42、超精密加工中刀具定位与表面损伤研究及五轴机床误差补偿技术

最新推荐文章于 2025-10-18 12:16:23 发布

mm9012

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分类专栏：智造未来：MATADOR前沿文章标签：超精密加工刀具定位表面损伤

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超精密加工中刀具定位与表面损伤研究及五轴机床误差补偿技术

在超精密加工领域，大尺寸微结构表面的制造一直是一个重要的研究方向。同时，五轴机床的几何误差检测与补偿也对于加工复杂零件至关重要。下面将分别介绍这两方面的相关研究。

超精密加工中刀具定位与表面损伤研究

在大尺寸微结构表面的制造过程中，FS - FTS（Force - Controlled Fast Tool Servo）有着良好的应用前景。微结构表面要求每个微结构单元在大面积上具有精确的三维几何形状和可控的间距。然而，在耗时且切削路径极长的加工过程中，刀具磨损不可避免，随着切削路径的增加，加工精度会降低，这是制造大面积微结构表面的主要问题之一。因此，需要用新刀具对剩余未加工区域进行拼接加工，这就要求开发一种精确的刀具定位方法，以微米级精度将新刀具设置在所需位置。

传统的刀具定位方法包括用接触式探头探测切削刃、测量已加工成规定几何形状的工件以及使用光学系统确定切削刃的位置。但这些方法只能在加工开始时将刀具设置到编程刀具路径的起点，并且需要额外的测量仪器，会使机床配置变得复杂。

为解决传统方法的不足，研究人员提出了一种基于FS - FTS的新刀具定位方法。该方法无需额外测量仪器就能准确识别新刀具的位置。具体操作步骤如下：
1. 建立刀具与工件的接触 ：通过监测FS - FTS力传感器的输出，将FS - FTS上的新切削刀具沿X方向靠近已加工表面，直到力传感器输出达到设定阈值，此时建立接触。新刀具沿X方向的移动距离由FS - FTS的位移传感器或精密车床X滑座的线性编码器检测。
2. 扫描已加工表面 ：工件沿Z方向移动，使新刀具的切削刃扫描表面的小区域。在扫描过程中，通过伺服控制刀具沿X方向的位移，保持刀具尖端与工件表面的接触力恒定，从而使金刚石刀尖能够追踪已加工工件的表面形状。

然而，由于接触检测和表面形状测量都基于接触力，微刀具切削刃与工件之间的接触力会对微结构表面造成损伤。为了保持微结构表面的光滑度，需要研究并减少扫描过程中的损伤。

FS - FTS系统可在测量模式和制造模式下运行，通过连接到PZT驱动器的开关控制两种模式的切换，这使得在超精密加工过程中方便对已加工表面进行多次形状测量。

为了研究金刚石刀尖与工件表面之间的接触力造成的表面损伤，研究人员分别进行了刀具 - 工件接触建立、平面扫描和微结构扫描的实验：
- 刀具 - 工件接触损伤 ：采用交流力调制方法提高接触力的检测灵敏度，将金刚石刀具以1nm的振幅、220Hz的恒定频率在X方向振荡。力传感器的输出信号连接到锁相放大器，参考频率也设置为220Hz。实验发现，随着接触次数的增加，损伤深度增大，一次接触的损伤深度为20nm，两次接触为30nm，七次接触为60nm。
- 平面扫描损伤 ：在铝制平面工件上进行扫描实验，扫描速度和接触力分别设置为10µm/min和0.15mN。实验发现，接触力越大，损伤深度越大，且损伤深度与接触力呈非线性关系。接触力为0.15mN、0.08mN和0.06mN时，损伤深度分别约为22nm、38nm和91nm。
- 微结构阵列扫描损伤 ：对微槽阵列进行扫描实验，扫描速度设置为200nm/s。实验发现，扫描后微结构的表面光洁度下降，重复扫描时表面高度差增大，第一次扫描与后续三次扫描的表面高度差分别为173nm、226nm和333nm。

综上所述，工件表面损伤程度不仅受接触力大小的影响，还受接触次数和力反馈控制回路稳定性的影响。未来需要建立数学模型分析扫描过程中接触力造成的表面损伤现象，进行刀具接触和扫描过程的分子模拟，并改进力反馈控制系统以减少表面损伤。

五轴机床误差补偿技术

随着加工零件的复杂性增加和几何公差要求越来越高，对五轴机床几何误差进行验证的需求变得前所未有的迫切。研究表明，伸缩式磁性球杆仪可用于五轴机床精度测试，并且已被纳入国际标准。

五轴机床（5A - MTs）能够利用五个自由度改变刀具相对于工件的位置和方向，相比三轴机床，能以更少的装夹次数和更通用的刀具生产复杂的三维零件。常见的5A - MT结构为Z - Y - X - A - C，旋转轴围绕笛卡尔X和Z方向旋转，位于倾斜旋转工作台上。

在加工过程中，机床的几何、动态、控制器、热机械和静态加载误差都需要验证，其中最基本的是机床轴几何误差中的位置误差，这种误差与轴的位置无关。

伸缩式磁性球杆仪由Bryan在1982年提出，利用精密线性传感器检测刀具在圆形路径上绕固定中心枢轴移动时的径向偏差。由于其测量不确定度低、操作方便且成本相对较低，已成为识别三轴机床几何、动态和控制器相关误差的常用工具。20世纪90年代后期Sakamoto等人的研究使球杆仪的应用扩展到五轴机床精度测试。

然而，线性轴的几何误差会导致旋转轴误差诊断结果失真。为解决这一问题，研究人员提出了一种方法，用于补偿旋转轴测试过程中线性轴误差的影响。实验表明，该方法几乎可以完全消除识别径向偏移误差测试中的线性误差影响，并显著降低识别旋转轴倾斜误差测试中的线性误差影响。该研究在加工高价值和复杂零件时具有重要潜力，因为这些零件需要频繁检查机床的几何误差。

总的来说，超精密加工中的刀具定位与表面损伤研究以及五轴机床的误差补偿技术对于提高加工精度和质量具有重要意义，未来的研究将进一步优化这些技术，推动制造业的发展。

超精密加工中刀具定位与表面损伤研究及五轴机床误差补偿技术

技术点分析与对比

从这个表格可以看出，新方法在解决传统方法的一些痛点上有显著进步，但也存在新的问题需要进一步研究解决。

操作流程总结

下面通过mermaid流程图展示基于FS - FTS的刀具定位方法的操作流程：

graph LR
    A[开始] --> B[建立刀具与工件接触]
    B --> C[监测FS - FTS力传感器输出]
    C --> D{输出达到阈值?}
    D -- 是 --> E[检测新刀具沿X方向移动距离]
    D -- 否 --> C
    E --> F[扫描已加工表面]
    F --> G[工件沿Z方向移动]
    G --> H[伺服控制刀具沿X方向位移]
    H --> I[保持接触力恒定]
    I --> J[金刚石刀尖追踪表面形状]
    J --> K[结束]

五轴机床误差补偿方法虽然没有像刀具定位方法那样有明确的多步骤操作，但可以总结为以下流程：
1. 使用伸缩式磁性球杆仪进行五轴机床旋转轴测试，获取相关数据。
2. 分析数据，确定线性轴误差对旋转轴误差诊断的影响程度。
3. 运用补偿方法，消除或降低线性轴误差对测试结果的影响。

未来展望

在超精密加工刀具定位方面，未来需要重点关注以下几个方面：
- 建立数学模型 ：深入分析扫描过程中接触力造成的表面损伤现象，通过数学模型准确预测损伤程度，为实际加工提供理论指导。
- 分子模拟研究 ：进行刀具接触和扫描过程的分子模拟，从微观层面了解刀具与工件之间的相互作用，为减少损伤提供更深入的理论依据。
- 改进力反馈控制系统 ：优化力反馈控制系统，提高其稳定性和精度，从而减少表面损伤，提高微结构表面的加工质量。

在五轴机床误差补偿技术方面，随着制造业对加工精度和效率的要求不断提高，该技术也有很大的发展空间：
- 拓展应用范围 ：将误差补偿技术应用到更多类型的五轴机床和复杂加工场景中，提高机床的通用性和适应性。
- 实时补偿技术 ：开发实时误差补偿系统，能够在加工过程中实时监测和补偿线性轴误差，进一步提高加工精度。
- 与智能制造融合 ：将误差补偿技术与智能制造技术相结合，实现机床的自动化、智能化运行，提高生产效率和产品质量。

总之，超精密加工中的刀具定位与表面损伤研究以及五轴机床的误差补偿技术是制造业发展的关键领域，未来的研究和创新将为制造业带来更高效、更精确的加工解决方案。