畢業(yè)設計 (論文 )外文資料翻譯 原 文 題 目 ： A on on a 原 文 來 源： 015 學 生 姓 名 ： 學 號： 所在院 (系 )部： 工業(yè)中心 專 業(yè) 名 稱： 機械設計制造及其自動化 先進 制造技術（ 2015） 80:829 837 創(chuàng)文章 一種基于表面生成仿真 的 新型機床 設計方法及其在飛切機床上的實現(xiàn) 作者：陳萬群 、陸麗華 、楊凱 、霍登紅 、蘇浩 、張慶春 哈爾濱工業(yè)大學，精密工程中心，哈爾濱 150001，中國 陸軍航空研究所，北京 101123，中國 機械與系統(tǒng)工程學院，紐卡斯爾大學，紐卡斯爾 國 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 倫敦 2015年 摘要 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計方法。針對機床實現(xiàn)表面形貌預測的性能，這種機床的設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模。此外，通過對早期機床設計階段的測試軟件的介紹，對比了表面生成指標的仿真結 果與設計要求之間的差異，可以指明機床參數(shù)優(yōu)化設計的方向，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計，并且通過加工試驗對該方法與仿真進行了評測。 關鍵詞 多尺度表面仿真、表面檢驗、超精密機床、設計方法、飛切 1、簡介 為了應對能源危機，許多國家如美國，法國，英國，日本和中國都對激光慣性聚變（ 進行了研究。在 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，并再次通過開關站和進入內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（ 結晶是關鍵的光學元件，被廣泛用作諧波變頻器的光路，并能實現(xiàn)倍頻和光開關 1， 2。在 統(tǒng)，大量 微觀尺度，它需要的表面粗糙度 是在曲樣長度 納米的值，而在宏觀來看，它要求均方根（ 面粗糙度不超過 米，功率譜密度（ 于 15 平方納米， 上述說明書中被命名為 較小于 33 毫米命名為 外，一均方根梯度（ 過 11 納米 /厘米最好需要在超過 33毫米的范圍內 3。然而， 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量就是超精密快速切削 4。因此，它用于 以往幾年來，超精密快速切削兩代機床已經(jīng)在我們的實驗室設計和建造 5然而，這種機器的開發(fā)仍處于過去的設計經(jīng)驗的萌芽階段。機床的設計規(guī)范缺乏通用的科學方法和定量分析，這會導致增加不可避免的開發(fā)成本和時間。在本文中，提出了一種新型的表面生成模擬和評價的設 計方法的機床。表面生成的預測已經(jīng)吸引了很多研究者的興趣 8這些研究的目的是要準確地預測加工表 面 ，但沒有為機床設計提供指導。試圖提供一個更好地了解表面生成與機器之間關系刀具設計的方法。在表面生成的機床性能影響的基礎上，測試軟件是引入到機器早期評估表面預測模具設計階段，并提供了測定機床的設計指標性能的理論依據(jù)。這種方法使得機床設計以有效和高效的方式，確保了產(chǎn)品構件表面完成了設計的機床滿足功能要求。 圖 1、產(chǎn)生的表面輪廓模擬和基于評估機床的設計方法 三維設計 矩陣實驗室 否 是 目標 機床 虛擬設備 矩陣實驗室 /有限元分析 參數(shù) 預言 干涉儀 粗糙度 測試 平面度 波紋度 粗糙度 平直度 主軸轉速 切 削 動力性能深度 粗糙度 圖 2、四個典型形狀直線 圖 3、滑動直線形狀和在 均方根梯度上 幅度的影響 2、表面生成的仿真和基于評估機床的設計方法 振幅 振幅 振幅 振幅 長度 均方根梯度值 波長 直線度的振幅 基于表面產(chǎn)生模擬的設計方法的概況和評估見圖 1，機床設計的第一步是配置設計，隨后的步驟是設計規(guī)格的初始確定，那么這些設計規(guī)格，就是在滑動和機床的動態(tài)性能的直線來預測多尺度的表面形態(tài)。在設計階段使用的測試軟件，以檢測在不同尺度的預測表面形態(tài)。測試結果與對產(chǎn)品的要求相比較，如果測試結果滿足加工要求，可以根據(jù)原型進行模擬 計規(guī)格應修改直到測試結果滿足以下 部分的描述，提出設計方法的詳細信息，用于 3、專門用于 新一代機床的結構類型設計與第一二代如圖 1，一種支撐垂直軸的主軸和轉刀在一個水平軸滑動。安裝到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。根據(jù) 均方根梯度和 功率譜密度目標都難以實現(xiàn)，由于大的評估間隔。因此，本研究主要集中在這兩個指標來設計機床。 方根梯度目標的機床 考慮到機床的結構類型和運動鏈，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。 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： 其中 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。 為了評價對均方根梯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?？梢宰⒁獾?，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，且分布密度的改變，導致均方根梯度產(chǎn)生大的變化。 圖 4、切割過程的示意圖 圖 5、機床的動態(tài)性能在加工表面上的影響 直線度 進給方向 切削方向 輸入 輸出 有限元模型 快速切削角度 長度 切削力 振幅 頻率 低頻 高頻 震級大小 這種趨勢表明，在滑動設計，重點不僅應放在直 線的振幅，還有平直的形狀。當降低了直線的振幅，波長應該盡可能長時間地增加。在圖中所示的直線的形狀。 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。 為了了解在加工表面上的機床動態(tài)性能的影響，一個專為機床設計的準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系可以用 14來表示， 其中 D =630毫米）的直 徑， 示主軸速度（ 300轉），表示在切割工藝（ = 0）， 據(jù)（ 2）中，固有頻率小于 300赫茲， 3 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， 于 33毫米從而影響功率譜密度，被稱為低級別的頻率。 圖 6、工件的表面模擬 圖 7、表面模擬的測試結果 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，動態(tài)剛度大大減小，這影響了切 削工具和工件，從而導致在切削方向上的波狀起伏之間的相對位移的增加。 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?？梢宰⒁獾氖?，低級別的固有頻率下的響應具有超過 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。 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 米 / 420 毫米。動 態(tài)性能如圖 5 所示。所得的模擬結果被轉換成能夠由測試軟件讀取的格式。圖 7 顯示出圖 1 的測試結果。它表明模擬表面的均方根梯度，值為 米 /厘米。 計考慮功率譜密度目標的機床 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 米 / 420 毫米。根據(jù)目前的技術水平，下面顯示的均方根梯度和功率譜密度對機床動態(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 目標均方根梯度，低通濾波器的使用量和高通頻率是 米。從圖 8a 可以發(fā)現(xiàn)，當波長小于 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。當波波動值 波動值 波動值 峰值 有效值 光伏 有效值 功率 干涉儀 干涉儀 填充圖 波動值 斜率 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。 在圖 8b，它表明，當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 納米的較大的響應值。當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 納米大的響應值。當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 納米的較大的響應值。 它表明，與機床的低水平頻率接近 300 赫茲，響應值的要求變得不太顯著。這表示，在機器設計過程中，設計師不能一味盲目追求提高機器的低層次的頻率，也應充分考慮的頻率響應和幅度之間的關系，以達到滿意度。 圖 8、機床在均方根梯度上動態(tài)性能的影響 圖 9、機床功率譜密度的動態(tài)性能的影響 均方根梯度值 振幅 頻率 波長 有效值 振幅 合格 不合格 合格 不合格 波長 不合格 合格 振幅 波長 合格 不合格 振幅 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，帶通濾波器被使用，通頻率是在 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。考慮到評估間隔從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，在本次設計過程中，有沒有優(yōu)化機床的高級別的頻率，但應充分考慮動態(tài)響應的幅度。圖 9b 顯示出了合格的功率譜密度，最大幅值應小于 17 納米。 圖 10、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 圖 11、在均方根梯度上的的測試結果 位置 頻率 值 偏差 峰值 有效值 斜向視圖 干涉儀 干涉儀 斜率 填充圖 4、機床的設計和試驗機 圖 10a 顯示了超精密機床所提議的方法和 體由該機床加工而設計的。圖 10b 顯示出了在工作長度小于 米的滑動的直線。圖 10c 顯示出了機床的動態(tài)響應，并且它指出，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 30在高級別頻率，振幅小于 10據(jù)上面的分析，該機床的動態(tài)性能能滿足加工要求。 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 15 m 切削深度，進料的 60 微米 / s 的速率和 390 轉 /分的主軸旋轉速度， 5 毫米刀尖半徑， 具前角和 8前間隙角。實驗結果是由 3D 表面粗糙測試儀檢查，（ 司計量集團，圣巴巴拉， 其中有 500 毫米垂直測量范圍和3 處垂直分辨率。測試結果由軟件干涉儀讀取。測量結果與尖端，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 V /厘米（ 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 米。圖 13 顯示出，該功率譜密度是以下不超過線的部分。測試結果分析和仿真結果，驗證了仿真模型的有效性和可靠性以及良好的一致性。 圖 12、在功率譜密度上測試 結果 波動值 干涉儀 光伏 有效值 功率 X 值 Y 值 納米 納米 波動值 納米 納米 表面波形圖 圖 13、在功率譜密度上 測試 結果 5、結論 本文提出了一種基于表面仿真和評估的新型機床的設計方法。用這種設計方法來設計一種超精密快速切削機床對 體進行加工。以下結論可以得出。 (1)所提出的設計方法連接表面形狀的預測和由早期機床設計階段引入測試軟件的機床設計之間的差距。模擬表面提供機器參數(shù)化設計的信息。它可以定量地分析的機器性能指標，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計更好理解的超精密機器的性能。 (2)對于快速切削機床的滑動直線設計，平直的波長設計時間應該盡可能長和幅度盡可能小。 (3)為了得到滿意的均方根梯度，在機器設計過程中，設計師不應該一味追求提高機器的水平低的頻率，也應充分考慮的頻率響應和幅度之間的關系。 (4)為了滿足功率 譜密度，在機器設計過程中，有沒有優(yōu)化機床的高級別的頻率的意義，應充分考慮的動態(tài)響應的振幅，和最大振幅水平頻率應小于 17 納米。 (5)這些實驗測試評估和驗證，所提出的設計方法是優(yōu)化的快速切削機床從而提高作戰(zhàn)性能的設計有效性和高效率。它表明，該設計方法可被用作從動態(tài)來看，這