章少劍, 熊智文, 董增文

(南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 江西 南昌 330031)

超精密加工技術(shù)(ultra-precision machining technology)是20世紀(jì)60年代為了滿足大規(guī)模集成電路、核能、激光、航天和國(guó)防等尖端科技的需求而發(fā)展起來(lái)的高精密機(jī)械加工技術(shù)[1],該技術(shù)的加工形狀精度可達(dá)亞微米級(jí)(<0.1 μm),表面粗糙度可達(dá)納米級(jí)(<10 nm)[2]。超精密加工技術(shù)不僅應(yīng)用于國(guó)防和航天等領(lǐng)域外,而且還廣泛地應(yīng)用于民用領(lǐng)域,如生物醫(yī)療、光電、通信、照明等[3]。相比于其他先進(jìn)制造技術(shù),該技術(shù)具有加工效率高、成本低、精度高等不可媲美的優(yōu)點(diǎn)而廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代制造業(yè)[1-6]。隨著科技飛速地發(fā)展,超精密加工技術(shù)正朝著高效、極致的方向發(fā)展[1]。未來(lái),超精密加工技術(shù)基礎(chǔ)研究將進(jìn)一步發(fā)展,將推動(dòng)納米級(jí)加工走向分子級(jí)加工(制造3.0)[7]。該技術(shù)現(xiàn)已成為衡量國(guó)家先進(jìn)制造水平與能力的重要標(biāo)志之一[8-10]。

目前,我國(guó)的超精密加工技術(shù)正得到大力發(fā)展,正在向著納米級(jí)精度邁進(jìn)[7]。這樣加快我們國(guó)家制造業(yè)向高新產(chǎn)業(yè)、智能制造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型,將能使我國(guó)從傳統(tǒng)制造大國(guó)向現(xiàn)代制造強(qiáng)國(guó)跨躍,推動(dòng)中國(guó)制造2025[11]快速崛起。但是,我們國(guó)家的超精密加工技術(shù)起步較晚[1],相比于發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)展規(guī)模和應(yīng)用技術(shù)水平仍有較大的差距[12]。

目前,高等工程學(xué)科通常采用理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)方法,探索其理論與應(yīng)用知識(shí)[12]。高等工程學(xué)科教育中,實(shí)驗(yàn)教學(xué)既是重要環(huán)節(jié),也是重要手段[12-13]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)既有利于鞏固學(xué)生的所學(xué)知識(shí),又有利于增強(qiáng)學(xué)生的認(rèn)知能力與理解能力；既有利于培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力,又有利于提高學(xué)生的分析問(wèn)題、解決問(wèn)題及獨(dú)立思考的能力[14-16]。然而,相比于傳統(tǒng)加工設(shè)備,超精密加工設(shè)備是屬于高端制造裝備,其價(jià)格昂貴、數(shù)量稀少而且維護(hù)使用成本高,這將使面向眾多本科生開設(shè)超精密加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)嚴(yán)重受限與不足。虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法將有助于增強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)知與理解[17]。同時(shí),超精密加工的表面生成是極其復(fù)雜、抽象，且不宜理解，因此將表面生成技術(shù)的仿真應(yīng)用于超精密加工技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué),可以幫助學(xué)生形象地、直觀地理解超精密加工表面生成機(jī)理及其加工參數(shù)對(duì)表面生成影響的機(jī)制。

1 表面生成技術(shù)

1.1 車削建模方法

如圖1(a)所示,該機(jī)床為超精密兩軸車削機(jī)床(Nanoform 200, Precitech Inc., USA)[18],包括X軸和Z軸,其中主軸安裝于X軸上,金剛石刀具安裝于Z軸上,所使用的刀具材料為天然單晶金剛石。加工過(guò)程中,工件通過(guò)真空吸盤吸附在主軸上而隨同主軸轉(zhuǎn)動(dòng),加工參數(shù)包括切削深度doc,進(jìn)給速度f(wàn)r,主軸轉(zhuǎn)速,刀具刀尖圓弧半徑r?；谠摮軝C(jī)床,建立超精密車削表面生成幾何關(guān)系模型,用于仿真該車削表面形貌。

圖1 超精密加工車削表面生成建模

在超精密車削建模中作如下理想假設(shè)：正交切削,工件材料各向同性,且被幾何地切除。在正面車削過(guò)程(見圖2(b))中,表面形貌是由刀具跟隨刀具軌跡去除表面材料而形成的輪廓表面,其可分解成兩部分：(1)刀具軌跡,由刀具進(jìn)給和主軸轉(zhuǎn)動(dòng)合成的輪廓(見圖1(b))；(2)徑向表面輪廓,即刀具輪廓(見圖1(c))。

圖1(b)中,基于極坐標(biāo)系(θ,ρ,Z),刀具軌跡(刀具進(jìn)給和主軸轉(zhuǎn)動(dòng)合成的輪廓)數(shù)學(xué)模型為

A(θ(t),ρ(t),Z(t))=A(2πωt,frt,Z(t))

(1)

其中,Z(t)為刀具軌跡軸向坐標(biāo)值,θ(t)=2πωt，為主軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度,ρ(t)=frt刀具進(jìn)給量,t為切削時(shí)間。

圖1(c)中,基于極坐標(biāo)系(θ,ρ,Z),徑向表面輪廓(刀具輪廓)數(shù)學(xué)模型為

z=r(1-cosα)

(2)

1.2 飛刀銑削建模方法

如圖2(a)所示,該機(jī)床為超精密五軸飛刀銑削機(jī)床(Freeform 705G, Precitech Inc., USA)[19],包括X軸、Y軸、Z軸、C軸和B軸,其中金剛石刀具裝卡于銑削主軸上,銑削主軸安裝于C軸上,C軸固定于Y軸上,Y軸立于X軸上,且B軸安裝于Z軸上,所使用的刀具材料為天然單晶金剛石。加工過(guò)程中,工件裝嵌于B軸上。加工參數(shù)包括切削深度doc、進(jìn)給速度f(wàn)r、主軸轉(zhuǎn)速、刀具圓弧半徑r、刀具飛削半徑R、步進(jìn)長(zhǎng)sr?；谠摮軝C(jī)床建立超精密銑削表面生成幾何關(guān)系模型,用于仿真該銑削表面形貌。

圖2 超精密飛刀銑削表面生成建模

在超精密銑削建模中作如下理想假設(shè)：正交切削,工件材料各向同性,且被幾何地切除。在正面銑削過(guò)程(見圖2(b))中,表面形貌由刀具旋轉(zhuǎn)隨同刀具軌跡而切除表面材料,進(jìn)而形成的輪廓表面,其可分解成兩部分：(1)刀具旋轉(zhuǎn)隨同主軸進(jìn)給的軌跡,由刀具轉(zhuǎn)動(dòng)和主軸進(jìn)給合成的輪廓(見圖2(c))；(2)步進(jìn)方向的輪廓,即刀具輪廓(見圖2(d))。

在圖2(c)中,基于笛卡爾坐標(biāo)系(X,Y,Z),考慮到主軸進(jìn)給速度相對(duì)于刀具旋轉(zhuǎn)速度非常小,可不考慮主軸進(jìn)給速度的影響,故刀具旋轉(zhuǎn)隨同主軸進(jìn)給的軌跡(刀具轉(zhuǎn)動(dòng)和主軸進(jìn)給合成的輪廓)數(shù)學(xué)模型為

z=R(1-cos(±α))

(3)

在圖2(d)中,基于笛卡爾坐標(biāo)系(X,Y,Z),步進(jìn)方向的輪廓(刀具輪廓)數(shù)學(xué)模型為

z3=r(1-cosβ1)和z4=r(1-cosβ2)

(4)

其中,z3和z4由公式(3)確定，

2 表面生成仿真與實(shí)驗(yàn)

基于超精密兩軸車削機(jī)床(Nanoform 200),根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型(公式(1)和(2)),開發(fā)相應(yīng)的計(jì)算機(jī)算法與代碼,為學(xué)生提供超精密車削表面生成仿真。以該組加工參數(shù)(切削深度doc=5 μm、進(jìn)給速度f(wàn)r=73.5 mm/min、主軸轉(zhuǎn)速=2 000 r/min及刀具刀尖圓弧半徑r=0.901 mm)為例,進(jìn)行超精密加工車削表面生成仿真。同時(shí),結(jié)合在該車削機(jī)床上進(jìn)行相同加工參數(shù)車削加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中,刀具材料為單晶金剛石,工件材料為純銅。該車削表面經(jīng)酒精清洗后,通過(guò)白光干涉儀(WYKO NT8000)測(cè)量。該仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

基于超精密飛刀銑車削機(jī)床(Freeform 705G),根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型(公式(3)和(4)),開發(fā)相應(yīng)的計(jì)算機(jī)算法與代碼,為學(xué)生提供超精密飛刀銑削表面生成仿真。以該組加工參數(shù)：切削深度doc=0.005 mm,進(jìn)給速度f(wàn)r=300 mm/min,主軸轉(zhuǎn)速=2 000 r/min,刀具圓弧半徑r=1.921 mm,刀具飛削半徑R=21.35 mm,步進(jìn)長(zhǎng)sr=0.025 mm為例,進(jìn)行超精密加工飛刀銑削表面生成仿真。同時(shí)在該銑削機(jī)床上進(jìn)行相同加工參數(shù)銑削加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中,刀具材料為單晶金剛石，工件材料為純銅。該銑削表面經(jīng)酒精清洗后,通過(guò)白光干涉儀(WYKO NT8000)測(cè)量。該仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖3 超精密車削表面生成形貌

圖4 超精密飛刀銑削表面生成形貌

仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

(1) 該仿真表面很好地反映了加工表面形貌特征,這將有利于減少超精密加工實(shí)驗(yàn)數(shù)量,這也將有利于學(xué)生形象地、具體地理解超精密加工車銑表面生成機(jī)理；

(2) 通過(guò)該仿真算法改變加工參數(shù)量,這將有利于學(xué)生更深入理解加工參數(shù)對(duì)表面生成影響的機(jī)制；

(3) 仿真與實(shí)驗(yàn)表面形貌高度差異性反應(yīng)了超精密加工車銑過(guò)程中,如材料回彈、振動(dòng)等眾多影響因素也將影響表面生成機(jī)制,這將有利于增強(qiáng)學(xué)生分析問(wèn)題及解決問(wèn)題的能力；

(4) 該表面生成仿真建模過(guò)程將能加深學(xué)生理解表面生成機(jī)理及加工參數(shù)對(duì)表面生成影響的機(jī)制，這將更好地開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新型思維,提高學(xué)生著手探索科學(xué)問(wèn)題的能力及培養(yǎng)學(xué)生科研興趣。

3 結(jié)語(yǔ)

利用表面生成技術(shù),在超精密加工中建立表面生成模型并進(jìn)行表面生成仿真,可以直觀地展示超精密加工表面生成機(jī)理及影響機(jī)制。構(gòu)建的超精密加工表面生成仿真,可以更好地解決超精密加工表面生成的抽象性和表面形貌特效的平面化問(wèn)題,對(duì)學(xué)生理解超精密加工表面生成機(jī)理及影響機(jī)制有更好的指導(dǎo)作用。