基于C_LVDT的金刚石刀具圆弧波纹度在位检测技术研究

发布时间：2019-11-06 10:31

【摘要】：天然金刚石刀具广泛应用于超精密切削加工,在超光滑表面加工中具有独特的优势,加工表面粗糙度可达数个纳米。在高精度表面加工中,刀尖圆弧波纹度是决定表面质量的关键因素之一。因此,需要严格控制刀尖圆弧波纹度误差。根据目前国内外研究现状,尚未有关于高精度金刚石刀具刀尖圆弧波纹度的精密在位检测技术的研究,不能实现加工过程中对刀尖圆弧波纹度的在位检测。因此,本文对金刚石刀具在位检测技术进行研究,提出了一套高精度的金刚石刀具在位检测系统。首先,本文利用金刚石刀具研磨过程中刀尖圆弧圆心与研磨机床摆轴回转中心重合的特点,建立了基于C_LVDT电容位移传感器的金刚石刀具圆弧波纹度在位检测系统,完成了检测系统硬件、软件设计,初步分析了检测系统的精度。在分析传统最小二乘圆法进行短圆弧拟合局限性的基础上,改进了最小二乘圆法的寻优过程并提出了基于数理统计的最小二乘圆法,能够有效抑制短圆弧拟合结果的偏心现象。设计了金刚石刀具圆弧波纹度在位检测及评价软件,能够实现圆弧波纹度的在位检测与即时评价,减少了后续数据处理的工作量。其次,本文通过理论建模分析了金刚石探针曲率半径、棱边锥角以及被测表面粗糙度、短波长误差信号对圆弧波纹度测量精度的影响。利用Matlab软件建立了金刚石探针的测量计算模型,仿真计算探针测量光滑正弦表面、带有粗糙度、小尺度波纹的正弦表面、由AFM检测获得的金刚石刀具后刀面横截面真实轮廓的测量结果。对模拟测量数据进行频谱分析,探究了探针曲率半径、棱边锥角大小、以及后刀面粗糙度周期性、小尺度波纹峰谷值对圆弧波纹度测量精度的影响。设计了金刚石探针模拟测量软件,为后续金刚石刀具圆弧波纹度检测实验的金刚石探针选择提供了理论依据。再次,本文通过分析研磨机床摆轴回转运动特征及传统轴系回转误差分离手段,提出了多点双向法摆轴回转误差分离模型。定量分析了标准球安装偏心,传感器相对标准球赤道面安装偏差对摆轴回转误差分离精度的影响,讨论了摆轴径向回转误差的独立性及通过滤一次谐波消除标准球安装偏心误差的可行性。搭建了金刚石刀具研磨机床摆轴回转误差检测系统,编写了金刚石刀具研磨机床摆轴回转误差检测系统控制软件,利用最小二乘圆法评价由反向法、多点双向法分离所得的摆轴回转误差、标准球圆度误差。为后续修正金刚石刀具圆弧波纹度在位检测结果提供了技术依托。最后,本文利用设计的检测系统对金刚石刀具圆弧波纹度进行了在位检测实验,包括金刚石探针的设计与制备、研磨机床摆轴回转误差的检定与校核、金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测与评价。通过基于触针式轮廓仪和半径波幅测量仪的对比实验,验证了系统的可行性和精度等级。实验结果表明,本文建立的金刚石刀具圆弧波纹度在位检测技术切实可靠。
【图文】：

零件图,超精密车削,零件

第 1 章绪论来源及研究的背景和意义题来源来源于工信部“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重金刚石刀具数控刃磨机床研制及其刃磨工艺研究。题背景防建设、经济发展以及人民日常生活都与机械制造业息息相平的提高和国防建设的大力发展，各相关领域已对机械制造较于传统切削加工，超精密切削以其加工表面精度高、加工工序简易等优势在国防建设和电子科技等领域得到了十分重前状况下各国竞争的激烈程度，超精密加工技术发展水平高国家是否为制造业强国的重要标准。目前利用该加工技术已精度的光学零件，如图 1-1 所示。

金刚石刀具,波纹度,圆弧

图 1-2 基于 SEM 的金刚石刀具圆弧波纹度测量[15]，SEM 测量时要求样品导电，并在真空环境下进行，，需要将刀卸下来，进行喷金处理，喷金厚度和静电荷会对测量结果产生一在位测量[24]。原子力显微镜测量法（AFM 法）近年来，基于原子力显微面微观形貌检测受到了众多学者的关注。哈尔滨工业大学孙涛子力显微镜的刃口三坐标检测系统，检测精度最高可达 20nm[2金刚石刃口钝圆半径检测精度需求。在借鉴哈尔滨工业大学相上，中国工程物理研究院张晓峰等人提出了基于原子力显微镜测方法，建立了一种新型的检测系统，该系统以 AFM 为主要精密回转气浮轴系和驱动系统，实现了圆弧刃金刚石刀具在刃微小进给，在刀具一次装夹的情况下可完成刃口部位的多点扫口检测[24]。为了解决 AFM 探针纵向扫描范围小的问题，岳晓斌力扫描系统和精密回转轴系实现了对金刚石刀具表面微观形貌滨精密工程研究所将便携式原子力显微镜与国产金刚石刀具研
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG71

【参考文献】