CN116810502A - 一种基于小斑点磁流变抛光的小型曲面类零件亚表面损伤检测方法 - Google Patents
一种基于小斑点磁流变抛光的小型曲面类零件亚表面损伤检测方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116810502A CN116810502A CN202310932931.4A CN202310932931A CN116810502A CN 116810502 A CN116810502 A CN 116810502A CN 202310932931 A CN202310932931 A CN 202310932931A CN 116810502 A CN116810502 A CN 116810502A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- polishing
- small
- curved surface
- spot
- point
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000005498 polishing Methods 0.000 title claims abstract description 184
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 41
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims abstract description 42
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 35
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 26
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 21
- 230000008034 disappearance Effects 0.000 claims abstract description 14
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 24
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 20
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 12
- 239000011425 bamboo Substances 0.000 claims description 10
- 235000017166 Bambusa arundinacea Nutrition 0.000 claims description 9
- 235000017491 Bambusa tulda Nutrition 0.000 claims description 9
- 241001330002 Bambuseae Species 0.000 claims description 9
- 235000015334 Phyllostachys viridis Nutrition 0.000 claims description 9
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 7
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 6
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 claims description 4
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 claims description 4
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 claims description 3
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 claims description 3
- 229910000420 cerium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- WKPSFPXMYGFAQW-UHFFFAOYSA-N iron;hydrate Chemical compound O.[Fe] WKPSFPXMYGFAQW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 3
- BMMGVYCKOGBVEV-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoceriooxy)cerium Chemical compound [Ce]=O.O=[Ce]=O BMMGVYCKOGBVEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 abstract description 2
- 238000003754 machining Methods 0.000 abstract description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 8
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 7
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 7
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000002572 peristaltic effect Effects 0.000 description 4
- 238000007517 polishing process Methods 0.000 description 4
- 239000005350 fused silica glass Substances 0.000 description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 2
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 2
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 238000002059 diagnostic imaging Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 description 1
- 238000001917 fluorescence detection Methods 0.000 description 1
- 230000003902 lesion Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 238000012014 optical coherence tomography Methods 0.000 description 1
- 238000012634 optical imaging Methods 0.000 description 1
- 238000000399 optical microscopy Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000000741 silica gel Substances 0.000 description 1
- 229910002027 silica gel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 1
- 238000000204 total internal reflection microscopy Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Finish Polishing, Edge Sharpening, And Grinding By Specific Grinding Devices (AREA)
Abstract
本发明一种基于小斑点磁流变抛光的小型曲面类零件亚表面损伤检测方法，涉及超精密加工领域，为解决现有方法存在检测精度受系统的分辨率和运动精度影响较大、检测的精度较低的问题。包括如下过程：对小型曲面零件进行单点抛光，对小型曲面零件进行刻蚀；获取刻蚀后小型曲面零件抛光斑点的三维形貌轮廓，截取其二维轮廓得到抛光斑点截面轮廓，所述抛光斑点截面轮廓包括磨削区域和抛光区域；使用显微镜对刻蚀后抛光斑点的微观表面形貌进行观测，测量抛光斑点处亚表面裂纹消失处距离抛光交界线的水平距离D；重构被去除材料拟合轮廓曲线，计算抛光斑点截面轮廓上裂纹消失处距离被去除材料拟合轮廓曲线的最短距离，得到亚表面损伤深度结果。
Description
技术领域
本发明涉及超精密加工技术领域，具体而言，涉及一种基于小斑点磁流变抛光的小型曲面类零件亚表面损伤检测方法。
背景技术
随着制造技术的不断进步，应用于航天、舰艇、卫星等领域的核心器件呈现小型化的特征。半球谐振子是半球谐振陀螺的敏感元件，是一种典型的小口径薄壁复杂构件，由高纯度熔石英通过小直径球头砂轮进行超精密磨削以及磁流变抛光来获得较高的形位精度和表面质量。然而，由于熔石英材料的硬脆特性，在超精密磨削过程中不可避免的会产生亚表面损伤。损伤层的存在不仅影响后续抛光的效率，同时也影响半球谐振子的品质因数和频率裂解，降低陀螺仪的使役性能。因此，全面、准确、定量的去表征熔石英等硬脆材料在磨削过程中产生的亚表面损伤是磨削工艺研究中的一个关键问题。
目前，常见的亚表面损伤检测技术包括两大类，分别为破坏性检测和非破坏性检测。其中，破坏性检测手段包含角度抛光法、磁流变抛光法和化学刻蚀法等。随着光学显微镜的应用和普及，许多生物、医学成像技术逐步被用于亚表面损伤的检测。光学成像技术结合数字图像处理技术为亚表面损伤的无损、在线以及高效检测提供技术思路，也由此衍生出了全内反射显微法、光学相干层析法、激光散射共聚焦技术、荧光检测法以及偏振激光共聚焦技术等非破坏性检测方法。然而，无论是破坏性检测还是非破坏性检测手段，大多针对平面类零件，对于曲面零件亚表面损伤的检测，尤其是半球谐振子此类异性薄壁构件亚表面损伤的检测研究较少。传统的检测方法，利用破坏性的检测手段去检测半球谐振子此类薄壁复杂零件时，将外曲面任意一个位置加工出楔形斜面或平坦的截面难度较大，加工过程难以控制。同时，绝大多数的破坏性的检测手段容易产生新的损伤，从而影响亚表面损伤深度的测量结果。因此，传统的破坏性的检测手段不适用于半球谐振子亚表面损伤的检测。非破坏性检测，即利用亚表面损伤对声波、光场、X射线的相应差异实现其检测，其精度受系统的分辨率和运动精度影响较大，检测的精度较低，目前，对亚微米级损伤的检测仍是一个难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：
现有针对曲面零件损伤的检测方法，存在检测精度受系统的分辨率和运动精度影响较大、检测的精度较低的问题。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案：
本发明提供了一种基于小斑点磁流变抛光的小型曲面类零件亚表面损伤检测方法，包括如下步骤：
S1、对磨削加工后的小型曲面零件进行单点抛光，形成抛光斑点；
S2、对单点抛光后的小型曲面零件进行清洗，将清洗后的小型曲面零件浸入刻蚀溶液中进行刻蚀，以暴露覆盖在抛光水解层下的亚表面裂纹，刻蚀结束后，对小型曲面零件表面进行清洗，去除表面残留的刻蚀溶液；
S3、获取刻蚀后小型曲面零件抛光斑点的三维形貌轮廓，得到抛光斑点的三维形貌数据，截取抛光斑点三维形貌轮廓的二维轮廓得到抛光斑点截面轮廓，所述抛光斑点截面轮廓包括磨削区域和抛光区域；
S4、测量抛光斑点处亚表面裂纹消失处距离抛光交界线的水平距离D，根据抛光交界点确定抛光斑点截面轮廓上对应的裂纹消失点的位置；
S5、利用磨削区域的轮廓数据，基于抛光斑点截面轮廓对被去除的材料轮廓进行拟合重构，得到被去除材料拟合轮廓曲线，计算抛光斑点截面轮廓上裂纹消失处距离被去除材料拟合轮廓曲线的最短距离，得到小型曲面类零件亚表面损伤深度。
进一步地，S5中被去除材料拟合轮廓曲线为：
其中，xi和yi为被去除材料拟合轮廓上i点的坐标，g(x,y)为被去除材料拟合轮廓的曲线方程，R是拟合轮廓半径，xo和yo为拟合圆圆心；
抛光斑点截面轮廓线上裂纹消失点与抛光交界点的关系为：
xcv＝xpi+D
其中，xcv和xpi分别为裂纹消失点和抛光交界点的水平坐标；
计算抛光斑点截面轮廓上裂纹消失处距离被去除材料拟合轮廓曲线的最短距离为：
其中，xc和yc为裂纹消失点和拟合圆圆心的连线与拟合圆的交点，即：
进一步地，S1中对磨削加工后的小型曲面零件进行单点抛光，包括如下步骤：
S11、对磨削加工后的小型曲面零件进行单点抛光对刀；
S12、配置磁流变液；
S13、调节竹节管喷头的位置，使磁流变液滴向抛光头；使抛光头以预设的转速旋转，工件主轴不旋转，即小型曲面零件静止不动，对小型曲面零件进行单点抛光；
进一步地，S11对磨削加工后的小型曲面零件进行单点抛光对刀，包括如下步骤：
S111、根据最后一次磨削加工时的砂轮运动轨迹，绘制小型曲面零件外曲面的二维轮廓，轮廓外侧曲线沿法线方向向外侧偏置距离R1+Δd，其中R1为抛光头半径，Δd为抛光头与工件之间的抛光间隙，得到实际抛光小型曲面零件外曲面的抛光头球心运动轨迹；
S112、在小型曲面零件外曲面的二维轮廓上选取某一位置作为单点抛光的位置，并记录该位置在工件坐标系下的坐标(x1,y1)，单点抛光位置坐标(x1,y1)沿轮廓法线方向与抛光头球心运动轨迹的交点(x2,y2)即为抛光头抛光(x1,y1)点对应的抛光头球心位置；
S113、将工件坐标系下抛光头位置坐标(x2,y2)转换到机床坐标系下，得到机床坐标系下的抛光头球心的位置坐标(x3,y3)；
S114、借助CCD相机和放大镜头，调整抛光头球心的高度与半球谐振子回转轴线高度一致；
S115、移动抛光头至机床坐标系下(x3+δ,y3)处，其中，δ为对刀误差的预留值；
S116、以一定进给量f使抛光头向靠近工件方向移动，使抛光头与小型曲面零件表面之间的间隙减小；
S117、手动旋转工件主轴，若未产生碰撞声音，则再次执行S116；若出现周期性的声音，则直接执行下一步；
S118、在当前位置下，移动X轴工作台，使抛光头向远离工件方向移动Δd的距离，完成对刀。
进一步地，S111中抛光头与工件之间的抛光间隙Δd为80μm～100μm，优选80μm。
进一步地，S13所述配置磁流变液的方法为：将质量份数为3.5份纤维素加入500份100℃热水中，搅拌均匀，再加入412份20℃常温水，搅拌均匀，加入168份氧化铈抛光粉，搅拌均匀，最后加入2100份羟基铁粉，搅拌均匀，得到磁流变液。
进一步地，S14中进行小型曲面零件的单点抛光的时间为15min～20min。
进一步地，S2中所述刻蚀溶液按质量分数含有1％的HF和15％的NH4F。
进一步地，S2中的刻蚀时间为12min～15min。
进一步地，S3中采用白光干涉仪测量小型曲面零件单点抛光区域的三维形貌轮廓。
相较于现有技术，本发明的有益效果是：
本发明一种基于小斑点磁流变抛光的小型曲面类零件亚表面损伤检测方法，利用磁流变斑点抛光，将裂纹深度的测量转化为毫米级裂纹在水平方向延伸距离的测量，特别是当亚表面损伤深度在微米量级时，可以起到亚表面损伤的放大作用。同时，本发明采用的磁流变抛光方法，有效避免了传统方法在加工过程中引入的新损伤的问题，将磨削表面下的亚表面损伤暴露至表面，实现半球谐振子磨削亚表面损伤的高精度检测。
本发明方法可以测量小型曲面类零件各处的亚表面损伤深度，为抛光工艺所需要去除的亚表面损伤深度提供参数依据，具有较高的可行性与准确性。同时，本发明方法可为磨削工艺的优化提供准确的参数依据。
本发明方法具有一定普适性，不仅可以推广到小口径(φ20-φ50mm)回转体零件亚表面损伤的检测，同时对大部分曲面类零件亚表面损伤的检测同样具有较强的适应性。
附图说明
图1为本发明实施例中基于小斑点磁流变抛光的小型曲面类零件亚表面损伤检测方法流程图；
图2为本发明实施例中的加工设备结构示意图；
图3为本发明实施例中的小型曲面零件小斑点磁流变抛光示意图；
图4为本发明实施例中的半球谐振子单点抛光示意图；
图5为本发明实施例中的抛光斑点三维形貌轮廓图；
图6为本发明实施例中的抛光斑点截面轮廓图；
图7为本发明实施例中的抛光斑点区域的显微图像及亚表面裂纹图；
图8为本发明实施例中的亚表面损伤测量原理图；
图9为本发明实施例中的半球谐振子毛坯端面亚表面损伤图。
附图标记说明：1-C轴转台，2-U轴连接架，3-V轴，4-工具主轴固定架，5-工具主轴，6-抛光头，7-磁流变液回收底座，8-水平工作台，9-工件主轴保护罩，10-待加工工件，11-工件主轴，12-竹节管喷头，13-U轴保护罩，14-U轴。
具体实施方式
在本发明的描述中，应当说明的是，在本发明的实施例中所提到的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，并不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
具体实施方案一：本发明提供一种基于小斑点磁流变抛光的小型曲面类零件亚表面损伤检测方法，如图3所示，小斑点磁流变抛光指的是使用小口径的永磁体抛光工具在小型曲面零件的磨削表面进行磁流变单点抛光并在工件表面形成抛光斑点；如图1所示，包括如下步骤：
S1、对磨削加工后的小型曲面零件进行单点抛光，形成抛光斑点；
S2、对单点抛光后的小型曲面零件进行清洗，将清洗后的小型曲面零件浸入刻蚀溶液中进行刻蚀，以暴露覆盖在抛光水解层下的亚表面裂纹，刻蚀结束后，对小型曲面零件表面进行清洗，去除表面残留的刻蚀溶液；
S3、获取刻蚀后小型曲面零件抛光斑点的三维形貌轮廓，得到抛光斑点的三维形貌数据，截取抛光斑点三维形貌轮廓的二维轮廓得到抛光斑点截面轮廓，所述抛光斑点截面轮廓包括磨削区域和抛光区域；
S4、测量抛光斑点处亚表面裂纹消失处距离抛光交界线的水平距离D，根据抛光交界点确定抛光斑点截面轮廓上对应的裂纹消失点的位置；
S5、利用磨削区域的轮廓数据，基于抛光斑点截面轮廓对被去除的材料轮廓进行拟合重构，得到被去除材料拟合轮廓曲线，计算抛光斑点截面轮廓上裂纹消失处距离被去除材料拟合轮廓曲线的最短距离，得到小型曲面类零件亚表面损伤深度。
如图2所示，本实施方案中采用现有设备：砂轮主轴倾斜放置并可空间转动的超精密磨削装置(申请号为：CN201710186959.2)，该装置为四轴联动磁流变抛光加工机床，包括三个直线移动平台、一个C轴转台1、两个精密微调直线进给平台U轴14和V轴3，以及一个工具主轴5和一个工件主轴11，所述三个直线移动平台分别为X轴直线平台、Y轴直线平台和Z轴直线平台，水平工作台8安装于X轴直线平台、Y轴直线平台上，通过控制系统控制X轴直线平台和Y轴直线平台实现水平工作台8沿X轴方向和Y轴方向的直线移动，X轴方向和Y轴方向均为水平方向，工具主轴5安装于Z轴直线平台，通过控制系统实现工具主轴5沿Z轴方向的直线移动，Z轴方向为竖直方向，C轴转台1用于实现工具主轴5沿Z轴的回转运动，抛光头6通过精密夹头安装于工具主轴5的输出端，实现加工时的高速回转，工具主轴5与水平面的夹角为40°，工具主轴5通过工具主轴固定架4悬挂安装于U轴14下方，且U轴14设有U轴保护罩13，U轴14通过U轴连接架2刚性连接在C轴转台1下方，V轴3安装于C轴转台1的下方，V轴3的下端与工具主轴固定架4连接，通过U轴12和V轴3对工具主轴5进行X轴方向和Y轴方向的微调；工件主轴11设有工件主轴保护罩9，并通过工件主轴保护罩9安装于水平工作台8上表面，工件主轴的轴线方向平行于Y轴运动方向，待加工工件10装夹于工件主轴11的输出端，该设备设有竹节管喷头12和磁流变液回收底座7，磁流变液回收底座7设置在竹节管喷头12下方，调节竹节管喷头12使磁流变液滴向抛光头，实现磁流变液的供给，磁流变液回收底座7，用于回收竹节管喷头12流出的磁流变液以及抛光过程中抛光头溅出的磁流变液。本实施方案中在小型曲面零件磨削加工结束后，操控数控系统使上轮沿机床X轴方向向远离小型曲面零件移动，并将装卡在工具主轴上的砂轮替换成小口径的永磁体抛光头6。
本实施方案中S2中分别使用去离子水、稀盐酸、酒精对单点抛光后小型曲面零件表面残留的磁流变液清洗干净；分别使用去离子水和无水乙醇将刻蚀结束后的小型曲面零件表面残留的刻蚀溶液清晰干净。
本实施方案中的小型曲面零件为半球谐振子，由中心杆和薄壁半球壳组成。
具体实施方案二：S5中被去除材料拟合轮廓曲线为：
其中，xi和yi为被去除材料拟合轮廓上i点的坐标，g(x,y)为被去除材料拟合轮廓的曲线方程，R是拟合轮廓半径，xo和yo为拟合圆圆心；
抛光斑点截面轮廓线上裂纹消失点与抛光交界点的关系为：
xcv＝xpi+D
其中，xcv和xpi分别为裂纹消失点和抛光交界点的水平坐标；
计算抛光斑点截面轮廓上裂纹消失处距离被去除材料拟合轮廓曲线的最短距离为：
其中，xc和yc为裂纹消失点和拟合圆圆心的连线与拟合圆的交点，即：
本实施方案其它与具体实施方案一相同。
具体实施方案三：S1中对磨削加工后的小型曲面零件进行单点抛光，包括如下步骤：
S11、对磨削加工后的小型曲面零件进行单点抛光对刀；
S12、配置磁流变液；
S13、调节竹节管喷头的位置，使磁流变液滴向抛光头；使抛光头以预设的转速旋转，工件主轴不旋转，即小型曲面零件静止不动，对小型曲面零件进行单点抛光。本实施方案其它与具体实施方案一相同。
本实施方案中还包括如下过程：单点抛光对刀完成后，按照磁流变流动方向，利用硅胶软管将搅拌器、供给蠕动泵、万向竹节管喷头依次连接，再将磁流变液回收底座、回收蠕动泵、搅拌器依次相连，并将磁流变液回收底座放置在万向竹节管喷头下方，形成闭合的磁流变液循环回路。在进行单点抛光之前，在小型曲面零件四周放置磁流变液挡板，预防加工过程中磁流变液的飞溅。打开供给蠕动泵和回收蠕动泵，进行小型曲面零件的单点抛光。
本实施方案中抛光头预设的转速为7000r/min。
具体实施方案四：S11对磨削加工后的小型曲面零件进行单点抛光对刀，包括如下步骤：
S111、根据最后一次磨削加工时的砂轮运动轨迹，绘制小型曲面零件外曲面的二维轮廓，轮廓外侧曲线沿法线方向向外侧偏置距离R1+Δd，其中R1为抛光头半径，Δd为抛光头与工件之间的抛光间隙，得到实际抛光小型曲面零件外曲面的抛光头球心运动轨迹；
S112、在小型曲面零件外曲面的二维轮廓上选取某一位置作为单点抛光的位置，并记录该位置在工件坐标系下的坐标(x1,y1)，单点抛光位置坐标(x1,y1)沿轮廓法线方向与抛光头球心运动轨迹的交点(x2,y2)即为抛光头抛光(x1,y1)点对应的抛光头球心位置；
S113、将工件坐标系下抛光头位置坐标(x2,y2)转换到机床坐标系下，得到机床坐标系下的抛光头球心的位置坐标(x3,y3)；
S114、借助CCD相机和放大镜头，调整抛光头球心的高度与半球谐振子回转轴线高度一致；
S115、移动抛光头至机床坐标系下(x3+δ,y3)处，其中，δ为对刀误差的预留值；
S116、以一定进给量f使抛光头向靠近工件方向移动，使抛光头与小型曲面零件表面之间的间隙减小；
S117、手动旋转工件主轴，若未产生碰撞声音，则再次执行S116；若出现周期性的声音，则直接执行下一步；
S118、在当前位置下，移动X轴工作台，使抛光头向远离工件方向移动Δd的距离，完成对刀。本实施方案其它与具体实施方案三相同。
如图4所示为半球谐振子单点抛光示意图，采用的进给量f为1μm。
具体实施方案五：S111中抛光头与工件之间的抛光间隙Δd为80μm～100μm，优选80μm。本实施方案其它与具体实施方案四相同。
具体实施方案六：S13所述配置磁流变液的方法为：将质量份数为3.5份纤维素加入500份100℃热水中，搅拌均匀，再加入412份20℃常温水，搅拌均匀，加入168份氧化铈抛光粉，搅拌均匀，最后加入2100份羟基铁粉，搅拌均匀，得到磁流变液。本实施方案其它与具体实施方案三相同。
具体实施方案七：S14中进行小型曲面零件的单点抛光的时间为15min～20min。本实施方案其它与具体实施方案三相同。
具体实施方案八：S2中所述刻蚀溶液按质量分数含有1％的HF和15％的NH4F。本实施方案其它与具体实施方案一相同。
具体实施方案九：S2中的刻蚀时间为12min～15min。本实施方案其它与具体实施方案一相同。
具体实施方案十：S3中采用白光干涉仪测量小型曲面零件单点抛光区域的三维形貌轮廓。本实施方案其它与具体实施方案一相同。
如图5所示为采用白光干涉仪测量半球谐振子抛光斑点三维形貌轮廓，截取如图6所示的抛光斑点截面轮廓A-A’，磨削区域的截面轮廓由磨削后半球谐振子球壳轮廓形状决定，理论上是一段圆弧曲线，但实际包含粗糙度特征的波峰和波谷。抛光区域的截面轮廓是典型的磁流变单点抛光形成的抛光凹坑。由于磁流变抛光过程中不会对材料产生新的损伤，因而抛光区域的截面轮廓是光滑而连续的。
如图7所示，使用显微镜对化学刻蚀后抛光斑点的微观表面形貌进行观测。从图可以看出，磨削区域与无损区域之间存在较为清晰的抛光交界线，可将其作为亚表面损伤测量的基准，通过测量截面A-A’处亚表面裂纹消失时距离抛光交界线的水平距离D，如图8所示，将水平距离D用于的计算亚表面损伤深度。为了进一步验证本发明提供的亚表面损伤检测方法对于曲面零件检测的准确性与优越性，采用传统检测方法对半球谐振子毛坯端面(平面)进行亚表面损伤的测量。采用截面抛光法，即通过切割的方法获得待测表面的截面，然后将待测表面进行抛光，抛光后，通过化学刻蚀去除抛光过程中表面产生的水解层，使亚表面裂纹暴露出来。为了更加清晰的评估截面处的亚表面损伤，采用扫描电子显微镜进行测量，根据待测表面的导电性判断是否在测量前进行表面喷金处理(对于导电性差的表面，需要在测量前进行表面喷金)。结果如图9和表1所示，采用本发明的小斑点磁流变抛光的亚表面损伤检测方法检测外球面亚表面损伤深度，与传统的亚表面损伤测量方法测得的端面亚表面损伤深度结果的偏差为5.4％，可见本发明方法对零件曲面亚表面损伤深度的检测具有较高的准确性，且本发明的小斑点磁流变抛光的亚表面损伤检测方法可以测量零件曲面不同位置处的亚表面损伤深度，相较于传统的亚表面损伤的检测方法更具有优势。
表1
虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本发明领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于小斑点磁流变抛光的小型曲面类零件亚表面损伤检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、对磨削加工后的小型曲面零件进行单点抛光，形成抛光斑点；
S2、对单点抛光后的小型曲面零件进行清洗，将清洗后的小型曲面零件浸入刻蚀溶液中进行刻蚀，以暴露覆盖在抛光水解层下的亚表面裂纹，刻蚀结束后，对小型曲面零件表面进行清洗，去除表面残留的刻蚀溶液；
S3、获取刻蚀后小型曲面零件抛光斑点的三维形貌轮廓，得到抛光斑点的三维形貌数据，截取抛光斑点三维形貌轮廓的二维轮廓得到抛光斑点截面轮廓，所述抛光斑点截面轮廓包括磨削区域和抛光区域；
S4、测量抛光斑点处亚表面裂纹消失处距离抛光交界线的水平距离D，根据抛光交界点确定抛光斑点截面轮廓上对应的裂纹消失点的位置；
S5、利用磨削区域的轮廓数据，基于抛光斑点截面轮廓对被去除的材料轮廓进行拟合重构，得到被去除材料拟合轮廓曲线，计算抛光斑点截面轮廓上裂纹消失处距离被去除材料拟合轮廓曲线的最短距离，得到小型曲面类零件亚表面损伤深度。
2.根据权利要求1所述的基于小斑点磁流变抛光的小型曲面类零件亚表面损伤检测方法，其特征在于，S5中被去除材料拟合轮廓曲线为：
其中，xi和yi为被去除材料拟合轮廓上i点的坐标，g(x,y)为被去除材料拟合轮廓的曲线方程，R是拟合轮廓半径，xo和yo为拟合圆圆心；
抛光斑点截面轮廓线上裂纹消失点与抛光交界点的关系为：
xcv＝xpi+D
其中，xcv和xpi分别为裂纹消失点和抛光交界点的水平坐标；
计算抛光斑点截面轮廓上裂纹消失处距离被去除材料拟合轮廓曲线的最短距离为：
其中，xc和yc为裂纹消失点和拟合圆圆心的连线与拟合圆的交点，即：
3.根据权利要求1所述的基于小斑点磁流变抛光的小型曲面类零件亚表面损伤检测方法，其特征在于，S1中对磨削加工后的小型曲面零件进行单点抛光，包括如下步骤：
S11、对磨削加工后的小型曲面零件进行单点抛光对刀；
S12、配置磁流变液；
S13、调节竹节管喷头的位置，使磁流变液滴向抛光头；使抛光头以预设的转速旋转，工件主轴不旋转，即小型曲面零件静止不动，对小型曲面零件进行单点抛光。
4.根据权利要求3所述的基于小斑点磁流变抛光的小型曲面类零件亚表面损伤检测方法，其特征在于，S11对磨削加工后的小型曲面零件进行单点抛光对刀，包括如下步骤：
S111、根据最后一次磨削加工时的砂轮运动轨迹，绘制小型曲面零件外曲面的二维轮廓，轮廓外侧曲线沿法线方向向外侧偏置距离R1+Δd，其中R1为抛光头半径，Δd为抛光头与工件之间的抛光间隙，得到实际抛光小型曲面零件外曲面的抛光头球心运动轨迹；
S112、在小型曲面零件外曲面的二维轮廓上选取某一位置作为单点抛光的位置，并记录该位置在工件坐标系下的坐标(x1,y1)，单点抛光位置坐标(x1,y1)沿轮廓法线方向与抛光头球心运动轨迹的交点(x2,y2)即为抛光头抛光(x1,y1)点对应的抛光头球心位置；
S113、将工件坐标系下抛光头位置坐标(x2,y2)转换到机床坐标系下，得到机床坐标系下的抛光头球心的位置坐标(x3,y3)；
S114、借助CCD相机和放大镜头，调整抛光头球心的高度与半球谐振子回转轴线高度一致；
S115、移动抛光头至机床坐标系下(x3+δ,y3)处，其中，δ为对刀误差的预留值；
S116、以一定进给量f使抛光头向靠近工件方向移动，使抛光头与小型曲面零件表面之间的间隙减小；
S117、手动旋转工件主轴，若未产生碰撞声音，则再次执行S116；若出现周期性的声音，则直接执行下一步；
S118、在当前位置下，移动X轴工作台，使抛光头向远离工件方向移动Δd的距离，完成对刀。
5.根据权利要求4所述的基于小斑点磁流变抛光的小型曲面类零件亚表面损伤检测方法，其特征在于，S111中抛光头与工件之间的抛光间隙Δd为80μm～100μm，优选80μm。
6.根据权利要求3所述的基于小斑点磁流变抛光的小型曲面类零件亚表面损伤检测方法，其特征在于，S13所述配置磁流变液的方法为：将质量份数为3.5份纤维素加入500份100℃热水中，搅拌均匀，再加入412份20℃常温水，搅拌均匀，加入168份氧化铈抛光粉，搅拌均匀，最后加入2100份羟基铁粉，搅拌均匀，得到磁流变液。
7.根据权利要求3所述的基于小斑点磁流变抛光的小型曲面类零件亚表面损伤检测方法，其特征在于，S14中进行小型曲面零件的单点抛光的时间为15min～20min。
8.根据权利要求1所述的基于小斑点磁流变抛光的小型曲面类零件亚表面损伤检测方法，其特征在于，S2中所述刻蚀溶液按质量分数含有1％的HF和15％的NH4F。
9.根据权利要求1所述的基于小斑点磁流变抛光的小型曲面类零件亚表面损伤检测方法，其特征在于，S2中的刻蚀时间为12min～15min。
10.根据权利要求1所述的基于小斑点磁流变抛光的小型曲面类零件亚表面损伤检测方法，其特征在于，S3中采用白光干涉仪测量小型曲面零件单点抛光区域的三维形貌轮廓。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310932931.4A CN116810502A (zh) | 2023-07-27 | 2023-07-27 | 一种基于小斑点磁流变抛光的小型曲面类零件亚表面损伤检测方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310932931.4A CN116810502A (zh) | 2023-07-27 | 2023-07-27 | 一种基于小斑点磁流变抛光的小型曲面类零件亚表面损伤检测方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116810502A true CN116810502A (zh) | 2023-09-29 |
Family
ID=88127554
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310932931.4A Pending CN116810502A (zh) | 2023-07-27 | 2023-07-27 | 一种基于小斑点磁流变抛光的小型曲面类零件亚表面损伤检测方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116810502A (zh) |
-
2023
- 2023-07-27 CN CN202310932931.4A patent/CN116810502A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105136027B (zh) | 一种激光在线测量加工检测方法及其装置 | |
| Chen et al. | Machining of micro aspherical mould inserts | |
| CN113523968B (zh) | 石英半球谐振子激光和超声辅助磨削制造装备及其方法 | |
| CN109483394B (zh) | 半球谐振子超精密球面加工装置及加工方法 | |
| JP6000643B2 (ja) | 被加工物の加工方法と、該加工方法によって加工された光学素子、金型及び半導体基板 | |
| CN108747609B (zh) | 一种非球面阵列结构的精密磨削加工方法 | |
| CN107037059A (zh) | 一种光学材料亚表面裂纹深度的检测方法 | |
| CN116910832B (zh) | 一种基于圆柱形回转工件材料体积去除率的永磁小球头磁流变抛光加工时间预测方法 | |
| Walker et al. | A quantitative comparison of three grolishing techniques for the Precessions process | |
| JP3890186B2 (ja) | 研磨方法及び光学素子及び光学素子の成形用金型 | |
| Zhong et al. | Generation of parabolic and toroidal surfaces on silicon and silicon-based compounds using diamond cup grinding wheels | |
| CN116810502A (zh) | 一种基于小斑点磁流变抛光的小型曲面类零件亚表面损伤检测方法 | |
| JP4702765B2 (ja) | 振動研磨方法およびその装置 | |
| Zhao et al. | Grinding damage of BK7 using copper-resin bond coarse-grained diamond wheel | |
| Qin et al. | Subsurface damage detection and prediction of thin-walled complex curved-surface component | |
| JP4458235B2 (ja) | 凹端面加工法及び装置 | |
| Chen et al. | On-machine precision preparation and dressing of ball-headed diamond wheel for the grinding of fused silica | |
| CN113941904B (zh) | 一种基于小型回转体零件旋转超声振动的小球头磁流变抛光工艺方法 | |
| CN105834885A (zh) | 半球型动压轴承零件研磨工装及研磨方法 | |
| CN205703712U (zh) | 半球型动压轴承零件研磨工装 | |
| Wdowik et al. | Digitization methods of grinding pins for technological process planning | |
| Guo et al. | On-machine measurement system of tool topography using edge reversal principle | |
| JP2005103668A (ja) | 自由曲面加工法及び装置 | |
| JP2004098237A (ja) | 精密研磨方法及び研磨装置 | |
| CN117226610A (zh) | 一种基于小直径球头砂轮磨削修型的高精度-低跳动量永磁小球端抛光头加工方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |