[发明专利]考虑刀具工件相对振动的超精密端面车削表面建模方法

说明书

本发明公开了一种考虑刀具工件相对振动的超精密端面车削表面建模方法，包括以下步骤：(a)计算刀具参考点的理想运动轨迹；(b)设定实际车削过程中，超精密车床上刀具与工件间的相对振动位置关系；(c)计算刀具参考点的实际运动轨迹；(d)将待仿真建模区域网格化，得到各个离散点；然后，根据刀具实际运动轨迹计算各离散点的切削相关位置，并由约束条件，保留其中的有效位置；最后计算各离散点的轮廓高度，取其与各离散点初始高度二者中的较小者，即可获得在刀具工件相对振动下的超精密端面车削表面形貌仿真模型。本发明方法考虑刀具工件轴向、周向和径向的相对振动，与现有技术相比能够更加准确地反映实际超精密端面车削表面的形貌特征。

技术领域

本发明属于超精密加工领域，更具体地，涉及一种考虑刀具工件相对振动的超精密端面车削表面建模方法，该方法考虑刀具工件相对振动，能够对超精密端面车削表面形貌进行仿真建模。

背景技术

近几十年来，各种先进制造技术随着科学技术水平的整体发展也获得了长足进步。超精密加工技术作为先进制造技术发展的重要领域，在产品的表面质量、加工精度以及加工可靠性等方面较之传统的车削加工方式都取得了极大的提升。在理想加工条件下，车削表面的表面质量是刀具轮廓、车削加工参数以及工件材料特性等因素综合作用的结果。但是在实际的加工过程中不可避免地存在着刀具与工件之间的相对振动。这类振动会在工件表面产生特定形状的纹理，严重影响工件的表面质量。超精密车床在加工过程中不可避免也存在这类振动，这将对其加工的精密光学元件的物理性能和使用寿命提出巨大的挑战。因此，一种能够精确描述刀具工件相对振动情况下超精密车削表面形貌的仿真建模方法显得尤为重要，这将为后续表面质量评价和振动溯源起到奠基作用。

为了解释车削工件表面质量的形成机制，并对表面质量进行有效地评价，国内外众多研究人员采用多种方法开展了广泛的研究工作，如回归分析法、有限元法和分子动力学模拟等。其中，基于切削理论和机床运动学的表面形貌建模方法因其具有精准直观的优势，目前被广泛应用于切削工件三维表面形貌的仿真预测和质量评定。虽然目前针对车削表面形貌仿真建模已经有较多的研究成果，但是在刀具与工件相对振动这方面往往简化为只考虑误差敏感方向的振动，而缺乏对振动误差完整的考量。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种考虑刀具工件相对振动的超精密端面车削表面建模方法，其中通过对方法的细节参量选取、整体方法的处理流程设计等进行改进，得到考虑刀具工件相对振动的超精密端面车削表面形貌仿真建模方法，例如可同时考虑刀具工件在径向、周向和轴向三个方向上的相对振动(当然也可以是其中任意1个或2个方向上的相对振动)，与现有技术相比能够有效解决现有针对超精密端面车削表面形貌的仿真建模仅考虑误差敏感方向的振动、缺乏对振动误差的全方位考量、所建立的模型精确度有待提高等的问题，能够更加准确地反映实际超精密端面车削表面的形貌特征。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种考虑刀具工件相对振动的超精密端面车削表面建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)选取金刚石刀具切削刃的顶点为切削刃参考点，根据预先选定的切削参数和预先设定的加工曲面计算刀具参考点的理想运动轨迹；

(b)设定在实际车削过程中，超精密车床上刀具与工件之间的相对振动位置关系；

(c)在所述步骤(a)得到的所述理想运动轨迹的基础上，结合所述步骤(b)中所述刀具与工件之间的相对振动位置关系，计算刀具参考点的实际运动轨迹；

(d)将超精密端面车削表面形貌仿真建模区域网格化，得到各个离散点；然后，根据所述步骤(c)得到的所述刀具参考点的实际运动轨迹，计算各离散点的切削相关位置；接着，以预先设定的切削刃半径作为约束条件，保留满足所述约束条件的对各离散点有效的切削相关位置；然后计算各离散点的轮廓高度，并将其与各离散点所对应的未加工状态下的初始高度进行比较，取二者中的较小者作为实际轮廓高度，即可获得在刀具工件相对振动下的超精密端面车削表面形貌仿真模型。