超精密加工表面生成技术开发与应用

章少剑, 熊智文, 董增文

(南昌大学 机电工程学院, 江西 南昌 330031)

超精密加工技术(ultra-precision machining technology)是20世纪60年代为了满足大规模集成电路、核能、激光、航天和国防等尖端科技的需求而发展起来的高精密机械加工技术[1],该技术的加工形状精度可达亚微米级(<0.1 μm),表面粗糙度可达纳米级(<10 nm)[2]。超精密加工技术不仅应用于国防和航天等领域外,而且还广泛地应用于民用领域,如生物医疗、光电、通信、照明等[3]。相比于其他先进制造技术,该技术具有加工效率高、成本低、精度高等不可媲美的优点而广泛地应用于现代制造业[1-6]。随着科技飞速地发展,超精密加工技术正朝着高效、极致的方向发展[1]。未来,超精密加工技术基础研究将进一步发展,将推动纳米级加工走向分子级加工(制造3.0)[7]。该技术现已成为衡量国家先进制造水平与能力的重要标志之一[8-10]。

目前,我国的超精密加工技术正得到大力发展,正在向着纳米级精度迈进[7]。这样加快我们国家制造业向高新产业、智能制造产业转型,将能使我国从传统制造大国向现代制造强国跨跃,推动中国制造2025[11]快速崛起。但是,我们国家的超精密加工技术起步较晚[1],相比于发达国家的发展规模和应用技术水平仍有较大的差距[12]。

目前,高等工程学科通常采用理论与实验相结合的教学方法,探索其理论与应用知识[12]。高等工程学科教育中,实验教学既是重要环节,也是重要手段[12-13]。实验教学既有利于巩固学生的所学知识,又有利于增强学生的认知能力与理解能力；既有利于培养和训练学生的创新意识、创新能力和动手能力,又有利于提高学生的分析问题、解决问题及独立思考的能力[14-16]。然而,相比于传统加工设备,超精密加工设备是属于高端制造装备,其价格昂贵、数量稀少而且维护使用成本高,这将使面向众多本科生开设超精密加工实验教学严重受限与不足。虚拟仿真技术的实验教学方法将有助于增强学生对理论知识的认知与理解[17]。同时,超精密加工的表面生成是极其复杂、抽象，且不宜理解，因此将表面生成技术的仿真应用于超精密加工技术的实验教学,可以帮助学生形象地、直观地理解超精密加工表面生成机理及其加工参数对表面生成影响的机制。

1 表面生成技术

1.1 车削建模方法

如图1(a)所示,该机床为超精密两轴车削机床(Nanoform 200, Precitech Inc., USA)[18],包括X轴和Z轴,其中主轴安装于X轴上,金刚石刀具安装于Z轴上,所使用的刀具材料为天然单晶金刚石。加工过程中,工件通过真空吸盘吸附在主轴上而随同主轴转动,加工参数包括切削深度doc,进给速度fr,主轴转速,刀具刀尖圆弧半径r。基于该超精密机床,建立超精密车削表面生成几何关系模型,用于仿真该车削表面形貌。

图1 超精密加工车削表面生成建模

在超精密车削建模中作如下理想假设：正交切削,工件材料各向同性,且被几何地切除。在正面车削过程(见图2(b))中,表面形貌是由刀具跟随刀具轨迹去除表面材料而形成的轮廓表面,其可分解成两部分：(1)刀具轨迹,由刀具进给和主轴转动合成的轮廓(见图1(b))；(2)径向表面轮廓,即刀具轮廓(见图1(c))。

图1(b)中,基于极坐标系(θ,ρ,Z),刀具轨迹(刀具进给和主轴转动合成的轮廓)数学模型为

A(θ(t),ρ(t),Z(t))=A(2πωt,frt,Z(t))

(1)

其中,Z(t)为刀具轨迹轴向坐标值,θ(t)=2πωt，为主轴转动角度,ρ(t)=frt刀具进给量,t为切削时间。

图1(c)中,基于极坐标系(θ,ρ,Z),径向表面轮廓(刀具轮廓)数学模型为

z=r(1-cosα)

(2)

1.2 飞刀铣削建模方法

如图2(a)所示,该机床为超精密五轴飞刀铣削机床(Freeform 705G, Precitech Inc., USA)[19],包括X轴、Y轴、Z轴、C轴和B轴,其中金刚石刀具装卡于铣削主轴上,铣削主轴安装于C轴上,C轴固定于Y轴上,Y轴立于X轴上,且B轴安装于Z轴上,所使用的刀具材料为天然单晶金刚石。加工过程中,工件装嵌于B轴上。加工参数包括切削深度doc、进给速度fr、主轴转速、刀具圆弧半径r、刀具飞削半径R、步进长sr。基于该超精密机床建立超精密铣削表面生成几何关系模型,用于仿真该铣削表面形貌。

图2 超精密飞刀铣削表面生成建模

在超精密铣削建模中作如下理想假设：正交切削,工件材料各向同性,且被几何地切除。在正面铣削过程(见图2(b))中,表面形貌由刀具旋转随同刀具轨迹而切除表面材料,进而形成的轮廓表面,其可分解成两部分：(1)刀具旋转随同主轴进给的轨迹,由刀具转动和主轴进给合成的轮廓(见图2(c))；(2)步进方向的轮廓,即刀具轮廓(见图2(d))。

在图2(c)中,基于笛卡尔坐标系(X,Y,Z),考虑到主轴进给速度相对于刀具旋转速度非常小,可不考虑主轴进给速度的影响,故刀具旋转随同主轴进给的轨迹(刀具转动和主轴进给合成的轮廓)数学模型为

z=R(1-cos(±α))

(3)

在图2(d)中,基于笛卡尔坐标系(X,Y,Z),步进方向的轮廓(刀具轮廓)数学模型为

z3=r(1-cosβ1)和z4=r(1-cosβ2)

(4)

其中,z3和z4由公式(3)确定，

2 表面生成仿真与实验

基于超精密两轴车削机床(Nanoform 200),根据上述数学模型(公式(1)和(2)),开发相应的计算机算法与代码,为学生提供超精密车削表面生成仿真。以该组加工参数(切削深度doc=5 μm、进给速度fr=73.5 mm/min、主轴转速=2 000 r/min及刀具刀尖圆弧半径r=0.901 mm)为例,进行超精密加工车削表面生成仿真。同时,结合在该车削机床上进行相同加工参数车削加工实验验证。实验中,刀具材料为单晶金刚石,工件材料为纯铜。该车削表面经酒精清洗后,通过白光干涉仪(WYKO NT8000)测量。该仿真和实验结果见图3。

基于超精密飞刀铣车削机床(Freeform 705G),根据上述数学模型(公式(3)和(4)),开发相应的计算机算法与代码,为学生提供超精密飞刀铣削表面生成仿真。以该组加工参数：切削深度doc=0.005 mm,进给速度fr=300 mm/min,主轴转速=2 000 r/min,刀具圆弧半径r=1.921 mm,刀具飞削半径R=21.35 mm,步进长sr=0.025 mm为例,进行超精密加工飞刀铣削表面生成仿真。同时在该铣削机床上进行相同加工参数铣削加工实验验证。实验中,刀具材料为单晶金刚石，工件材料为纯铜。该铣削表面经酒精清洗后,通过白光干涉仪(WYKO NT8000)测量。该仿真和实验结果见图4。

图3 超精密车削表面生成形貌

图4 超精密飞刀铣削表面生成形貌

仿真与实验结果表明：

(1) 该仿真表面很好地反映了加工表面形貌特征,这将有利于减少超精密加工实验数量,这也将有利于学生形象地、具体地理解超精密加工车铣表面生成机理；

(2) 通过该仿真算法改变加工参数量,这将有利于学生更深入理解加工参数对表面生成影响的机制；

(3) 仿真与实验表面形貌高度差异性反应了超精密加工车铣过程中,如材料回弹、振动等众多影响因素也将影响表面生成机制,这将有利于增强学生分析问题及解决问题的能力；

(4) 该表面生成仿真建模过程将能加深学生理解表面生成机理及加工参数对表面生成影响的机制，这将更好地开发学生的创新型思维,提高学生着手探索科学问题的能力及培养学生科研兴趣。

3 结语

利用表面生成技术,在超精密加工中建立表面生成模型并进行表面生成仿真,可以直观地展示超精密加工表面生成机理及影响机制。构建的超精密加工表面生成仿真,可以更好地解决超精密加工表面生成的抽象性和表面形貌特效的平面化问题,对学生理解超精密加工表面生成机理及影响机制有更好的指导作用。