CN116910832B - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明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，涉及超精密加工技术领域，为解决现有方法无法满足永磁小球头磁流变抛光的材料体积去除率精度需求，无法实现抛光加工时间的准确预测的问题。包括如下步骤：按照选定的抛光工艺参数，在圆柱形回转工件的侧壁表面上进行抛光，得到环绕工件侧壁的环形抛光凹槽；沿圆柱形工件的轴线方向提取抛光凹槽的二维截面轮廓；采用微元法构建材料去除体积计算模型，结合抛光时间，计算工件材料体积去除率；建立待加工工件模型，计算选定抛光工艺参数下待加工工件完成抛光的加工时间。本发明基于微元法计算圆柱形回转工件材料体积去除率，对加工时间进行预测，准确性更高。
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。
背景技术
在熔石英、蓝宝石等硬脆材料工件的磨削加工中，工件表面及亚表层极容易产生崩碎、裂纹等微观缺陷。为了满足由这类硬脆材料制成的小型复杂结构零件(例如熔石英半球谐振子)的亚表层损伤去除需求，现有的小型抛光工具的永磁小球头磁流变抛光方法加工出的工件表面粗糙度可低至纳米级，形状精度能够达到亚微米级甚至更低，使工件具有较好的使役性能。特制的永磁半球端抛光头是该抛光方法所使用的抛光工具，它由直径4mm的半球端永磁体和长度50mm的圆柱形金属标准塞规粘接而成。由于永磁半球端抛光头尺寸较小且形状细长，它可以对零件的小曲率半径表面和复杂结构位置进行有效抛光。
在抛光加工中，预测不同工件的抛光加工时间是合理安排加工顺序、节约时间、提高生产效率的依据，而准确可靠的材料体积去除率确定方法是实现抛光加工时间预测的关键基础。在抛光加工中，通常使用称量工件抛光前后质量差的方法获得抛光过程中的材料去除质量，从而计算材料体积去除率。然而，由于永磁小球头磁流变抛光过程中的材料去除质量很小，抛光去除深度仅为微米级，抛光前后的质量差值仅为毫克级，使用称重法测量材料去除质量时，精密电子天平的分辨率不足，且重复测量误差值与质量差值的大小相近，因此，常用的称重法无法满足永磁小球头磁流变抛光的材料体积去除率计算需求，致使后续抛光加工时间预测工作无法准确开展。此外，永磁半球端抛光头在平面工件上定点抛光产生的泪滴形抛光凹坑的形状是不规则的，无法准确计算其材料去除体积。因此，亟需一种准确计算特定工艺参数下的材料体积去除率、准确预测抛光加工时间的方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：
现有方法无法满足永磁小球头磁流变抛光的材料体积去除率精度需求，无法实现抛光加工时间的准确预测。
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，包括如下步骤：
S1、计算基于圆柱形回转工件的材料体积去除率，包括如下步骤：
S11、测量圆柱形回转工件的尺寸；
S12、按照选定的抛光工艺参数，在圆柱形回转工件的侧壁表面上进行抛光实验，得到环绕工件侧壁的环形抛光凹槽，并记录抛光时间；
S13、获取所述抛光凹槽的局部三维形貌，沿圆柱形工件的轴线方向提取抛光凹槽的二维截面轮廓；
S14、根据得到的圆柱形回转工件的尺寸及抛光凹槽的二维截面轮廓，采用微元法构建材料去除体积计算模型，根据所述材料去除体积计算模型计算工件的材料去除体积，结合抛光时间，得到所述抛光工艺参数下，圆柱形回转工件材料体积去除率；
S2、建立待加工工件的三维模型，计算S1中抛光工艺参数下待加工工件完成抛光去除的材料总体积，根据得到材料体积去除率预测该工艺参数下的抛光加工时间。
进一步地，S13中提取的抛光凹槽的二维截面轮廓为若干个数据点依次连接而成，包含局部抛光凹槽的最底端、抛光凹槽两侧壁及与凹槽侧壁相连接的部分圆柱侧壁。
进一步地，S14中采用微元法构建材料去除体积的计算模型，具体为：
以工件中轴线为横轴构建二维坐标系，设置二维截面轮廓最左边数据点为(0，r)，其中，r为工件半径，得到抛光凹槽的二维截面轮廓上所有数据点的坐标数值，
将二维截面轮廓按照相邻的横坐标点分割成若干个小区域，采用微元法构建材料去除体积的计算模型为：
式中，r——工件半径(μm)；xi——轮廓上第i个点的横坐标值(μm)；xi+1——轮廓上第i+1个点的横坐标值(μm)；Hi+1——轮廓上第i+1个点所对应的去除深度(μm)；s——二维轮廓的横坐标数据点个数。
进一步地，所述S2包括如下步骤：
S21、通过三维建模方法建立待加工工件的三维模型，确定待加工工件的体积V1；
S22、基于工件磨削加工的磨削工艺参数，获取待加工工件的亚表层损伤深度；
S23、计算待加工工件的亚表层损伤被抛光去除后的工件体积V2；
S24、计算得到待加工工件完成抛光去除的材料总体积Vp，即Vp＝V1-V2；
S25、根据得到材料体积去除率预测该工艺参数下的抛光加工时间Tp，即Tp＝Vp/MRR。
进一步地，S22中获取待加工工件的亚表层损伤深度的方法为：基于基于S12所述的选定的抛光工艺参数，在同类型工件进行加工，采用截面显微法或者锥度抛光法光学测量方法获取该磨削工艺参数加工后的工件表面亚表层损伤深度。
进一步地，S2还包括对得到的抛光加工时间进行实验验证，即：对工件进行连续抛光至表面无明显加工缺陷，将实验的抛光加工时间与计算得到的抛光加工时间进行对比，以验证计算得到的抛光加工时间的准确性。
进一步地，该方法可用于与所述圆柱形回转工件材质相同的其它形状工件的抛光加工时间的预测。
进一步地，S13中采用白光干涉仪测量抛光凹槽的局部三维形貌。
进一步地，S1中所述圆柱形回转工件为半球谐振子，在抛光间隙为0.1mm、工件转速为30rpm、抛光头转速为7000rpm的抛光工艺参数下，计算得到材料体积去除率为0.00868mm3/min。
进一步地，建立待加工半球谐振子的三维模型，内球壳半径为14.112mm，外球壳半径为15.073mm，内杆直径为5.987mm，获取半球谐振子平均亚表层损伤深度为5μm，进行抛光计算，得到抛光加工时间为1813.7min。
相较于现有技术，本发明的有益效果是：
本发明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，基于微元法，通过计算圆柱形回转工件环形抛光凹槽的材料体积去除量，进一步计算材料体积去除率，准确性更高，误差远小于称重法等现有方法，为合理安排工件的加工顺序、节约加工时间、提高生产效率提供了重要依据。
本发明方法具有一定的普适性，能够用于与圆柱形回转工件材质相同的其它形状工件的抛光加工时间的准确预测，也能够适用于其它小型工具磨抛加工方法的材料体积去除率的计算与加工时间的预测。
本发明方法能够确定不同工艺参数下的材料体积去除率，为永磁小球头磁流变抛光方法的工艺参数优化提供数据基础。通过定量定性地分析工艺参数对材料体积去除率的影响规律，得到使材料体积去除率达到最大值的最优工艺参数，进一步提高生产效率。
附图说明
图1为本发明实施例中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的流程图；
图2为本发明实施例中的永磁小球头磁流变抛光装置示意图；其中，1-C轴转台，2-U轴连接架，3-工具主轴固定架，4-工具主轴，5-永磁半球端抛光头，6-水平工作台，7-工件主轴保护罩，8-圆柱形工件，9-工件主轴，10-U轴保护罩，11-U轴；
图3为本发明实施例中的抛光凹槽的三维形貌示意图；
图4为本发明实施例中的抛光凹槽二维形貌提取示意图；其中，1为圆柱表面轮廓，2为抛光凹坑轮廓，3为抛光凹坑的最底端；
图5为本发明实施例中的材料体积去除率计算示意图。
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。
本发明提供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，如图1所示，包括如下步骤：
S1、计算基于圆柱形回转工件的材料体积去除率；包括如下步骤：
S11、测量圆柱形回转工件的尺寸；
S12、按照选定的抛光工艺参数，在圆柱形回转工件的侧壁表面上进行抛光实验，得到环绕工件侧壁的环形抛光凹槽，并记录抛光时间；
S13、获取所述抛光凹槽的局部三维形貌，沿圆柱形工件的轴线方向提取抛光凹槽的二维截面轮廓；
S14、根据得到的圆柱形回转工件的尺寸及抛光凹槽的二维截面轮廓，采用微元法构建材料去除体积计算模型，根据所述材料去除体积计算模型计算工件的材料去除体积，结合抛光时间，得到所述抛光工艺参数下，圆柱形回转工件材料体积去除率；
S2、建立待加工工件的三维模型，计算S1中抛光工艺参数下待加工工件完成抛光去除的材料总体积，根据得到材料体积去除率预测该工艺参数下的抛光加工时间。
如图2所示，本实施方式采用一种小口径非球面永磁式磁流变抛光加工机床装置，(申请号为：201210571678.6)，该装置为四轴联动磁流变抛光加工机床，包括三个直线移动轴和一个C轴转台1，还包括工件主轴9和工具主轴4；三个直线移动轴分别为X轴直线单元、Y轴直线单元和Z轴直线单元，X轴直线单元和Y轴直线单元用于实现工件主轴9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，Z轴直线单元用于实现工具主轴4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4沿Z轴的回转运动，永磁半球端抛光头5通过精密夹头安装于工具主轴4的输出端，实现加工时的高速回转，抛光工具主轴与水平面的夹角为40°，工具主轴4通过工具主轴固定架3悬挂安装于U轴11下方，U轴11设有U轴保护罩10，U轴11通过U轴连接架2刚性连接在C轴转台1下方，工件主轴9设有工件主轴保护罩7，并通过工件主轴保护罩7安装于水平工作台6上表面。且装置设有高分辨率的CCD以监测对刀区域，实现对圆柱形工件8的对刀操作。在永磁半球端抛光头5上方供给磁流变液体对工件进行抛光加工。
在直径6mm、长度50mm的圆柱形工件8上进行不同工艺参数下的定点抛光实验。在每次实验中，永磁半球端抛光头5与圆柱形工件8的相对位置保持不变，在圆柱形工件8的圆柱表面上抛光出一个环形抛光凹坑。抛光结束后，移动永磁半球端抛光头5的位置，并改变工艺参数，在圆柱表面的其它位置再次进行定点抛光实验。
如图3和图4所示，S13中采用白光干涉仪测量抛光凹槽的局部三维形貌。并沿圆柱形工件的轴线方向提取抛光凹槽的二维截面轮廓。
S13中提取的抛光凹槽的二维截面轮廓为若干个数据点依次连接而成，包含局部抛光凹槽的最底端、抛光凹槽两侧壁及与凹槽侧壁相连接的部分圆柱侧壁。
如图5所示，S14中采用微元法构建材料去除体积的计算模型，具体为：
以工件中轴线为横轴构建二维坐标系，设置二维截面轮廓最左边数据点为(0，r)，其中，r为工件半径，得到抛光凹槽的二维截面轮廓上所有数据点的坐标数值；
将二维截面轮廓按照相邻的横坐标点分割成若干个小区域，采用微元法构建材料去除体积的计算模型为：
式中，r——工件半径(μm)；xi——轮廓上第i个点的横坐标值(μm)；xi+1——轮廓上第i+1个点的横坐标值(μm)；Hi+1——轮廓上第i+1个点所对应的去除深度(μm)；s——二维轮廓的横坐标数据点个数。
所述S2包括如下步骤：
S21、通过三维建模方法建立待加工工件的三维模型，确定待加工工件的体积V1；
S22、基于工件磨削加工的磨削工艺参数，获取待加工工件的亚表层损伤深度；
S23、计算待加工工件的亚表层损伤被抛光去除后的工件体积V2；
S24、计算得到待加工工件完成抛光去除的材料总体积Vp，即Vp＝V1-V2；
S25、根据得到材料体积去除率预测该工艺参数下的抛光加工时间Tp，即Tp＝Vp/MRR。
S22中获取待加工工件的亚表层损伤深度的方法为：基于基于S12所述的选定的抛光工艺参数，在同类型工件进行加工，采用截面显微法或者锥度抛光法光学测量方法获取该磨削工艺参数加工后的工件表面亚表层损伤深度。
S2还包括对得到的抛光加工时间进行实验验证，即：对工件进行连续抛光至表面无明显加工缺陷，将实验的抛光加工时间与计算得到的抛光加工时间进行对比，以验证计算得到的抛光加工时间的准确性。
本发明方法该方法可用于与所述圆柱形回转工件材质相同的其它形状工件的抛光加工时间的预测。
针对半球谐振子回转工件的具体实施例。
S1、计算半球谐振子回转工件的材料体积去除率；包括如下步骤：
S11、使用游标卡尺测量圆柱形工件的直径，算得圆柱形工件的半径为2970μm
S12、选择抛光工艺参数为：抛光间隙为0.1mm、工件转速为30rpm、抛光头转速为7000rpm，在半球谐振子的侧壁表面上进行抛光实验，得到环绕工件侧壁的环形抛光凹槽，并记录抛光时间为20min。
S13、将圆柱形工件放置在白光干涉仪的载物台上，调整载物台角度，确保圆柱形工件的轴线位于水平面上。使用白光干涉仪测量环形抛光凹坑的局部三维形貌，所述三维形貌应包含局部抛光凹坑的最底端以及抛光凹坑两侧的部分圆柱表面；沿圆柱形工件的轴线方向提取出抛光凹坑的二维截面轮廓。
S14、以工件中轴线为横轴构建二维坐标系，设置二维截面轮廓最左边数据点为(0，2970)，所有数据点的二维坐标数值导入Matlab软件中，并按照所述材料去除体积计算模型编写计算程序，算得抛光凹坑的材料去除体积为0.1736mm3，结合抛光时间20min，得到上述抛光工艺参数下，圆柱形回转工件体积去除率材料体积去除率为0.00868mm3/min。
S2、建立待加工工件的三维模型，计算S1中抛光工艺参数下待加工工件完成抛光去除的材料总体积，根据得到材料体积去除率预测该工艺参数下的抛光加工时间，包括如下步骤：
S21、采用三坐标测量机获得待加工半球谐振子的几何尺寸，其内球壳半径为14.112mm，外球壳半径为15.073mm，内杆直径为5.987mm。采用三维建模软件Creo建立待加工工件的三维模型，测得待加工工件的体积为1990.0314mm3。
S22、基于工件磨削加工的磨削工艺参数，确定半球谐振子平均亚表层损伤深度为5μm；
S23、抛光完成后其内球壳半径应为14.117mm，外球壳半径应为15.068mm，内杆直径应为5.977mm，建立亚表层损伤全部被抛光去除后的半球谐振子的三维模型，计算待加工工件的亚表层损伤被抛光去除后的工件体积1974.2884mm3；
S24、计算得到待加工工件完成抛光去除的材料总体积为15.743mm3；
S25、根据得到材料体积去除率预测该工艺参数下的抛光加工时间为1813.7min。
对得到的抛光加工时间进行实验验证，对工件进行连续抛光1500min后，每隔30min观察工件表面的残留损伤情况，在抛光1800min后，工件表面无明显加工缺陷存在，说明亚表层损伤已被去除，与计算得到的抛光加工时间较为接近，验证了计算得到的抛光加工时间的准确性。
环形抛光凹槽沿圆柱形工件轴线方向的宽度约为1000～1500μm，而使用白光干涉仪测量所得的数据点相邻横坐标的间隔仅为0.815μm，因此，本发明的微元法中相邻横坐标点分割得到的材料去除区域非常细密，使计算得到的材料去除体积与实际值之间的误差较小。保障了本发明方法的准确性。
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 (8)
1.一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，其特征在于，包括如下步骤：
S1、计算基于圆柱形回转工件的材料体积去除率，包括如下步骤：
S11、测量圆柱形回转工件的尺寸；
S12、按照选定的抛光工艺参数，在圆柱形回转工件的侧壁表面上进行抛光实验，得到环绕工件侧壁的环形抛光凹槽，并记录抛光时间；
S13、获取所述抛光凹槽的局部三维形貌，沿圆柱形工件的轴线方向提取抛光凹槽的二维截面轮廓；
S14、根据得到的圆柱形回转工件的尺寸及抛光凹槽的二维截面轮廓，采用微元法构建材料去除体积计算模型，根据所述材料去除体积计算模型计算工件的材料去除体积，结合抛光时间，得到所述抛光工艺参数下，圆柱形回转工件材料体积去除率；
S2、建立待加工工件的三维模型，计算S1中抛光工艺参数下待加工工件完成抛光去除的材料总体积，根据得到材料体积去除率预测该工艺参数下的抛光加工时间；
S13中提取的抛光凹槽的二维截面轮廓为若干个数据点依次连接而成，包含局部抛光凹槽的最底端、抛光凹槽两侧壁及与凹槽侧壁相连接的部分圆柱侧壁；
S14中采用微元法构建材料去除体积的计算模型，具体为：
以工件中轴线为横轴构建二维坐标系，设置二维截面轮廓最左边数据点为(0，r)，其中，r为工件半径，得到抛光凹槽的二维截面轮廓上所有数据点的坐标数值，
将二维截面轮廓按照相邻的横坐标点分割成若干个小区域，采用微元法构建材料去除体积的计算模型为：
式中，r——工件半径，μm；xi——轮廓上第i个点的横坐标值，μm；xi+1——轮廓上第i+1个点的横坐标值，μm；Hi+1——轮廓上第i+1个点所对应的去除深度，μm；s——二维轮廓的横坐标数据点个数。
2.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述S2包括如下步骤：
S21、通过三维建模方法建立待加工工件的三维模型，确定待加工工件的体积V1；
S22、基于工件磨削加工的磨削工艺参数，获取待加工工件的亚表层损伤深度；
S23、计算待加工工件的亚表层损伤被抛光去除后的工件体积V2；
S24、计算得到待加工工件完成抛光去除的材料总体积Vp，即Vp＝V1-V2；
S25、根据得到材料体积去除率MRR预测该工艺参数下的抛光加工时间Tp，即Tp＝Vp/MRR。
3.根据权利要求2所述的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，其特征在于，S22中获取待加工工件的亚表层损伤深度的方法为：基于S12所述的选定的抛光工艺参数，在同类型工件进行加工，采用截面显微法或者锥度抛光法光学测量方法获取该磨削工艺参数加工后的工件表面亚表层损伤深度。
4.根据权利要求1所述的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，其特征在于，S2还包括对得到的抛光加工时间进行实验验证，即：对工件进行连续抛光至表面无明显加工缺陷，将实验的抛光加工时间与计算得到的抛光加工时间进行对比，以验证计算得到的抛光加工时间的准确性。
5.根据权利要求1所述的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，其特征在于，该方法可用于与所述圆柱形回转工件材质相同的其它形状工件的抛光加工时间的预测。
6.根据权利要求1所述的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，其特征在于，S13中采用白光干涉仪测量抛光凹槽的局部三维形貌。
7.根据权利要求1所述的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，其特征在于，S1中所述圆柱形回转工件为半球谐振子，在抛光间隙为0.1mm、工件转速为30rpm、抛光头转速为7000rpm的抛光工艺参数下，计算得到材料体积去除率为0.00868mm3/min。
8.根据权利要求7所述的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，其特征在于，建立待加工半球谐振子的三维模型，内球壳半径为14.112mm，外球壳半径为15.073mm，内杆直径为5.987mm，获取半球谐振子平均亚表层损伤深度为5μm，进行抛光计算，得到抛光加工时间为1813.7min。
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