），将其离散化可得到：（6），其中，，，则等效简谐振动引起的表面粗糙度为：（7），刀具和工件间相对震动等效为简谐振动的原则为两振动引起的表面粗糙度相同，即（8）；

步骤三（四）、通过式（4）、（7）和（8）求解等效振幅的值，即为实际加工中刀具和工件间相对振动的幅值信息；

步骤四、计算膨胀比值，膨胀比为发生膨胀效应后的残留区域的高度和未发生膨胀效应的残留区域高度的比值，即，式中是加工表面上第i个刀具痕迹在发生膨胀效应后的残留高度，是未发生膨胀效应刀具痕迹的理论残留高度，其中；

步骤五、计算发生膨胀效应后加工表面的轮廓曲线，发生膨胀效应后加工表面的轮廓曲线中刀具痕迹残留区域的高度为·SP；

步骤六、由特定加工材料和主轴转速找到对应的等效振幅，从而得到刀具、工件间的等效相对振动曲线，刀具、工件间的等效相对振动曲线为：（5）；

步骤七、通过matlab软件将步骤五中发生膨胀效应后加工表面的轮廓曲线与步骤六中等效相对振动曲线进行叠加可得到新的表面轮廓曲线，对新曲线进行数据处理计算出表面粗糙度。

本实施方式中所述matlab软件是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算机软件。

具体实施方式二

在转速为1000r/min，背吃刀量2μm，进给速度为25mm/min的条件下，对于NiP，提取相对振动幅值信息为5nm，对于Cu，提取相对振动幅值信息为15nm，通过（5）计算等效相对振动；

如图5-7所示，计算膨胀比值SP，在此加工条件下，NiP的膨胀比SP为1.3，Cu的膨胀比SP为0.65，计算发生膨胀效应后加工表面的轮廓曲线；

通过matlab软件将发生膨胀效应后加工表面的轮廓曲线与等效相对振动进行叠加并进行数据处理计算可得到预测结果，预测结果与实际结果的对比如图8和图9；

如图8-9所示，NiP和Cu是在相同条件下加工的，相同的机床，相同的刀具，相同的加工参数，不同的地方在于材料的特性，实际的加工结果对于理论值均有一定的偏离，主要原因就在于膨胀效应改变了理论表面粗糙度的大小，相同的条件下，NiP和Cu的表面粗糙度相差较大，这表明在表面粗糙度预测方法中，必须考虑膨胀效应的影响。

Claims (1)

1.基于计算机软件的单点金刚石车削加工中表面粗糙度的预测方法，其特征在于：所述一种单点金刚石车削加工表面粗糙度的预测方法的建立步骤如下：

步骤一、选取典型待测工件材料，变化进给转速、主轴转速和背吃刀量设计实验方案，在超精密机床上进行预先的单点金刚石切削加工实验；

步骤二、采用触针式轮廓仪预测加工典型待测工件的表面轮廓曲线；

步骤三、从已加工表面的检测结果提取加工过程中刀具和工件间相对振动的幅值信息，所述刀具和工件间相对振动的幅值信息通过以下方法获得：

步骤三（一）、根据检测的表面轮廓曲线和数据，以加工工件端面的最外侧即径向直径最大值处为原点建立X、Z坐标系，提取刀尖在径向相对于工件的轮廓代表实际加工过程中刀具和工件间相对振动在径向的反映，X轴方向为刀具进给方向，Z轴方向为刀具切深方向，则径向刀具轮廓的数目为：（1），其中L为径向检测长度，s为刀具每转的进给量，从已加工表面的检测曲线上提取数据的数目也为N；

步骤三（二）、提取数据的X轴上坐标为（2），其中，从而可得到提取的刀尖坐标数据为，从已加工表面提取的刀具和工件间相对振动的轮廓曲线为：（3），其中，上述相对振动的轮廓曲线引起的表面粗糙度：（4），其中；

步骤三（三）、将刀具和工件间的相对振动等效为简谐振动，设其简谐振动的方程为：（5），将其离散化可得到：（6），其中，，，则等效简谐振动引起的表面粗糙度为：（7），刀具和工件间相对震动等效为简谐振动的原则为两振动引起的表面粗糙度相同，即（8）；

步骤三（四）、通过式（4）、（7）和（8）求解等效振幅的值，即为实际加工中刀具和工件间相对振动的幅值信息；

步骤四、计算膨胀比值，膨胀比为发生膨胀效应后的残留区域的高度和未发生膨胀效应的残留区域高度的比值，即，式中是加工表面上第i个刀具痕迹在发生膨胀效应后的残留高度，是未发生膨胀效应刀具痕迹的理论残留高度，其中；

步骤五、计算发生膨胀效应后加工表面的轮廓曲线，发生膨胀效应后加工表面的轮廓曲线中刀具痕迹残留区域的高度为为·SP；

步骤六、由特定加工材料和主轴转速找到对应的等效振幅，从而得到刀具、工件间的等效相对振动曲线，刀具、工件间的等效相对振动曲线为：（5）；

步骤七、通过matlab软件将步骤五中发生膨胀效应后加工表面的轮廓曲线与步骤六中等效相对振动曲线进行叠加可得到新的表面轮廓曲线，对新曲线进行数据处理计算出表面粗糙度。