单点金刚石车削辊筒表面Ⅴ型螺旋槽表面形貌仿真与试验研究

单点金刚 石车削辊筒表面V型螺旋耱表面形貌仿真与试验研究冰 口战蓉洁 口吴大鸣 口赵中里 口刘颖 北京4 t x 大学 高分子材料加 工装备教 育部x ff g 究中心 北京 1 0 0 0 2 9 摘 要 提 出了辊 筒表 面车削 V型沟槽的一种螺旋式加工方法并进行 了车削试验 对车削系统进 行 了仿真模拟 得 出了刀架 Z轴的输入输 出曲线 以及 V型沟槽的理论形貌与 实际形貌 计算 出表面粗 糙度 O 3 1 l m 与试验检测结果 0 3 8 9 m相差不大 验证 了车削系统仿真模型的有效性 进一 步证 明 了加 工方 法的 可行性 关键 词 辊筒V型沟槽加工 方 法 表 面仿 真 中 图分 类号 T H1 2 2 T G 5 1 文 献标 识码 A 文 章编 号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 5 0 9 0 0 7 1 0 3 微 结 构 功 能 表 面 的 成 形 方 法 已 成 为 很 多 学 者 的 研 究 方 向 由 于 金 刚 石 刀 具 具 有 硬 度 高 耐 磨 性 强 导 热 能 力 好 等 优 点 超 精 密 车 削 3 n T 中 常 采 用 该 刀 具 对 于 被 金 刚 石 刀 具 加 工 后 所 产 生 的 微 结 构 表 面 国 内外 很 多 学 者 进 行 了研 究 其 中 李 荣 彬 教 授 团 队 对 超 精 密加 工做 了很 多 详细 的系 统性 研究 提 出 了表 面形 貌模 型 的建立 与 表面 粗糙 度 的预测 基 于运 动学 和 切 削 理 论 针 对 自 由 曲 面 元 4 mJ A C AD 数 据 转 化 到 加 工 仿 真 以 及 误 差 补 偿 一 系 列 过 程 对 加 工 条 件 与 切 削 策 略 进 行 优 化 在 快 速 伺 服 刀 架 加 工 技 术 中 建 立 仿 真 系统 对切 削微 结 构微棱 镜 阵列 的研 究 在 单 点金 刚 石 刀 具 加 工 所 获 得 的 纳 米 级 精 度 表 面 上 研 究 了在 加 工 过 程 中 受 主 轴 转 速 和 材 料 特 性 等 影 响 使 刀 具 与 工 件 产 生 的 相 对 振 动 会 对 加 工 后 的 表 面 造 成 一 定 程 度 的 影 响 赵 清 亮 教 授 建 立 了 动 态 仿 真 模 型 对 正 弦 波 结 构 的 功 能 表 面 进 行 了 预 测 与 试 验 对 微 结 构 的 功 能 表 面 加 工 有 重 要 的 指 导 意 义 1 表面形 貌形成 分析与车削 系统建模 单 点 金 刚 石 刀 具 车 削 材 料 表 面 时 表 面 形 貌 的 形 成 可 以认 为 是 刀 具 轮 廓 不 断 地 进 给 重 复 与 车 削 系 统 稳 定 程 度 的 一 个 叠 加 合 成 的 过 程 这 样 即 可 以 将 影 响 表 面 形 貌 的 因 素 分 为 非 几 何 因 素 影 响 与 几 何 因素 影 响 两 大 类 由 于 单 点 车 削 的 特 点 综 合 几 何 因 素 影 响 表 面 形 貌 可 以 发 现 残 留 高 度 成 为 了决 定 表 面 形 貌 的 一 个 重 要 因 素 并 且 残 留 高 度 可 以 通 过 工 艺 参 数 进 给 量 以 及 刀 尖 圆 弧 半 径 进 行 计 算 表 征 而 非 几 何 因 素 包 括 车 削 设 备 的 稳 定 性 工 件 材 料 的 表 面 缺 陷 积 屑 瘤 等 因 素 的 影 响 很 难 通 过 简 单 的 计 算 求 得 在 微 结 构 的 表 面 国家 自然科学基金资助项 目 编号 5 1 1 7 3 0 1 5 收稿 日期 2 0 1 5年 3月 机械制造5 3 卷 第6 1 3期 产 生 了 多 大 的 影 响 因 此 可 以 通 过 仿 真 来 模 拟 表 面 形 貌 在 影 响 表 面 形 貌 的 非 几 何 因 素 中 车 削 系 统 的 稳 定 性 是 决 定 表 面 形 貌 的 一 个 重 要 因 素 车 削 系 统 可 以 简 化 为 一 个 弹 簧 一 质 量 一 阻 尼 的机 械 系 统 由 此 可 得 到 机 械 系 统 的 物 理 模 型 如 图 1所 示 由 于 加 工 过 程 中 刀 位 点 会 经 过 一 个 极 坐 标 系 向 直 角 坐 标 系 的 转 变 所 以整 个 系 统 的输 入 为 车 削 系 统 主 轴 C轴 的 旋 转 角 度 输 出 为 刀 架 z 轴 刀 位 点 由 此 可 以 得 出 车 削 系 统 的 传 递 函 数 为 G b s 6s 2q r 式 中 Z为 丝 杠 螺 距 为 等 效 刚 度 系 数 m 为 等 效 质 量 b为 等 效 阻 尼 系 数 2模拟结果及分析 表 面 刻 划 V 型 槽 结 构 的 辊 筒 模 具 在 光 学 领 域 由 于 其 有 复 制 连 续 及 加 工 方 便 等 优 点 在 工 业 化 加 工 中 得 到 了 广 泛 应 用 而 传 统 的 加 工 方 法 是 在 加 工 设 备 上 基 于 主 轴 的 旋 转 在 辊 筒 表 面 进 行 V 槽 刻 划 一 个 V 槽 结 束 后 再 进 行 第 二 个 V 槽 的 刻 划 在 加 工 过 程 中 主 轴 的 旋 转 并 没 有 得 到 充 分 的 利 用 所 以 生 产 效 率 较 低 对 此 笔 者 提 出 了 充 分 利 用 主 轴 旋 转 的特 点 在 辊 筒 表 面 刻 划 V 型 螺 旋 槽 的方 法 用 以 提 高 加 工 效 率 在 加 工 过 程 中 刀 位 点