CN111604720B - 一种金刚石微径铣刀不平衡量修正方法 - Google Patents

一种金刚石微径铣刀不平衡量修正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金刚石不平衡量修正方法，所述方法考虑到微径铣刀动平衡转速、动平衡精度以及微径铣刀制备过程中可能造成的不平衡质量，确定去除质量精度为1mg。基于钨钢材料的刀柄具有较高硬度和耐磨性等特点，对微磨削过程中主轴转速、微径铣刀伸长量、对刀阈值、磨削深度、磨削长度等参数进行分析，建立参数优选后的微磨削质量去除工艺，以此获得主轴转速在10000～15000rpm工况条件下动平衡精度达到ISO 1940标准要求的G0.3精度的金刚石微径铣刀。本发明以微磨削技术为基础，为解决微径铣刀动平衡精度问题，改善微铣削加工质量迈出了探究性的一步。

Description

一种金刚石微径铣刀不平衡量修正方法
技术领域
本发明属于刀具制造技术领域，涉及一种适合于金刚石微径铣刀的不平衡量修正方法。
背景技术
微铣削作为一种超精密加工方式，在加工特征复杂的精密微小零件中具有很强的潜力。微铣削本身的加工质量取决于切削参数、工件材料、刀具等。随着微铣削技术的发展和对微铣削加工质量要求的不断提高，对微刀具的制造精度提出了更高的要求。
动平衡精度是微径铣刀性能和精度评价的重要部分，动不平衡现象主要来源于制备工艺和加工磨损，微径铣刀的制备工艺目前主要是精密微细磨削、超声振动研磨、聚焦离子束溅射、激光加工、线电极电火花磨削等。微径铣刀制备后难免会有动不平衡量，在微细铣削加工中，由于刀具尺寸与切削参数的缩小，会带来明显的尺度效应，导致切削力增大，刀具磨损加快，刀尖更易破损，磨损或破损后的刀具也会引起动不平衡现象的出现。动不平衡现象会导致微径铣刀在铣削过程中出现刀具的径向跳动从而影响加工的表面形貌。不平衡量越大，刀具径跳和偏角误差越大，对加工表面的质量影响越大。因此需要对微径铣刀进行动平衡处理并去除不平衡量。
常用的微径铣刀刀柄材料是钨钢，刀头常用金刚石材料。去除不平衡量过程中需要对刀柄的部分材料去除，目前的研究中很少提到对金刚石微径铣刀的不平衡去除方式，大多是研究微型转子的不平衡量去除或动平衡修正，通常有在回转平面上增加配重，改变质量位置等修正方法。在实际研究中，有使用机械磨削去除，激光或离子束加工来去除不平衡量的修正方式。但综合考虑到成本、加工效率和精度等因素，传统的机械研磨修正不平衡量的方式具有不可替代的意义。
发明内容
为了对微径铣刀的动不平衡进行修正，本发明提供了一种金刚石微径铣刀不平衡量修正方法。本发明以微磨削技术为基础，通过前期进行微磨削质量去除工艺实验，详细分析并得到影响不平衡量去除的各项工艺参数，例如主轴转速、微径铣刀伸长量、对刀阈值、磨削深度、磨削长度等对金刚石微径铣刀去除质量精度的影响规律，并建立金刚石微径铣刀不平衡量修正方法。为解决微径铣刀动平衡精度问题，改善微铣削加工质量迈出了探究性的一步。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种金刚石微径铣刀不平衡量修正方法，包括如下步骤：
步骤一：建立微磨削工作台，工作台主轴的轴向和径向刚度分别为100N/μm和40N/μm，磨削用砂轮粒度为800#，进给运动选择宏微结合进给方式，宏进给方式由二维运动平台实现，精进给方式由压电陶瓷实现，其中：
所述微磨削工作台包括精密气浮隔振平台、底座、精密运动台、压电陶瓷、电控旋转台、弹簧夹头、CCD相机、CCD安装架、竖直方向一维精密导轨、连接板、二维精密运动平台A、磨削轴安装架、高速磨削主轴、气动夹头、砂轮磨头、二维精密运动平台B；
所述精密气浮隔振平台上设置有底座、二维精密运动平台B，所述二维精密运动平台B上设置有磨削轴安装架，磨削轴安装架14上设置有二维精密运动平台A，二维精密运动平台A上安装有连接板，连接板上安装有竖直方向一维精密导轨，竖直方向一维精密导轨上的滑块与CCD安装架连接，CCD安装架上设置有CCD相机，高速磨削主轴上设置有气动夹头，气动夹头上装夹砂轮磨头，高速磨削主轴装夹在磨削轴安装架上；所述底座上安装有精密运动台，精密运动台上安装有压电陶瓷，压电陶瓷上设置有电控旋转台，电控旋转台上设置有弹簧夹头，弹簧夹头上装夹金刚石微径铣刀；
步骤二：选择刀柄材料密度已知且加工好的金刚石微径铣刀，通过游标卡尺测量得到微径铣刀的刀柄直径；
步骤三：通过动平衡测量得到微径铣刀的不平衡量的质量大小和相位，记录不平衡质量，并将不平衡质量所在相位标在刀具上；
步骤四：将微径铣刀装夹在微磨削工作台上，微径铣刀的装夹等效于一个悬臂梁，根据微径铣刀刀柄材料的力学性能，决定刀柄伸出的距离(伸出距离为20～40mm)，使刀具受力变形时，挠度不至于过大；
步骤五：依靠二维精密运动平台B的X轴方向的精密导轨结合压电陶瓷实现对刀操作，通过手轮控制X轴方向的精密导轨移动，直到CCD图像中同时出现刀柄和砂轮磨头，停止使用手轮，采用对刀程序对刀，程序控制压电陶瓷两端电压逐渐增大，产生微位移，力传感器反馈磨削力，通过采集磨削力平均值，当达到设定对刀阈值(对刀阈值为磨头刚接触微径铣刀而不产生切深)，两端施加电压停止增大，对刀停止；
步骤六：在高速磨削主轴冷却水循环系统正常工作情况下，选择主轴转速为10000～15000rpm，设定一次走刀，并设定磨削深度，通过白光干涉仪或其他测量方式得到实际磨削深度的最大值；
步骤七：多次改变对刀阈值，重复步骤六，得到实际磨削深度的测量值，从中选择最接近磨削深度设定值的数据，并取对应的对刀阈值作为最优对刀阈值；
步骤八：选择最优对刀阈值，多次设定磨削长度和磨削深度，进行磨削实验得到对应磨削长度两端的磨削深度，通过计算磨削深度差与磨削长度的比值，得到进给运动方向与刀具实际轴向的不平行度误差；
步骤九：在砂轮磨头相对刀具方向的另一侧固定千分表，分别测量对刀时和切深时刀具的挠度，得到挠度变形的变化规律；
步骤十：将实际磨削深度表示为：h＝ap+c1l+c2l2(0≤l≤L)，式中ap为理论磨削深度，c1为不平行度误差，c2为挠度误差，代入公式
Figure GDA0002960462890000041
中，将已知条件：不平衡质量m、刀柄横截面半径r、刀柄材料密度ρ代入公式中，能够求出理论磨削深度ap；
步骤十一：在高速磨削主轴冷却水循环系统正常工作情况下，选择主轴转速(10000～15000rpm)、每次磨削的深度、最优对刀阈值，并设定磨削深度为步骤十中得到的理论磨削深度ap，控制装夹刀具的C轴转动到不平衡量相位标记处，进行磨削去重；
步骤十二：将磨削加工后的微径铣刀表面擦拭后通过精密电子秤称重，重新进行动平衡测试并继续代入公式进行去重操作，直到动平衡精度达到要求。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、本发明提供了一种金刚石不平衡量修正方法，考虑到微径铣刀动平衡转速，动平衡精度以及微径铣刀制备过程中可能造成的不平衡质量，确定去除质量精度为1mg。基于钨钢材料的刀柄具有较高硬度和耐磨性等特点，对微磨削过程中主轴转速，微径铣刀伸长量，对刀阈值，磨削深度，磨削长度等参数进行分析，建立参数优选后的微磨削质量去除工艺，以此获得主轴转速在10000～15000rpm工况条件下动平衡精度达到ISO 1940标准要求的G0.3精度的金刚石微径铣刀。
2、本发明考虑到了实际磨削工作台可能出现的安装误差和刀具受力出现的挠度误差等。通过这种修正方法可以得到1mg以内的去除质量精度。
附图说明
图1是用于磨削去除不平衡质量的磨削工作台关键运动部件的结构示意图；
图2是微磨削工作台的结构示意图；
图3是动平衡处理之前的金刚石微径铣刀；
图4是白光干涉仪检测磨削深度的表面轮廓图，(a)对刀阈值选优测量，(b)不平行度测量。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种金刚石不平衡量修正方法，所述方法考虑到微径铣刀动平衡转速、动平衡精度以及微径铣刀制备过程中可能造成的不平衡质量，确定去除质量精度为1mg。基于钨钢材料的刀柄具有较高硬度和耐磨性等特点，对微磨削过程中主轴转速、微径铣刀伸长量、对刀阈值、磨削深度、磨削长度等参数进行分析，建立参数优选后的微磨削质量去除工艺，以此获得主轴转速在10000～15000rpm工况条件下动平衡精度达到ISO 1940标准要求的G0.3精度的金刚石微径铣刀。
具体实现步骤如下：
步骤一：建立微磨削工作台，工作台主轴的轴向和径向刚度分别为100N/μm和40N/μm，磨削用砂轮粒度为800#，进给运动选择宏微结合进给方式，宏进给方式由二维运动平台实现，精进给方式由压电陶瓷实现。
如图1和图2所示，所述微磨削工作台包括精密气浮隔振平台1、底座2、精密运动台3、压电陶瓷4、电机5、电控旋转台6、弹簧夹头7、CCD相机9、CCD安装架10、竖直方向一维精密导轨11、连接板12、二维精密运动平台A13、磨削轴安装架14、高速磨削主轴15、气动夹头16、砂轮磨头17、二维精密运动平台B18，其中：
所述精密气浮隔振平台1上设置有底座2、二维精密运动平台B18，所述二维精密运动平台B18上设置有磨削轴安装架14，磨削轴安装架14上设置有二维精密运动平台A13，二维精密运动平台A13上安装有连接板12，连接板12上安装有竖直方向一维精密导轨11，竖直方向一维精密导轨11上的滑块与CCD安装架10连接，CCD安装架10上设置有CCD相机9，高速磨削主轴15上设置有气动夹头16，气动夹头16上装夹砂轮磨头17，高速磨削主轴15装夹在磨削轴安装架14上；所述底座2上安装有精密运动台3，精密运动台3上安装有压电陶瓷4，压电陶瓷4上设置有电控旋转台6，电控回转台6由电机5驱动，电控旋转台6上设置有弹簧夹头7，弹簧夹头7上装夹待去重的金刚石微径铣刀8。
本发明中，所述电控旋转台6的C轴与二维精密运动平台B18的Z轴应具有很好的平行度。
本发明中，所述压电陶瓷4的运动方向与二维精密运动平台B18的X轴具有很好的平行度。
本发明中，所述磨削轴安装架14通过拧紧安装架顶部的长螺栓实现电机的夹紧固定。
本发明中，所述砂轮磨头17实际参与磨削的部分必须保证处于CCD数字相机9的视野内。
步骤二：选择刀柄材料为钨钢、材料密度为14.3×10-3g/mm3、加工好的φ6钨钢刀柄R0.5型金刚石微径铣刀，钨钢铣刀柄端部中心对称面处的对半通槽深度为2.5mm，通槽宽度为0.7mm，刀柄端部φ0.8mm，天然金刚石薄片的质量约0.014g。如图3所示。
步骤三：通过动平衡测量得到微径铣刀的不平衡量的质量大小和相位，记录不平衡质量，并将不平衡质量所在相位通过墨水标在刀具上。
步骤四：将微径铣刀通过弹簧夹头7装夹在微磨削工作台上，微径铣刀的装夹等效于一个悬臂梁，根据微径铣刀刀柄材料的力学性能，使刀柄伸出20～30mm，为磨削过程留出一定磨削长度，且使刀具受力变形时，挠度不至于过大。
步骤五：依靠二维精密运动平台B的X轴方向的精密导轨结合压电陶瓷实现对刀操作，通过手轮控制X轴方向的精密导轨移动，直到CCD图像中同时出现刀柄和磨头，停止使用手轮，采用对刀程序对刀，程序控制压电陶瓷两端电压逐渐增大，产生微位移，使刀具和磨头逐渐接触，压电陶瓷量程为50μm，超过压电陶瓷量程时，X轴导轨正向移动50μm，压电陶瓷两端电压清零并从零开始重新递增。磨削力的反馈通过一个力传感器来完成，通过采样程序短时间内采集20次磨削力，取磨削力的平均值与对刀阈值比较，当达到设定对刀阈值，两端施加电压停止增大，对刀停止。
步骤六：在主轴冷却水循环系统正常工作情况下，选择主轴转速5000rpm，设定一次走刀，并设定磨削深度为1μm，完成对刀和磨削实验，并通过白光干涉仪扫描表面轮廓，得到实际磨削深度的最大值。如图4(a)所示。
步骤七：改变对刀阈值分别为0.1vol、0.05vol、0.02vol、0.015vol、0.01vol，并在步骤六中得到实际磨削深度的测量值。发现随着对刀阈值降低，实际磨削深度接近1μm，低于0.015vol基本不变，综合考虑对刀精度和效率，选择0.015vol作为最优对刀阈值。
步骤八：选择0.015vol作为对刀阈值，设定磨削长度2mm、4mm、6mm，选择磨削深度20μm、40μm、60μm，进行磨削实验得到对应磨削长度两端的磨削深度，通过计算磨削深度差与磨削长度的比值，得到进给运动方向与刀具实际轴向的不平行度误差为磨削长度1mm内磨削深度差为1μm。如图4(b)所示。
步骤九：在砂轮相对刀具方向的另一侧固定千分表，分别测量对刀时和切深时刀具的挠度，得到挠度变形的变化规律。
步骤十：将实际磨削深度表示为：h＝ap+c1l+c2l2(0≤l≤L)，式中ap为理论磨削深度，c1为不平行度误差，c2为挠度误差，l为磨削位置距离磨削起始截面的轴向距离，L为磨削的总长度。代入公式
Figure GDA0002960462890000091
中，将已知条件：不平衡质量m、刀柄横截面半径r、刀柄材料密度ρ代入公式中，能够求出理论磨削深度ap。
步骤十一：在高速磨削主轴冷却水循环系统正常工作情况下，选择主轴转速5000rpm，每次磨削的深度1μm，对刀阈值为0.015vol。预计去除质量为5mg，选择磨削长度为6mm，代入步骤十的公式中得到的理论磨削深度为71.8μm，控制装夹刀具的C轴转动到不平衡量相位标记处。以对刀时刚好磨去标记上墨水为宜，进行磨削去重。
步骤十二：将磨削加工后的微径铣刀表面擦拭后通过精密电子秤可以称重，得到的去除质量为4.8mg左右，与理论去重5mg偏差不大，满足去重1mg的精度要求。重新进行动平衡测试并继续代入公式进行去重操作，直到动平衡精度达到要求。

Claims (9)

1.一种金刚石微径铣刀不平衡量修正方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一：建立微磨削工作台，工作台主轴的轴向和径向刚度分别为100N/μm和40N/μm，磨削用砂轮粒度为800#，进给运动选择宏微结合进给方式，宏进给方式由二维运动平台实现，微 进给方式由压电陶瓷实现；
步骤二：选择刀柄材料密度已知且加工好的金刚石微径铣刀，通过游标卡尺测量得到微径铣刀的刀柄直径；
步骤三：通过动平衡测量得到微径铣刀的不平衡量的质量大小和相位，记录不平衡质量，并将不平衡质量所在相位标在刀具上；
步骤四：将微径铣刀装夹在微磨削工作台上，根据微径铣刀刀柄材料的力学性能，决定刀柄伸出的距离；
步骤五：依靠二维精密运动平台B的X轴方向的精密导轨结合压电陶瓷实现对刀操作，通过手轮控制X轴方向的精密导轨移动，直到CCD图像中同时出现刀柄和砂轮磨头，停止使用手轮，采用对刀程序对刀，程序控制压电陶瓷两端电压逐渐增大，产生微位移，力传感器反馈磨削力，通过采集磨削力平均值，当达到设定对刀阈值，两端施加电压停止增大，对刀停止；
步骤六：在高速磨削主轴冷却水循环系统正常工作情况下，选择主轴转速，设定一次走刀，并设定磨削深度，通过白光干涉仪得到实际磨削深度的最大值；
步骤七：多次改变对刀阈值，重复步骤六，得到实际磨削深度的测量值，从中选择最接近磨削深度设定值的数据，并取对应的对刀阈值作为最优对刀阈值；
步骤八：选择最优对刀阈值，多次设定磨削长度和磨削深度，进行磨削实验得到对应磨削长度两端的磨削深度，通过计算磨削深度差与磨削长度的比值，得到进给运动方向与刀具实际轴向的不平行度误差；
步骤九：在砂轮磨头相对刀具方向的另一侧固定千分表，分别测量对刀时和切深时刀具的挠度，得到挠度变形的变化规律；
步骤十：将实际磨削深度表示为：h＝ap+c1l+c2l2(0≤l≤L)，式中ap为理论磨削深度，c1为不平行度误差，c2为挠度误差，l为磨削位置距离磨削起始截面的轴向距离，L为磨削的总长度，代入公式
Figure FDA0003081389390000021
中，将已知条件：不平衡质量m、刀柄横截面半径r、刀柄材料密度ρ代入公式中，求出理论磨削深度ap；
步骤十一：在高速磨削主轴冷却水循环系统正常工作情况下，选择主轴转速、每次磨削的深度、最优对刀阈值，并设定磨削深度为步骤十中得到的理论磨削深度ap，控制装夹刀具的C轴转动到不平衡质量相位标记处，进行磨削去重；
步骤十二：将磨削加工后的微径铣刀表面擦拭后通过精密电子秤称重，重新进行动平衡测试并继续代入公式进行去重操作，直到动平衡精度达到要求。
2.根据权利要求1所述的金刚石微径铣刀不平衡量修正方法，其特征在于所述微磨削工作台包括精密气浮隔振平台、底座、精密运动台、压电陶瓷、电控旋转台、弹簧夹头、CCD相机、CCD安装架、竖直方向一维精密导轨、连接板、二维精密运动平台A、磨削轴安装架、高速磨削主轴、气动夹头、砂轮磨头、二维精密运动平台B，其中：
所述精密气浮隔振平台上设置有底座、二维精密运动平台B；
所述二维精密运动平台B上设置有磨削轴安装架，磨削轴安装架上设置有二维精密运动平台A，二维精密运动平台A上安装有连接板，连接板上安装有竖直方向一维精密导轨，竖直方向一维精密导轨上的滑块与CCD安装架连接，CCD安装架上设置有CCD相机，高速磨削主轴上设置有气动夹头，气动夹头上装夹砂轮磨头，高速磨削主轴装夹在磨削轴安装架上；
所述底座上安装有精密运动台，精密运动台上安装有压电陶瓷，压电陶瓷上设置有电控旋转台，电控旋转台上设置有弹簧夹头，弹簧夹头上装夹金刚石微径铣刀。
3.根据权利要求1所述的金刚石微径铣刀不平衡量修正方法，其特征在于所述刀柄伸出的距离为20～40mm。
4.根据权利要求1所述的金刚石微径铣刀不平衡量修正方法，其特征在于所述对刀阈值为磨头刚接触微径铣刀而不产生切深。
5.根据权利要求1所述的金刚石微径铣刀不平衡量修正方法，其特征在于所述主轴转速为10000～15000rpm。
6.根据权利要求2所述的金刚石微径铣刀不平衡量修正方法，其特征在于电控旋转台的C轴与二维精密运动平台B的Z轴平行。
7.根据权利要求1所述的金刚石微径铣刀不平衡量修正方法，其特征在于所述压电陶瓷的运动方向与二维精密运动平台B的X轴平行。
8.根据权利要求2所述的金刚石微径铣刀不平衡量修正方法，其特征在于磨削轴安装架通过拧紧安装架顶部的长螺栓实现电机的夹紧固定。
9.根据权利要求1所述的金刚石微径铣刀不平衡量修正方法，其特征在于所述砂轮磨头实际参与磨削的部分处于CCD数字相机的视野内。
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