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英文资料翻译 国际先进制造技术期刊(2002)19:245–252 施普林格出版社伦敦有限公司2002 单点金刚石车削加工中刀具干涉对表面成形的影响的预测 李荣彬 张志辉 李建广 香港理工大学 工业及系统工程学系 香港九龙红磡 摘要： 在单点金刚石车削加工中（SPDT）刀具干涉是由存在于刀具和工件中的低频率小振幅振动造成的。这不可避免的要影响金刚石车削加工的表面质量。本文里我们提出了表面形貌仿真模型，它主要是用来进行在单点金刚石车削加工中表面成形时刀具干涉的影响的预测。它是利用了可以通过一定数量的工件等距径向截面预测出的表面粗糙度轮廓来构建金刚石车削的表面的表面形貌。这种方法克服了现有的仅能检查出刀具干涉存在理论的局限性。同时这种模型已经通过实际切削实验得到的验证，并且实验结果符合预测结果。 关键字：仿真；单点金刚石车削；表面成形；刀具干涉；振动 1.引言 单点金刚石车削（SPDT）是一种超精密加工技术，它主要用来加工亚纳米级形状精度和纳米级表面光洁度的光学仪器表面（如球面和非球面），同时它也被频繁的用于如铝和铜之类的塑性材料的加工。但SPDT的表面成形机理与传统加工不同。由于金刚石切削过程通常是在非常高的切削速度下进行的，所以与刀瘤（BUE）相关的问题就不存在。从另一方面说，因为大多数超精密机床具有非常高的刚度，切削力变化，因此由再生颤抖产生的表面粗糙度不可能出现。 但是，单点金刚石车削也有特别现象，如刀具干涉和表面粗糙度的有向性问题。这些现在在传统加工中可以忽略，但在金刚石车削却很重要。大多数现存的表面粗糙度的模型，如著名的理想粗糙度公式和它的衍生公式都不能评价出这些现象的影响，所以得不到好的表面粗糙度的预测。虽然开发了一些加工模型来仿真工件的三维实体表面形貌，但大多数都是基于表面形貌的可测性，它们都是通过干涉量度学和扫描电子显微镜检查法得到的数据的二维快速傅里叶变换的派生。这些模型的大多数都没考虑到基本的切削机理，仅有一些建立在基于加工过程的运动学和动力学特性的表面形貌仿真的理论模型。但是，开发的大多数模型主要是用于如铣削的其他加工。本文中，我们提出了一种用来预测单点金刚石车削加工中表面成形时刀具干涉的影响的表面形貌仿真模型，仿真的结果也同由实际加工实验中得到的测量数据进行了比较。 2.刀具干涉的预测及其对表面成形的影响 2.1 刀具干涉 对单点金刚石车削来说表面成形是复杂的，它受许多因素影响如进给速度，刀具几何参数和主轴速度。在理想切削条件下，刀具被放置在相对于工件的理想位置。表面粗糙度轮廓的成形过程类似于刀尖轮廓每隔一定的进给量的进行的反复作用，如图1所示。由于多种因素的原因,如主轴误差运动和超精密机床的振动，刀具相对于工件的位置通常是变化的。这种情况下，刀具在表面的切深是不同的，如图2所示。对于打进给速度和低主轴速度，如图2所示，在每个进给速度下刀具相继切割成由先前加工形成的有效切削刃。表面粗糙度轮廓的成形可以看成是以上最小边缘轮廓的交点的直线剪切。因此在表面粗糙度轮廓上可以发现清晰的刀具轨迹，这种情况在目前研究状况下可归为“刀具的不相互干扰”。在单点金刚石车削中，我们通常采用高主轴转速和合适的进给速度来提高工件的表面的光洁度。但是在这种情况下，刀具干涉出现了，它一般发生在由先前进给运动形成的切削加工切去切屑，而这部分切屑应该是由连续的刀具运动来除去的。 图1沿进给方向上理想刀具运动的图解说明， 图2沿进给方向上非相互刀具干涉的图解 切削条进给速度15 mm /min；主轴速度1000 说明，切削条件如下：进给速度15 mm /min； r.p.m; 背吃刀量2um；刀尖半径1.55mm; 主轴速度1000r.p.m；背吃刀量2um；刀尖 刀具与工件间无相对振动（即ITI→∞）。 半径1.554mm；刀具与工件间振动振幅和频 率分别为0.015um和45Hz.刀具干涉指数2.72。　 图3所示为当在刀具干涉条件下的切削时在进给方向上的刀具轨迹。当刀具干涉发生了市，先前切削的切削刃切除应由连续切削切除的材料，这导致了不相互干涉表面成形了。以图3中的刃口2和刃口3为例，在两个刃口的切削刃已经切除了应由刃口4切削的材料，因此在三个刃口中只有两个刀痕形成。Takasu et al.为刀具干涉发出制定了一个标准，如下 　　 式中Rmax金刚石车削的表面的理论粗糙度，可由下列公式得出 由公式（2）和(3)可得加工参数如下 式中ITI在目前的研究中称为刀具干涉指数。 由公式（3）,可知刀具干涉指数为正值，而且我们也可知当刀具干涉指数小于或等于1时，很可