外文翻譯-一種基于表面生成仿真的新型機床設(shè)計方法及其在飛切機床上的實現(xiàn)

1、<p>　　先進制造技術(shù)（2015）80:829–837</p><p>　　Doi：10.1007/s00170-015-7058-6</p><p><b>　　原創(chuàng)文章</b></p><p>　　一種基于表面生成仿真的新型機床設(shè)計方法及其在飛切機床上的實現(xiàn)</p><p>　　作者：陳萬群、陸麗華、楊凱

2、、霍登紅、蘇浩、張慶春</p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)，精密工程中心，哈爾濱150001，中國</p><p>　　陸軍航空研究所，北京101123，中國</p><p>　　機械與系統(tǒng)工程學(xué)院，紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)，紐卡斯?fàn)朜E1 7RU，英國</p><p>　　收到：2014年11月10日 /接受：2015年3月18日 /出版：2015年4

3、月7日</p><p>　　施普林格出版社 倫敦2015年</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文提出了一種基于表面生成仿真的方法和評估的新型的機床設(shè)計方法。針對機床實現(xiàn)表面形貌預(yù)測的性能，這種機床的設(shè)計方法在機床性能與表面形貌生成之間建立的聯(lián)系。文章對影響多尺度下表面生成的主要因素進行了討論，并采用不同的方法進行建

4、模。此外，通過對早期機床設(shè)計階段的測試軟件的介紹，對比了表面生成指標(biāo)的仿真結(jié)果與設(shè)計要求之間的差異，可以指明機床參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的方向，如直線度和動態(tài)性能。采用這種方法進行了超精密飛切機床的設(shè)計，并且通過加工試驗對該方法與仿真進行了評測。</p><p><b>　　關(guān)鍵詞</b></p><p>　　多尺度表面仿真、表面檢驗、超精密機床、設(shè)計方法、飛切</p>

5、;<p><b>　　1、簡介</b></p><p>　　為了應(yīng)對能源危機，許多國家如美國，法國，英國，日本和中國都對激光慣性聚變（LIF）等進行了研究。在LIF系統(tǒng)中，低能量束在前置放大器的放大模塊，然后經(jīng)過功率放大器，主放大器，并再次通過開關(guān)站和進入內(nèi)室中的波束運行之前的功率放大器實現(xiàn)核聚變。在該系統(tǒng)中，磷酸二氫鉀（KDP）的結(jié)晶是關(guān)鍵的光學(xué)元件，被廣泛用作諧波變頻器的光

6、路，并能實現(xiàn)倍頻和光開關(guān)[1，2]。在LIF系統(tǒng)，大量KDP的迫切需要處理晶體的嚴(yán)格要求。在微觀尺度，它需要的表面粗糙度Ra值是在曲樣長度0.01?0.12毫米范圍內(nèi)小于3納米的值，而在宏觀來看，它要求均方根（RMS）表面粗糙度不超過4.2納米，功率譜密度（PSD）大于15平方納米，0.12約2.5毫米的范圍。該上述說明書中被命名為PSD2，而較小于6.4納米和PSD在RMS范圍超過15平方納米，2.5?33 毫米命名為PSD1。此外，

7、一均方根梯度（GRMS）超過11納米/厘米最好需要在超過33毫米的范圍內(nèi)[3]。然而，KDP水晶是吸濕性，對熱敏感，使傳統(tǒng)的研磨和拋光的方法不適用于處理這種材料。一個可行的方法達到所需表面質(zhì)量就是超精密快速切削[4]。因此，它用于KDP晶體</p><p>　　圖1、產(chǎn)生的表面輪廓模擬和基于評估機床的設(shè)計方法</p><p>　　圖2、四個典型形狀直線</p><p&g

8、t;　　圖3、滑動直線形狀和在均方根梯度上幅度的影響</p><p>　　2、表面生成的仿真和基于評估機床的設(shè)計方法</p><p>　　基于表面產(chǎn)生模擬的設(shè)計方法的概況和評估見圖1，機床設(shè)計的第一步是配置設(shè)計，隨后的步驟是設(shè)計規(guī)格的初始確定，那么這些設(shè)計規(guī)格，就是在滑動和機床的動態(tài)性能的直線來預(yù)測多尺度的表面形態(tài)。在設(shè)計階段使用的測試軟件，以檢測在不同尺度的預(yù)測表面形態(tài)。測試結(jié)果與對產(chǎn)品

9、的要求相比較，如果測試結(jié)果滿足加工要求，可以根據(jù)原型進行模擬.再根據(jù)使用的設(shè)計規(guī)格制造，設(shè)計規(guī)格應(yīng)修改直到測試結(jié)果滿足以下部分的描述，提出設(shè)計方法的詳細信息，用于KDP晶體加工的新一代專業(yè)超精密機床的設(shè)計加工方法。</p><p>　　3、專門用于KDP晶體加工設(shè)計的超精密機床</p><p>　　新一代機床的結(jié)構(gòu)類型設(shè)計與第一二代如圖1，一種支撐垂直軸的主軸和轉(zhuǎn)刀在一個水平軸滑動。安裝到

10、橫向滑動的是真空卡盤夾緊工件。要加工的表面位于一個水平平面內(nèi)。根據(jù)KDP晶體加工要求，均方根梯度和功率譜密度目標(biāo)都難以實現(xiàn)，由于大的評估間隔。因此，本研究主要集中在這兩個指標(biāo)來設(shè)計機床。</p><p>　　3.1設(shè)計考慮均方根梯度目標(biāo)的機床</p><p>　　考慮到機床的結(jié)構(gòu)類型和運動鏈，它可以指出，該加工面的均方根梯度受滑動的平直度和機床的動態(tài)剛度的影響。</p>&l

11、t;p>　　目前，滑動的平直度是由刮削和拋光工藝實現(xiàn)，這是難以通過接近的形式表達出來描述的直線形狀，但是基本的形狀是正弦波狀的曲線。為了定量分析對均方根梯度的影響，平直度，直線度由方程描述見（1）[12，13]：</p><p>　　其中A是直線的振幅而T是波長的功能。圖2表示出了四個典型形狀的平直度。在滑動的整個長度，它們具有半分別兩個時期。</p><p>　　為了評價對均方根梯

12、度滑動平直的形狀和振幅的影響，模擬的四個典型的直線形狀，依據(jù)振幅不同的方式實施。圖3表示出了具有直線形狀和振幅的趨勢變化。可以注意到，該均方根梯度隨波長的減小而增加，并且分別增加幅度。與平直的波長尤其是在具有較高的直線度振幅的均方根梯度更有顯著效果。這是因為均方根梯度主要受波狀起伏梯度和分布密度的影響。相同的波長，當(dāng)振幅增大，分布密度沒有變化，與波狀起伏梯度只是略有改變，所以均方根梯度有輕微增加。而相同的幅度下，波長梯度增加及減小，且分

13、布密度的改變，導(dǎo)致均方根梯度產(chǎn)生大的變化。</p><p>　　圖4、切割過程的示意圖</p><p>　　圖5、機床的動態(tài)性能在加工表面上的影響</p><p>　　這種趨勢表明，在滑動設(shè)計，重點不僅應(yīng)放在直線的振幅，還有平直的形狀。當(dāng)降低了直線的振幅，波長應(yīng)該盡可能長時間地增加。在圖中所示的直線的形狀。a是滑蓋設(shè)計的最佳形狀。</p><p&

14、gt;　　如圖4所示，造成直線與加工表面的大周期起伏組合輪廓影響的是加工表面的均方根梯度。下面將討論機床的動態(tài)性能的波狀起伏的影響。</p><p>　　為了了解在加工表面上的機床動態(tài)性能的影響，一個專為機床設(shè)計的準(zhǔn)確的有限元模型見圖1。輸入是周期性地中斷切削力，輸出是工具，它會在表面形成波狀起伏的振動。波狀起伏和動態(tài)性能的周期之間的關(guān)系可以用[14]來表示，</p><p>　　其中d表

15、示浮動磁頭（D =630毫米）的直徑，n0表示主軸速度（n0= 300轉(zhuǎn)），θ表示在切割工藝（θ= 0°），TD表示切線方向的最大角度垂直條紋的周期，ωN表示機床的固有頻率。根據(jù)（2）中，固有頻率小于300赫茲，TD要超過33毫米，這會影響均方根梯度，被稱為低級別的頻率。而固有頻率大于300赫茲，TD小于33毫米從而影響功率譜密度，被稱為低級別的頻率。</p><p>　　圖6、工件的表面模擬</

16、p><p>　　圖7、表面模擬的測試結(jié)果</p><p>　　圖5b顯示出了機床的動態(tài)性能，在靠近機床的固有頻率的頻率范圍內(nèi)，動態(tài)剛度大大減小，這影響了切削工具和工件，從而導(dǎo)致在切削方向上的波狀起伏之間的相對位移的增加。</p><p>　　圖5c顯示出了周期性斷續(xù)切削力的作用下的切割工具和工件之間的相對位移。以及刀具所造成的自然頻率下的機床的振動工件之間的相對位移?？?/p>

17、以注意的是，低級別的固有頻率下的響應(yīng)具有超過33毫米的長波長，振幅較大，這會影響到高層次的固有頻率下的均方根梯度，應(yīng)具有短波長不超過33毫米的小振幅，這也將影響功率譜密度。</p><p>　　圖6顯示出了仿真的表面，滑動的直線度和所造成的機床的動態(tài)性能的波狀起伏。在該模擬中，直線形狀如圖2b，并且值是0.01微米/ 420毫米。動態(tài)性能如圖5所示。所得的模擬結(jié)果被轉(zhuǎn)換成能夠由測試軟件讀取的格式。圖7顯示出圖1的

18、測試結(jié)果。它表明模擬表面的均方根梯度，值為3.55毫米/厘米。</p><p>　　3.2、設(shè)計考慮功率譜密度目標(biāo)的機床</p><p>　　在上面的分析，我們分析了均方根梯度平直度的影響，并且發(fā)現(xiàn)，相同的幅度下，如圖的平直形狀。圖2a是最好的。因此，在該研究中，被選擇的直線的形狀，如圖2a所示，其振幅被判定為0.01微米/ 420毫米。根據(jù)目前的技術(shù)水平，下面顯示的均方根梯度和功率譜密度

19、對機床動態(tài)性能的影響。圖8顯示出的趨勢與機床的低水平頻率的動態(tài)性能。為了測試目標(biāo)均方根梯度，低通濾波器的使用量和高通頻率是0.0303毫米。從圖8a可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)波長小于33毫米時，這不是在均方根梯度的評估間隔，通過高通濾波器濾掉，所以它只能對其少許影響。當(dāng)波長接近33毫米，它進入均方根梯度的評估間隔，并且具有最大的分布密度。因此，均方根梯度達到最大值。與波狀起伏的波長進一步增加，分布密度逐漸減小，因此，均方根梯度沖擊減弱并出現(xiàn)下降的趨勢

20、。</p><p>　　在圖8b，它表明，當(dāng)機床的低水平頻率低于66赫茲，以滿足均方根梯度的要求，它需要不超過75納米的較大的響應(yīng)值。當(dāng)機床的低水平頻率低于99赫茲，以滿足它的要求，它需要不大于55納米大的響應(yīng)值。當(dāng)機床的低水平頻率低于198赫茲，以滿足其的要求，它需要不超過32納米的較大的響應(yīng)值。</p><p>　　它表明，與機床的低水平頻率接近300赫茲，響應(yīng)值的要求變得不太顯著。這

21、表示，在機器設(shè)計過程中，設(shè)計師不能一味盲目追求提高機器的低層次的頻率，也應(yīng)充分考慮的頻率響應(yīng)和幅度之間的關(guān)系，以達到滿意度。</p><p>　　圖8、機床在均方根梯度上動態(tài)性能的影響</p><p>　　圖9、機床功率譜密度的動態(tài)性能的影響</p><p>　　圖9a表示出了機床的功率譜密度的高級別頻率的影響。為了得到功率譜密度的目標(biāo)，帶通濾波器被使用，通頻率是在

22、0.4和0.0303毫米之間。這表明，它評估間隔的波長不對功率譜密度有輕微影響。它主要受起伏的振幅的影響，并用于評估間隔的起伏幅度?？紤]到評估間隔從300到4000赫茲，它是難以避免機床在該區(qū)域的高級別頻率，而在評估間隔，頻率對功率譜密度有輕微的影響。因此，在本次設(shè)計過程中，有沒有優(yōu)化機床的高級別的頻率，但應(yīng)充分考慮動態(tài)響應(yīng)的幅度。圖9b顯示出了合格的功率譜密度，最大幅值應(yīng)小于17納米。</p><p>　　圖1

23、0、機床和它的性能,a、新一代快速切削機床; b、滑動件的直線;c、機床的動態(tài)響應(yīng)</p><p>　　圖11、在均方根梯度上的的測試結(jié)果</p><p>　　4、機床的設(shè)計和試驗機</p><p>　　圖10a顯示了超精密機床所提議的方法和KDP晶體由該機床加工而設(shè)計的。圖10b顯示出了在工作長度小于0.01微米的滑動的直線。圖10c顯示出了機床的動態(tài)響應(yīng)，并且它

24、指出，該機床在低水平頻率的固有頻率是在該區(qū)域從100到300赫茲振幅小于30nm，而在高級別頻率，振幅小于10nm。根據(jù)上面的分析，該機床的動態(tài)性能能滿足加工要求。</p><p>　　加工試驗是在超精密快速切削機床，其性能在模擬模型時，驗證模型和模擬進行表現(xiàn)。以下加工參數(shù)在處理實驗中使用的：為15μm切削深度，進料的60微米/ s的速率和390轉(zhuǎn)/分的主軸旋轉(zhuǎn)速度，5毫米刀尖半徑，-25°工具前角和8

25、°前間隙角。實驗結(jié)果是由3D表面粗糙測試儀檢查，（Veeco公司計量集團，圣巴巴拉，CA，USA），其中有500毫米垂直測量范圍和3處垂直分辨率。測試結(jié)果由軟件干涉儀讀取。測量結(jié)果與尖端，傾斜和活塞見圖11，12和13，從圖11可以看出，該加工面的均方根梯度是0.017 WV /厘米（10.76毫米/厘米），這小于產(chǎn)品要求（11納米/厘米）。圖12示顯示出的加工表面的粗糙度是3.8納米。圖13顯示出，該功率譜密度是以下不超過線

26、的部分。測試結(jié)果分析和仿真結(jié)果，驗證了仿真模型的有效性和可靠性以及良好的一致性。</p><p>　　圖12、在功率譜密度上測試RMS的結(jié)果</p><p>　　圖13、在功率譜密度上測試PSD的結(jié)果</p><p><b>　　5、結(jié)論</b></p><p>　　本文提出了一種基于表面仿真和評估的新型機床的設(shè)計方法。

27、用這種設(shè)計方法來設(shè)計一種超精密快速切削機床對KDP晶體進行加工。以下結(jié)論可以得出。</p><p>　　(1)所提出的設(shè)計方法連接表面形狀的預(yù)測和由早期機床設(shè)計階段引入測試軟件的機床設(shè)計之間的差距。模擬表面提供機器參數(shù)化設(shè)計的信息。它可以定量地分析的機器性能指標(biāo)，如直線，動態(tài)剛度，并在表面形狀的固有振動頻率的影響，并提供對于進一步設(shè)計更好理解的超精密機器的性能。</p><p>　　(2)

28、對于快速切削機床的滑動直線設(shè)計，平直的波長設(shè)計時間應(yīng)該盡可能長和幅度盡可能小。</p><p>　　(3)為了得到滿意的均方根梯度，在機器設(shè)計過程中，設(shè)計師不應(yīng)該一味追求提高機器的水平低的頻率，也應(yīng)充分考慮的頻率響應(yīng)和幅度之間的關(guān)系。</p><p>　　(4)為了滿足功率譜密度，在機器設(shè)計過程中，有沒有優(yōu)化機床的高級別的頻率的意義，應(yīng)充分考慮的動態(tài)響應(yīng)的振幅，和最大振幅水平頻率應(yīng)小于17

29、納米。</p><p>　　(5)這些實驗測試評估和驗證，所提出的設(shè)計方法是優(yōu)化的快速切削機床從而提高作戰(zhàn)性能的設(shè)計有效性和高效率。它表明，該設(shè)計方法可被用作從動態(tài)來看，這也成為能夠高效且有效地優(yōu)化機器設(shè)計配套的完整的設(shè)計過程的有力工具。</p><p>　　致謝 作者非常感謝中國國家自然科學(xué)基金（51105112）的資助。</p><p>

30、;　　利益沖突 作者宣稱沒有利益沖突。</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　1. Painsner JA, Boyes JD, Kuopen SA (1994) National ignition facility.Laser Focus World</p><p><b>　　30(

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