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

1、<p>　　先進(jìn)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(jī)床設(shè)計(jì)方法及其在飛切機(jī)床上的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　作者：陳萬(wàn)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(guó)</p><p>　　陸軍航空研究所，北京101123，中國(guó)</p><p>　　機(jī)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(guó)</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(píng)估的新型的機(jī)床設(shè)計(jì)方法。針對(duì)機(jī)床實(shí)現(xiàn)表面形貌預(yù)測(cè)的性能，這種機(jī)床的設(shè)計(jì)方法在機(jī)床性能與表面形貌生成之間建立的聯(lián)系。文章對(duì)影響多尺度下表面生成的主要因素進(jìn)行了討論，并采用不同的方法進(jìn)行建

4、模。此外，通過(guò)對(duì)早期機(jī)床設(shè)計(jì)階段的測(cè)試軟件的介紹，對(duì)比了表面生成指標(biāo)的仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)要求之間的差異，可以指明機(jī)床參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方向，如直線度和動(dòng)態(tài)性能。采用這種方法進(jìn)行了超精密飛切機(jī)床的設(shè)計(jì)，并且通過(guò)加工試驗(yàn)對(duì)該方法與仿真進(jìn)行了評(píng)測(cè)。</p><p><b>　　關(guān)鍵詞</b></p><p>　　多尺度表面仿真、表面檢驗(yàn)、超精密機(jī)床、設(shè)計(jì)方法、飛切</p>

5、;<p><b>　　1、簡(jiǎn)介</b></p><p>　　為了應(yīng)對(duì)能源危機(jī)，許多國(guó)家如美國(guó)，法國(guó)，英國(guó)，日本和中國(guó)都對(duì)激光慣性聚變（LIF）等進(jìn)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(guò)功率放大器，主放大器，并再次通過(guò)開(kāi)關(guān)站和進(jìn)入內(nèi)室中的波束運(yùn)行之前的功率放大器實(shí)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(shí)現(xiàn)倍頻和光開(kāi)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(zhǎng)度0.01?0.12毫米范圍內(nèi)小于3納米的值，而在宏觀來(lái)看，它要求均方根（RMS）表面粗糙度不超過(guò)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(shuō)明書(shū)中被命名為PSD2，而較小于6.4納米和PSD在RMS范圍超過(guò)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(guò)11納米/厘米最好需要在超過(guò)33毫米的范圍內(nèi)[3]。然而，KDP水晶是吸濕性，對(duì)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(gè)可行的方法達(dá)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(píng)估機(jī)床的設(shè)計(jì)方法</p><p>　　圖2、四個(gè)典型形狀直線</p><p&g

8、t;　　圖3、滑動(dòng)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(píng)估機(jī)床的設(shè)計(jì)方法</p><p>　　基于表面產(chǎn)生模擬的設(shè)計(jì)方法的概況和評(píng)估見(jiàn)圖1，機(jī)床設(shè)計(jì)的第一步是配置設(shè)計(jì)，隨后的步驟是設(shè)計(jì)規(guī)格的初始確定，那么這些設(shè)計(jì)規(guī)格，就是在滑動(dòng)和機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能的直線來(lái)預(yù)測(cè)多尺度的表面形態(tài)。在設(shè)計(jì)階段使用的測(cè)試軟件，以檢測(cè)在不同尺度的預(yù)測(cè)表面形態(tài)。測(cè)試結(jié)果與對(duì)產(chǎn)品

9、的要求相比較，如果測(cè)試結(jié)果滿足加工要求，可以根據(jù)原型進(jìn)行模擬.再根據(jù)使用的設(shè)計(jì)規(guī)格制造，設(shè)計(jì)規(guī)格應(yīng)修改直到測(cè)試結(jié)果滿足以下部分的描述，提出設(shè)計(jì)方法的詳細(xì)信息，用于KDP晶體加工的新一代專(zhuān)業(yè)超精密機(jī)床的設(shè)計(jì)加工方法。</p><p>　　3、專(zhuān)門(mén)用于KDP晶體加工設(shè)計(jì)的超精密機(jī)床</p><p>　　新一代機(jī)床的結(jié)構(gòu)類(lèi)型設(shè)計(jì)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(gè)水平軸滑動(dòng)。安裝到

10、橫向滑動(dòng)的是真空卡盤(pán)夾緊工件。要加工的表面位于一個(gè)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(shí)現(xiàn)，由于大的評(píng)估間隔。因此，本研究主要集中在這兩個(gè)指標(biāo)來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)床。</p><p>　　3.1設(shè)計(jì)考慮均方根梯度目標(biāo)的機(jī)床</p><p>　　考慮到機(jī)床的結(jié)構(gòu)類(lèi)型和運(yùn)動(dòng)鏈，它可以指出，該加工面的均方根梯度受滑動(dòng)的平直度和機(jī)床的動(dòng)態(tài)剛度的影響。</p>&l

11、t;p>　　目前，滑動(dòng)的平直度是由刮削和拋光工藝實(shí)現(xiàn)，這是難以通過(guò)接近的形式表達(dá)出來(lái)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(duì)均方根梯度的影響，平直度，直線度由方程描述見(jiàn)（1）[12，13]：</p><p>　　其中A是直線的振幅而T是波長(zhǎng)的功能。圖2表示出了四個(gè)典型形狀的平直度。在滑動(dòng)的整個(gè)長(zhǎng)度，它們具有半分別兩個(gè)時(shí)期。</p><p>　　為了評(píng)價(jià)對(duì)均方根梯

12、度滑動(dòng)平直的形狀和振幅的影響，模擬的四個(gè)典型的直線形狀，依據(jù)振幅不同的方式實(shí)施。圖3表示出了具有直線形狀和振幅的趨勢(shì)變化?？梢宰⒁獾剑摼礁荻入S波長(zhǎng)的減小而增加，并且分別增加幅度。與平直的波長(zhǎng)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?yàn)榫礁荻戎饕懿钇鸱荻群头植济芏鹊挠绊?。相同的波長(zhǎng)，當(dāng)振幅增大，分布密度沒(méi)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(zhǎng)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(guò)程的示意圖</p><p>　　圖5、機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能在加工表面上的影響</p><p>　　這種趨勢(shì)表明，在滑動(dòng)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)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(zhǎng)應(yīng)該盡可能長(zhǎng)時(shí)間地增加。在圖中所示的直線的形狀。a是滑蓋設(shè)計(jì)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(jī)床的動(dòng)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(jī)床動(dòng)態(tài)性能的影響，一個(gè)專(zhuān)為機(jī)床設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確的有限元模型見(jiàn)圖1。輸入是周期性地中斷切削力，輸出是工具，它會(huì)在表面形成波狀起伏的振動(dòng)。波狀起伏和動(dòng)態(tài)性能的周期之間的關(guān)系可以用[14]來(lái)表示，</p><p>　　其中d表

15、示浮動(dòng)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(jī)床的固有頻率。根據(jù)（2）中，固有頻率小于300赫茲，TD要超過(guò)33毫米，這會(huì)影響均方根梯度，被稱為低級(jí)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(jí)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(cè)試結(jié)果</p><p>　　圖5b顯示出了機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能，在靠近機(jī)床的固有頻率的頻率范圍內(nèi)，動(dòng)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(duì)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(duì)位移。以及刀具所造成的自然頻率下的機(jī)床的振動(dòng)工件之間的相對(duì)位移?？?/p>

17、以注意的是，低級(jí)別的固有頻率下的響應(yīng)具有超過(guò)33毫米的長(zhǎng)波長(zhǎng)，振幅較大，這會(huì)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(zhǎng)不超過(guò)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(dòng)的直線度和所造成的機(jī)床的動(dòng)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(dòng)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(cè)試軟件讀取的格式。圖7顯示出圖1的

18、測(cè)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(jì)考慮功率譜密度目標(biāo)的機(jī)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(duì)機(jī)床動(dòng)態(tài)性能的影響。圖8顯示出的趨勢(shì)與機(jī)床的低水平頻率的動(dòng)態(tài)性能。為了測(cè)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(zhǎng)小于33毫米時(shí)，這不是在均方根梯度的評(píng)估間隔，通過(guò)高通濾波器濾掉，所以它只能對(duì)其少許影響。當(dāng)波長(zhǎng)接近33毫米，它進(jìn)入均方根梯度的評(píng)估間隔，并且具有最大的分布密度。因此，均方根梯度達(dá)到最大值。與波狀起伏的波長(zhǎng)進(jìn)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(shì)

20、。</p><p>　　在圖8b，它表明，當(dāng)機(jī)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(guò)75納米的較大的響應(yīng)值。當(dāng)機(jī)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(jī)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(guò)32納米的較大的響應(yīng)值。</p><p>　　它表明，與機(jī)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(jī)器設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)師不能一味盲目追求提高機(jī)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(dá)到滿意度。</p><p>　　圖8、機(jī)床在均方根梯度上動(dòng)態(tài)性能的影響</p><p>　　圖9、機(jī)床功率譜密度的動(dòng)態(tài)性能的影響</p><p>　　圖9a表示出了機(jī)床的功率譜密度的高級(jí)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(píng)估間隔的波長(zhǎng)不對(duì)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(píng)估間隔的起伏幅度?？紤]到評(píng)估間隔從300到4000赫茲，它是難以避免機(jī)床在該區(qū)域的高級(jí)別頻率，而在評(píng)估間隔，頻率對(duì)功率譜密度有輕微的影響。因此，在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中，有沒(méi)有優(yōu)化機(jī)床的高級(jí)別的頻率，但應(yīng)充分考慮動(dòng)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(jī)床和它的性能,a、新一代快速切削機(jī)床; b、滑動(dòng)件的直線;c、機(jī)床的動(dòng)態(tài)響應(yīng)</p><p>　　圖11、在均方根梯度上的的測(cè)試結(jié)果</p><p>　　4、機(jī)床的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)機(jī)</p><p>　　圖10a顯示了超精密機(jī)床所提議的方法和KDP晶體由該機(jī)床加工而設(shè)計(jì)的。圖10b顯示出了在工作長(zhǎng)度小于0.01微米的滑動(dòng)的直線。圖10c顯示出了機(jī)床的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并且它

24、指出，該機(jī)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(jí)別頻率，振幅小于10nm。根據(jù)上面的分析，該機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能能滿足加工要求。</p><p>　　加工試驗(yàn)是在超精密快速切削機(jī)床，其性能在模擬模型時(shí)，驗(yàn)證模型和模擬進(jìn)行表現(xiàn)。以下加工參數(shù)在處理實(shí)驗(yàn)中使用的：為15μm切削深度，進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果是由3D表面粗糙測(cè)試儀檢查，（Veeco公司計(jì)量集團(tuán)，圣巴巴拉，CA，USA），其中有500毫米垂直測(cè)量范圍和3處垂直分辨率。測(cè)試結(jié)果由軟件干涉儀讀取。測(cè)量結(jié)果與尖端，傾斜和活塞見(jiàn)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(guò)線

26、的部分。測(cè)試結(jié)果分析和仿真結(jié)果，驗(yàn)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(cè)試RMS的結(jié)果</p><p>　　圖13、在功率譜密度上測(cè)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(píng)估的新型機(jī)床的設(shè)計(jì)方法。

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

28、對(duì)于快速切削機(jī)床的滑動(dòng)直線設(shè)計(jì)，平直的波長(zhǎng)設(shè)計(jì)時(shí)間應(yīng)該盡可能長(zhǎng)和幅度盡可能小。</p><p>　　(3)為了得到滿意的均方根梯度，在機(jī)器設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)師不應(yīng)該一味追求提高機(jī)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(jī)器設(shè)計(jì)過(guò)程中，有沒(méi)有優(yōu)化機(jī)床的高級(jí)別的頻率的意義，應(yīng)充分考慮的動(dòng)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(shí)驗(yàn)測(cè)試評(píng)估和驗(yàn)證，所提出的設(shè)計(jì)方法是優(yōu)化的快速切削機(jī)床從而提高作戰(zhàn)性能的設(shè)計(jì)有效性和高效率。它表明，該設(shè)計(jì)方法可被用作從動(dòng)態(tài)來(lái)看，這也成為能夠高效且有效地優(yōu)化機(jī)器設(shè)計(jì)配套的完整的設(shè)計(jì)過(guò)程的有力工具。</p><p>　　致謝 作者非常感謝中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金（51105112）的資助。</p><p>

30、;　　利益沖突 作者宣稱沒(méi)有利益沖突。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</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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