外文翻译-一种基于表面生成仿真的新型机床设计方法及其在飞切机床上的实现.docx

先进制造技术（2015）80:829837Doi：10.1007/s00170-015-7058-6原创文章一种基于表面生成仿真的新型机床设计方法及其在飞切机床上的实现作者：陈万群、陆丽华、杨凯、霍登红、苏浩、张庆春哈尔滨工业大学，精密工程中心，哈尔滨150001，中国陆军航空研究所，北京101123，中国机械与系统工程学院，纽卡斯尔大学，纽卡斯尔NE1 7RU，英国收到：2014年11月10日 /接受：2015年3月18日 /出版：2015年4月7日施普林格出版社 伦敦2015年摘要本文提出了一种基于表面生成仿真的方法和评估的新型的机床设计方法。针对机床实现表面形貌预测的性能，这种机床的设计方法在机床性能与表面形貌生成之间建立的联系。文章对影响多尺度下表面生成的主要因素进行了讨论，并采用不同的方法进行建模。此外，通过对早期机床设计阶段的测试软件的介绍，对比了表面生成指标的仿真结果与设计要求之间的差异，可以指明机床参数优化设计的方向，如直线度和动态性能。采用这种方法进行了超精密飞切机床的设计，并且通过加工试验对该方法与仿真进行了评测。关键词 多尺度表面仿真、表面检验、超精密机床、设计方法、飞切1、简介为了应对能源危机，许多国家如美国，法国，英国，日本和中国都对激光惯性聚变（LIF）等进行了研究。在LIF系统中，低能量束在前置放大器的放大模块，然后经过功率放大器，主放大器，并再次通过开关站和进入内室中的波束运行之前的功率放大器实现核聚变。在该系统中，磷酸二氢钾（KDP）的结晶是关键的光学元件，被广泛用作谐波变频器的光路，并能实现倍频和光开关1，2。在LIF系统，大量KDP的迫切需要处理晶体的严格要求。在微观尺度，它需要的表面粗糙度Ra值是在曲样长度0.010.12毫米范围内小于3纳米的值，而在宏观来看，它要求均方根（RMS）表面粗糙度不超过4.2纳米，功率谱密度（PSD）大于15平方纳米，0.12约2.5毫米的范围。该上述说明书中被命名为PSD2，而较小于6.4纳米和PSD在RMS范围超过15平方纳米，2.533 毫米命名为PSD1。此外，一均方根梯度（GRMS）超过11纳米/厘米最好需要在超过33毫米的范围内3。然而，KDP水晶是吸湿性，对热敏感，使传统的研磨和抛光的方法不适用于处理这种材料。一个可行的方法达到所需表面质量就是超精密快速切削4。因此，它用于KDP晶体专门超精密加工机床加工迫切需要研制。 以往几年来，超精密快速切削两代机床已经在我们的实验室设计和建造5-7。然而，这种机器的开发仍处于过去的设计经验的萌芽阶段。机床的设计规范缺乏通用的科学方法和定量分析，这会导致增加不可避免的开发成本和时间。在本文中，提出了一种新型的表面生成模拟和评价的设计方法的机床。表面生成的预测已经吸引了很多研究者的兴趣8-11。这些研究的目的是要准确地预测加工表面，但没有为机床设计提供指导。试图提供一个更好地了解表面生成与机器之间关系刀具设计的方法。在表面生成的机床性能影响的基础上，测试软件是引入到机器早期评估表面预测模具设计阶段，并提供了测定机床的设计指标性能的理论依据。这种方法使得机床设计以有效和高效的方式，确保了产品构件表面完成了设计的机床满足功能要求。 虚拟设备 主轴转速 切削动力性能深度 测试 预言 参数是否 三维设计 目标 干涉仪粗糙度 平直度粗糙度波纹度平面度粗糙度矩阵实验室/有限元分析 机床矩阵实验室图1、产生的表面轮廓模拟和基于评估机床的设计方法长度 振幅 振幅 振幅 振幅图2、四个典型形状直线均方根梯度值 直线度的振幅 波长图3、滑动直线形状和在均方根梯度上幅度的影响2、表面生成的仿真和基于评估机床的设计方法基于表面产生模拟的设计方法的概况和评估见图1，机床设计的第一步是配置设计，随后的步骤是设计规格的初始确定，那么这些设计规格，就是在滑动和机床的动态性能的直线来预测多尺度的表面形态。在设计阶段使用的测试软件，以检测在不同尺度的预测表面形态。测试结果与对产品的要求相比较，如果测试结果满足加工要求，可以根据原型进行模拟.再根据使用的设计规格制造，设计规格应修改直到测试结果满足以下部分的描述，提出设计方法的详细信息，用于KDP晶体加工的新一代专业超精密机床的设计加工方法。3、专门用于KDP晶体加工设计的超精密机床新一代机床的结构类型设计与第一二代如图1，一种支撑垂直轴的主轴和转刀在一个水平轴滑动。安装到横向滑动的是真空卡盘夹紧工件。要加工的表面位于一个水平平面内。根据KDP晶体加工要求，均方根梯度和功率谱密度目标都难以实现，由于大的评估间隔。因此，本研究主要集中在这两个指标来设计机床。3.1设计考虑均方根梯度目标的机床考虑到机床的结构类型和运动链，它可以指出，该加工面的均方根梯度受滑动的平直度和机床的动态刚度的影响。目前，滑动的平直度是由刮削和抛光工艺实现，这是难以通过接近的形式表达出来描述的直线形状，但是基本的形状是正弦波状的曲线。为了定量分析对均方根梯度的影响，平直度，直线度由方程描述见（1）12，13： 其中A是直线的振幅而T是波长的功能。图2表示出了四个典型形状的平直度。在滑动的整个长度，它们具有半分别两个时期。为了评价对均方根梯度滑动平直的形状和振幅的影响，模拟的四个典型的直线形状，依据振幅不同的方式实施。图3表示出了具有直线形状和振幅的趋势变化。可以注意到，该均方根梯度随波长的减小而增加，并且分别增加幅度。与平直的波长尤其是在具有较高的直线度振幅的均方根梯度更有显著效果。这是因为均方根梯度主要受波状起伏梯度和分布密度的影响。相同的波长，当振幅增大，分布密度没有变化，与波状起伏梯度只是略有改变，所以均方根梯度有轻微增加。而相同的幅度下，波长梯度增加及减小，且分布密度的改变，导致均方根梯度产生大的变化。 切削方向 进给方向 直线度图4、切割过程的示意图 低频快速切削角度 高频输出 输入 有限元模型长度 频率 震级大小切削力 振幅 图5、机床的动态性能在加工表面上的影响这种趋势表明，在滑动设计，重点不仅应放在直线的振幅，还有平直的形状。当降低了直线的振幅，波长应该尽可能长时间地增加。在图中所示的直线的形状。a是滑盖设计的最佳形状。如图4所示，造成直线与加工表面的大周期起伏组合轮廓影响的是加工表面的均方根梯度。下面将讨论机床的动态性能的波状起伏的影响。为了了解在加工表面上的机床动态性能的影响，一个专为机床设计的准确的有限元模型见图1。输入是周期性地中断切削力，输出是工具，它会在表面形成波状起伏的振动。波状起伏和动态性能的周期之间的关系可以用14来表示， 其中d表示浮动磁头（D =630毫米）的直径，n0表示主轴速度（n0= 300转），表示在切割工艺（= 0），TD表示切线方向的最大角度垂直条纹的周期，N表示机床的固有频率。根据（2）中，固有频率小于300赫兹，TD要超过33毫米，这会影响均方根梯度，被称为低级别的频率。而固有频率大于300赫兹，TD小于33毫米从而影响功率谱密度，被称为低级别的频率。图6、工件的表面模拟 斜率波动值 填充图干涉仪干涉仪功率有效值光伏有效值峰值波动值波动值波动值 图7、表面模拟的测试结果 图5b显示出了机床的动态性能，在靠近机床的固有频率的频率范围内，动态刚度大大减小，这影响了切削工具和工件，从而导致在切削方向上的波状起伏之间的相对位移的增加。图5c显示出了周期性断续切削力的作用下的切割工具和工件之间的相对位移。以及刀具所造成的自然频率下的机床的振动工件之间的相对位移。可以注意的是，低级别的固有频率下的响应具有超过33毫米的长波长，振幅较大，这会影响到高层次的固有频率下的均方根梯度，应具有短波长不超过33毫米的小振幅，这也将影响功率谱密度。图6显示出了仿真的表面，滑动的直线度和所造成的机床的动态性能的波状起伏。在该模拟中，直线形状如图2b，并且值是0.01微米/ 420毫米。动态性能如图5所示。所得的模拟结果被转换成能够由测试软件读取的格式。图7显示出图1的测试结果。它表明模拟表面的均方根梯度，值为3.55毫米/厘米。3.2、设计考虑功率谱密度目标的机床在上面的分析，我们分析了均方根梯度平直度的影响，并且发现，相同的幅度下，如图的平直形状。图2a是最好的。因此，在该研究中，被选择的直线的形状，如图2a所示，其振幅被判定为0.01微米/ 420毫米。根据目前的技术水平，下面显示的均方根梯度和功率谱密度对机床动态性能的影响。图8显示出的趋势与机床的低水平频率的动态性能。为了测试目标均方根梯度，低通滤波器的使用量和高通频率是0.0303毫米。从图8a可以发现，当波长小于33毫米时，这不是在均方根梯度的评估间隔，通过高通滤波器滤掉，所以它只能对其少许影响。当波长接近33毫米，它进入均方根梯度的评估间隔，并且具有最大的分布密度。因此，均方根梯度达到最大值。与波状起伏的波长进一步增加，分布密度逐渐减小，因此，均方根梯度冲击减弱并出现下降的趋势。在图8b，它表明，当机床的低水平频率低于66赫兹，以满足均方根梯度的要求，它需要不超过75纳米的较大的响应值。当机床的低水平频率低于99赫兹，以满足它的要求，它需要不大于55纳米大的响应值。当机床的低水平频率低于198赫兹，以满足其的要求，它需要不超过32纳米的较大的响应值。它表明，与机床的低水平频率接近300赫兹，响应值的要求变得不太显著。这表示，在机器设计过程中，设计师不能一味盲目追求提高机器的低层次的频率，也应充分考虑的频率响应和幅度之间的关系，以达到满意度。 波长振幅不合格 合格 波长 振幅 合格不合格均方根梯度值图8、机床在均方根梯度上动态性能的影响 振幅 频率 不合格 合格 振幅不合格 合格 有效值 波长 图9、机床功率谱密度的动态性能的影响 图9a表示出了机床的功率谱密度的高级别频率的影响。为了得到功率谱密度的目标，带通滤波器被使用，通频率是在0.4和0.0303毫米之间。这表明，它评估间隔的波长不对功率谱密度有轻微影响。它主要受起伏的振幅的影响，并用于评估间隔的起伏幅度。考虑到评估间隔从300到4000赫兹，它是难以避免机床在该区域的高级别频率，而在评估间隔，频率对功率谱密度有轻微的影响。因此，在本次设计过程中，有没有优化机床的高级别的频率，但应充分考虑动态响应的幅度。图9b显示出了合格的功率谱密度，最大幅值应小于17纳米。 频率位置 值 偏差 图10、机床和它的性能,a、新一代快速切削机床; b、滑动件的直线;c、机床的动态响应 斜率 填充图干涉仪干涉仪 斜向视图 有效值 峰值 图11、在均方根梯度上的的测试结果4、机床的设计和试验机图10a显示了超精密机床所提议的方法和KDP晶体由该机床加工而设计的。图10b显示出了在工作长度小于0.01微米的滑动的直线。图10c显示出了机床的动态响应，并且它指出，该机床在低水平频率的固有频率是在该区域从100到300赫兹振幅小于30nm，而在高级别频率，振幅小于10nm。根据上面的分析，该机床的动态性能能满足加工要求。加工试验是在超精密快速切削机床，其性能在模拟模型时，验证模型和模拟进行表现。以下加工参数在处理实验中使用的：为15m切削深度，进料的60微米/ s的速率和390转/分的主轴旋转速度，5毫米刀尖半径，-25工具前角和8前间隙角。实验结果是由3D表面粗糙测试仪检查，（Veeco公司计量集团，圣巴巴拉，CA，USA），其中有500毫米垂直测量范围和3处垂直分辨率。测试结果由软件干涉仪读取。测量结果与尖端，倾斜和活塞见图11，12和13，从图11可以看出，该加工面的均方根梯度是0.017 WV /厘米（10.76毫米/厘米），这小于产品要求（11纳米/厘米）。图12示显示出的加工表面的粗糙度是3.8纳米。图13显示出，该功率谱密度是以下不超过线的部分。测试结果分析和仿真结果，验证了仿真模型的有效性和可靠性以及良好的一致性。 表面波形图纳米纳米波动值纳米纳米 Y值 X值 功率 有效值 光伏 干涉仪波动值 图12、在功率谱密度上测试RMS的结果不超线绘制的是功率谱密度 空间频率 图13、在功率谱密度上测试PSD的结果5、结论本文提出了一种基于表面仿真和评估的新型机床的设计方法。用这种设计方法来设计一种超精密快速切削机床对KDP晶体进行加工。以下结论可以得出。 (1)所提出的设计方法连接表面形状的预测和由早期机床设计阶段引入测试软件的机床设计之间的差距。模拟表面提供机器参数化设计的信息。它可以定量地分析的机器性能指标，如直线，动态刚度，并在表面形状的固有振动频率的影响，并提供对于进一步设计更好理解的超精密机器的性能。 (2)对于快速切削机床的滑动直线设计，平直的波长设计时间应该尽可能长和幅度尽可能小。 (3)为了得到满意的均方根梯度，在机器设计过程中，设计师不应该一味追求提高机器的水平低的频率，也应充分考虑的频率响应和幅度之间的关系。(4)为了满足功率谱密度，在机器设计过程中，有没有优化机床的高级别的频率的意义，应充分考虑的动态响应的振幅，和最大振幅水平频率应小于17纳米。(5)这些实验测试评估和验证，所提出的设计方法是优化的快速切削机床从而提高作战性能的设计有效性和高效率。它表明，该设计方法可被用作从动态来看，这也成为能够高效且有效地优化机器设计配套的完整的设计过程的有力工具。致谢 作者非常感谢中国国家自然科学基金（51105112）的资助。利益冲突 作者宣称没有利益冲突。参考文献：1. Painsner JA, Boyes JD, Kuopen SA (1994) National ignition facility.Laser Focus World30(5):752. Negres RA, Kucheyev SO, Mange PD, Bostedt C, Buuren TV,Nelson AJ, Demos SG (2005) Stoichiometric changes to KH2PO4 during laser-induced breakdown. Proc SPIE 5607:3063. SpaethML, Manes KR,Widmayer CC (2004) The national ignition facility wavefront requirements and optical architecture. Opt Eng 43:285428654. Baruch AF, Hed PP, Baker PC (1986) Fine diamond turning of KDP crystals. Appl Opt 25:173317535. An CH, Zhang Y, Xu Q, Zhang FH (2010) Modeling of dynamic characteristic of the aerostatic bearing spindle in an ultra-precision fly cutting machine. Int J Mach Tools Manuf 50(4):3743856. Liang YC, Chen WQ, Sun YZ, Chen GD, Wang T, Sun Y (2012) Dynamic design approach of an ultra-precision machine tool used for optical parts machining. Proc IME B J Eng Manuf 226(11):193019367. Liang YC, ChenWQ, Bai QS, Sun YZ, Chen GD, Zhang Q, Sun Y (2013) Design and dynamic optimization of an ultraprecision diamond fly cutting machine tool for large KDP crystal machining. Int J Adv Manuf Technol. doi:10.1007/s00170-013-5020-z8. Cheung CF, Lee WB (2000) Modeling and simulation of surface topography in ultra-precision diamond turning. Proc Inst Mech Eng B J Eng Manuf 214(6):4634809. Sun XZ, Cheng K (2010)Multi-scale simulation of the nano-metric cutting process. Int J Adv Manuf Technol 47(9):89190110. Zhou L, Cheng K (2009) Dynamic cutting process modelling and its impact on the generation of surface topography and texture in nano/micro cutting. Proc IME B J Eng Manuf 223(3):24726511. Luo X, Cheng K,Ward R (2005) The effects of machining process variables and tooling characterisation on the surface generation. Int J Adv Manuf Technol 25:1089109712. Wang ZW, Zhao WH, Chen YL, Lu BH (2013) Prediction of the effect of speed on motion errors in hydrostatic guideways. Int J Mach Tools Manuf 64:788413. Xue F, Zhao WH, Chen YL, Wang ZW (2012) Research on error averaging effect of hydrostatic guideways. Precis Eng 36(1):849014. Liang YC, Chen WQ, Bai QS et al (2013) Design and dynamic optimization of an ultraprecision diamond flycutting machine tool for large KDP crystal machining. Int J Adv ManufTechnol 69(14):237244