阅读说明：本技术 一种超精密车削加工的水平对刀误差计算模型的构建方法 (Construction method of horizontal tool setting error calculation model for ultra-precise turning ) 是由 赵亮 程凯 王旭初 丁辉 于 2021-09-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种超精密车削加工的水平对刀误差计算模型的构建方法,所述方法利用超精密慢刀伺服车床加工得到零件,使用Zygo-ZeGage轮廓仪,对零件的加工表面进行面型拟合,得到被检区域的球径r,建立水平对刀误差x′关于球径检测值r的数学计算模型,通过检测结果速确定水平方向的对刀误差x′值,对加工参数进行精准修正。该数学模型可以快速、精准地表达出微小水平对刀误差并进行修正,从而将超精密加工与检测进行有效集成,大大提高超精密车削加工质量和生产效率。(The invention discloses a method for constructing a horizontal tool setting error calculation model for ultra-precise turning, which comprises the steps of obtaining a part by utilizing an ultra-precise slow tool servo lathe, carrying out surface type fitting on the processing surface of the part by using a Zygo-ZeGage contourgraph to obtain the spherical diameter r of a detected area, establishing a mathematical calculation model of a horizontal tool setting error x 'relative to the spherical diameter detection value r, determining the tool setting error x' value in the horizontal direction according to the detection result speed, and accurately correcting processing parameters. The mathematical model can express the tiny horizontal tool setting error quickly and accurately and correct the tiny horizontal tool setting error, so that the ultra-precision machining and the detection are effectively integrated, and the ultra-precision turning quality and the production efficiency are greatly improved.)

一种超精密车削加工的水平对刀误差计算模型的构建方法

技术领域

本发明属于精密制造技术领域，涉及一种超精密车削加工的水平对刀误差计算模型的构建方法。

背景技术

分析超精密车削过程可以知道，机床运动精度、刀具尺寸精度、刀具位置精度是影响其加工质量的三个主要因素。同前两个因素相比，刀具空间位置不太容易进行精准测量，包括刀尖距主轴回转中心的水平距离x以及竖直方向的高度差h，如图1所示。

x与h的数值往往需要利用对刀块通过多次试加工—检测—调整的过程来反复修正，最终依然会有微米级的误差无法精准识别，而该误差会直接影响模具最终的形状精度和检测结果，是制约模具加工质量的主要因素。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明针对刀具位置误差的检测方法及其对模具加工精度的影响规律，提供了一种超精密车削加工的水平对刀误差计算模型的构建方法。该数学模型可以快速、精准地表达出微小水平对刀误差并进行修正，从而将超精密加工与检测进行有效集成，大大提高超精密车削加工质量和生产效率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种超精密车削加工的水平对刀误差计算模型的构建方法，包括如下步骤：

步骤一、加工零件，刀尖在距工件回转中心的水平距离的测量值为x₁，实际值为x₂水平对刀误差x′用如下公式表示：

x′＝x₁-x₂；

步骤二、根据零件曲面面型的结构特征，得到被检区域的大圆的理想轮廓，其半径值为R，理想轮廓的四分之一圆心角记为w₁，模具实际检测范围在竖直投影方向的半径值记为b，参数R、w₁以及b之间存在如下关系：

参数R、w₁以及x₁之间存在如下关系：

步骤三、使用Zygo-ZeGage轮廓仪，对零件曲面面型进行面型拟合，得到零件曲面面型被检区域的球径r，实际轮廓对应其拟合圆周的四分之一圆心角记为w₂，参数r、w₂以及x₂之间存在如下关系：

步骤四、根据步骤一、步骤二、步骤三得到的数据，建立水平对刀误差x′与球径检测值r的数学计算模型为：

即：

利用上述方法构建的计算模型可应用于精密制造技术领域中，当利用其进行水平对刀误差修正时，包括如下步骤：

步骤一、利用超精密慢刀伺服车床加工得到零件；

步骤二、使用Zygo-ZeGage轮廓仪，对零件的加工表面进行面型拟合，得到被检区域的球径r，建立水平对刀误差x′与球径检测值r的数学计算模型；

步骤三、通过检测结果快速确定水平方向的对刀误差，从而进行精准修正。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明所述的水平对刀误差的数学模型，借助Zygo轮廓仪，可以通过面型检测数据对微小的对刀误差x′进行精确计算。

2、本发明所述的对刀误差数学模型将模具的超精密加工—面型检测—误差修正的过程进行了有效集成，大大提高了模具的超精密加工质量和生产效率。

3、本发明所述的对刀误差数学模型已通过实际超精密加工验证，对其他同类产品的超精密加工同样具有实际工业应用价值和理论意义。

附图说明

图1为刀具的位置示意图；

图2是拟合球面的球径分析图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种超精密车削加工的水平对刀误差计算模型的构建方法，所述方法利用超精密慢刀伺服车床加工得到零件，使用Zygo-ZeGage轮廓仪，对零件的加工表面进行面型拟合，得到被检区域的球径r，建立水平对刀误差x′关于球径检测值r的数学计算模型，通过检测结果速确定水平方向的对刀误差x′值，对加工参数进行精准修正。具体包括如下步骤：

步骤一、加工零件，刀尖在距工件回转中心的水平距离的测量值为x₁，实际值为x₂水平对刀误差x′可以用如下公式表示：

x′＝x₁-x₂。

步骤二、根据零件曲面面型的结构特征，得到被检区域的大圆的理想轮廓，如图2所示，其半径值为R，理想轮廓的四分之一圆心角记为w₁，模具实际检测范围在竖直投影方向的半径值记为b，参数R、w₁以及b之间存在如下关系：

参数R、w₁以及x₁之间存在如下关系：

步骤三、使用Zygo-ZeGage轮廓仪，对零件曲面面型进行面型拟合，得到零件曲面面型被检区域的球径r，实际轮廓对应其拟合圆周的四分之一圆心角记为w₂，参数r、w₂以及x₂之间存在如下关系：

步骤四、零件曲面面型在水平方向变化非常微小，即x′非常小，w₁≈w₂，根据上述步骤得到的数据，建立水平对刀误差x′与球径检测值r的数学计算模型为：

即：

进一步地，利用上述建立的水平对刀误差x′与球径检测值r之间的数学关系模型，当r＜R时，x′＞0，刀具过切；当r＞R时，x′＜0，工件中心存在加工残留。

进一步地，实际检测过程中通常为大球径、小区域检测方式，w₁值非常小，上述公式中的2sinw₁×cosw₁＝sin2w₁＜＜1，故：

R-r＞＞x′；

即被检工件的标准球径R与检测所得球径r的差值是水平对刀误差x′的放大体现，更容易被检测出来，由此推导得出的x′也更加精确。

进一步地，根据上述方法建立的水平对刀误差x′与球径检测值r之间的数学关系模型对水平对刀误差进行修正，并进一步对隐形眼镜金属模具进行检测，提高超精密加工质量和生产效率。

本发明中，零件的材料以铜、铝等有色金属为主。

本发明中，加工零件选用的设备为超精密单点金刚石车床。

本发明中，超精密单点金刚石车床的运动控制精度为纳米级，对加工精度造成的影响完全可以忽略不计。

本发明中，超精密单点金刚石车床自带的光学测刀系统也可以实现对刀尖圆弧半径±2μm内的重复测量，刀具尺寸精度通过检测与补偿进行消除。

实施例：

分别选择0度、550度、900度的近视镜片模具为加工、检测对象，使用Zygo的20倍光学镜头，镜头通过图像拼接方式将检测范围竖直投影方向的半径值b设定为0.8mm。

已知上述三种模具中心圆弧理想的曲率半径分别为7.63mm、8.55mm、9.42mm，以上述得出的数学模型为指导进行加工、检测试验，以此来验证模型的正确性，结果如表1所示。

表1试验结果

从表1的结果可以看出，利用本发明的计算模型，结合Zygo轮廓仪的精密检测功能，可以通过(R-r)值将水平对刀误差x′以近10倍的方式展现出来，为更精准的测定刀具位置提供支持。使用本发明的数学模型可以快速、精确地修正对刀误差，将隐形眼镜模具的超精密加工与检测进行有效结合，得到稳定、可靠的理想产品，大大提高了加工质量和效率。