基于研抛力控制的复杂曲面精密研抛技术研究

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复杂曲面零件在提高工件系统性能,实现特殊的工件特性,减少系统零件数量,减小系统尺寸等方面有诸多无法比拟的优越性,在航空航天、国防、通讯、生物医学、能源、车辆等工业和民用领域有着日益增长的应用需求。复杂曲面零件能否在这些重要领域中获得突破性的应用,其关键还在于能否实现高效、精密、低成本的加工。但是复杂曲面的研抛加工工艺是直接影响复杂曲面加工零件的加工精度和加工效率的工序,在零件的加工过程中具有非常重要的研究意义。本文以五轴超精密研抛机床为实验平台,研究基于力控制技术的复杂曲面研抛加工工艺。由普林斯顿(Preston)理论分析可知,研抛头与被加工零件之间的研抛压力大小是影响研抛表面质量非常重要的因素。本文从被加工零件与研抛头在工作过程中的相对速度着手,推导复杂曲面加工过程的去除函数模型;根据复杂曲面上每一研抛点的去除量要求,推导出加工的进给模型;根据相邻两点的位置关系,得到复杂曲面加工过程中的残差模型,根据残差模型可以进一步验证选择的加工步长是否合理,为获得高精度的曲面面型精度提供了有力的理论依据。研抛加工过程中,不改变研抛头的去除能力(恒定的去除函数),而用改变研抛工具驻留时间的长短来控制研抛去除量,驻留时间的长短可以通过研抛工具的进给速度来实现。根据复杂曲面被加工零件表面的面形误差分布以及研抛工具的去除函数,计算并得到研抛工具的进给速度的分布,去除的材料越多,则驻留的时间越长,进而研抛工具的进给速度就越小,反之亦然。根据研抛力、驻留时间和研抛去除量之间的关系,通过对研抛力检测、解耦,根据研抛头参数、零件的形状参数和材料参数,研抛旋转轴的主轴转速,解算出实时优化的进给率和研抛路径补偿值,确定研抛工具和被加工零件表面之间的研抛压力和适合的驻留时间,使五轴超精密研抛机床在研抛力控制下可以实现仿人研抛操作,最终确保研抛加工零件的表面质量。最后,在五轴超精密研抛机床上进行了实验研究,验证了所提出的方法的正确性和可行性。
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