一种半球谐振子高效低损伤磨削的小直径球头砂轮磨削工艺参数优化方法技术

本发明专利技术一种半球谐振子高效低损伤磨削的小直径球头砂轮磨削工艺参数优化方法，涉及半球谐振子超精密加工技术领域，为解决现有方法难以在控制半球谐振子亚表面损伤的前提下，兼顾谐振子的加工效率与加工质量对工艺参数进行优化的问题。本发明专利技术采用中心复合实验设计方法，建立亚表面损伤深度的响应曲面模型，以高效率和低亚表面损伤深度为约束条件，确定影响工件表面损伤的工艺参数及其范围，将加工过程划分为高效磨削阶段和低损伤磨削阶段，建立损伤抑制模型控制低损伤磨削阶段剩余的理论亚表面损伤深度小于当前磨削工艺参数下的损伤深度，制定高效低损伤的加工工艺路径。本发明专利技术方法提高了半球谐振子的加工效率和加工质量。方法提高了半球谐振子的加工效率和加工质量。方法提高了半球谐振子的加工效率和加工质量。

【技术实现步骤摘要】
一种半球谐振子高效低损伤磨削的小直径球头砂轮磨削工艺参数优化方法


[0001]本专利技术涉及半球谐振子超精密加工
，具体而言，涉及一种半球谐振子高效低损伤磨削的小直径球头砂轮磨削工艺参数优化方法。

技术介绍

[0002]随着超精密加工技术的快速发展，在火箭、卫星、舰艇、洲际导弹等国防尖端装备的核心器件呈现出结构复杂化、小型化、高加工要求等发展趋势，对其可靠性和质量提出了严格要求。半球谐振子是一种典型的半球谐振子，由熔石英材料通过超精密磨削工艺来保证其尺寸精度和形位公差。由于熔石英材料是典型的硬脆材料，在磨削过程中不可避免的会产生凹坑、裂纹等亚表面损伤(SSD)。损伤层的深度不仅影响后续磁流变抛光的效率，同时也影响零件的加工质量，降低零件的使役性能。如何在控制半球谐振子亚表面损伤的前提下，兼顾谐振子的加工效率与加工质量，同时，考虑小直径的金刚石球头砂轮的金刚石磨粒的尺寸(微米量级小于10μm)，以优化磨削工艺参数以提高加工效率，实现高效、低损伤、高质量的磨削加工是目前此类零件加工的瓶颈难题。

技术实现思路

[0003]本专利技术要解决的技术问题是：
[0004]现有方法针对半球谐振子的超精密磨削加工，难以在控制半球谐振子亚表面损伤的前提下，兼顾谐振子的加工效率与加工质量对工艺参数进行优化。
[0005]本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案：
[0006]本专利技术提供了一种半球谐振子高效低损伤磨削的小直径球头砂轮磨削工艺参数优化方法，包括如下步骤：
[0007]S1、以球头砂轮的金刚石磨粒尺寸为变量，在工件上开展单因素实验；
[0008]S2、测量不同金刚石磨粒尺寸下工件的亚表面损伤深度，以工件的亚表面损伤深度最小为约束条件并综合考虑高效率加工，确定加工半球谐振子最优的砂轮磨粒尺寸；
[0009]S3、基于确定的最优砂轮磨粒尺寸，采用中心复合实验设计方法，以待优化工艺参数作为中心复合设计因子，以亚表面损伤深度作为响应指标设计中心复合实验方案，开展中心复合实验，测量每组工艺参数下工件的亚表面损伤深度，建立亚表面损伤深度的响应曲面模型；
[0010]S4、基于建立的亚表面损伤深度的响应曲面模型，分别以高效率和低亚表面损伤深度为约束条件，确定影响工件表面损伤的工艺参数及其范围；
[0011]S5、将加工过程划分为高效磨削阶段和低损伤磨削阶段，测量工件毛坯的初始亚表面损伤，根据S4得到的影响工件表面损伤的工艺参数及其范围，确定高效磨削阶段的工艺参数，根据工件毛坯的初始损伤测量结果确定各工艺参数下的磨削次数；
[0012]根据S4得到的影响工件表面损伤的工艺参数及其范围，确定低损伤磨削阶段的工
艺参数，并开展磨削实验，测量不同工艺参数下工件的亚表面损伤深度；根据损伤的叠加效应建立损伤抑制模型，控制低损伤磨削阶段剩余的理论亚表面损伤深度小于等于当前磨削工艺参数下的损伤深度，以确定各工艺参数下的磨削次数，最终得到半球谐振子高效低损伤磨削的小直径球头砂轮磨削加工路径。
[0013]进一步地，S2中确定加工半球谐振子最优的砂轮磨粒尺寸为5～7μm。
[0014]进一步地，S3中所述待优化工艺参数包括：磨削速度v
s
，磨削深度a
p
，进给速度f。
[0015]进一步地，S3包括如下过程：
[0016]S31、确定磨削速度v
s
，磨削深度a
p
，进给速度f各工艺参数的范围，基于确定的最优砂轮磨粒尺寸，采用中心复合实验设计(CCD)方法，以待优化工艺参数作为中心复合设计因子，以亚表面损伤深度作为响应指标设计中心复合实验方案，开展中心复合试验；
[0017]S32、测量实验方案中各组工艺参数加工下的亚表面损伤深度；
[0018]S33、采用最小二乘法对测量得到的亚表面损伤深度数据进行回归处理，建立亚表面损伤深度的响应曲面的形式为：
[0019][0020]式中，y表示亚表面损伤深度，x
i
，x
j
表示自变量，β
i
表示因素x
i
对应的一次项影响，β
ij
表示不同因素x
i
和x
j
之间的交互影响；β
ii
表示因素x
i
的二次项影响，k表示因素个数；采用最小二乘算法获得二阶响应曲面模型各项系数。
[0021]进一步地，确定影响工件表面损伤的工艺参数及其范围为：进给速度：30μm/s～40μm/s，磨削速度：14m/s，低损伤磨削阶段中采用磨削深度逐渐降低的加工方式进行加工。
[0022]进一步地，S5中所述损伤抑制模型为：
[0023][0024]式中，SSD(a
pi
,v
si
,f
i
,d
gi
)为当前磨削工艺参数下对应的亚表面损伤深度，SSD
init
为工件初始亚表面损伤深度，a
pi
为当前工艺对应的磨削深度。
[0025]进一步地，S5中制定高效磨削阶段的工艺路径为：
[0026]阶段I：砂轮转速71000r/min，工件转速30r/min，磨削深度5μm，进给速度40μm/s，磨削至全表面磨削完成；
[0027]阶段II：砂轮转速71000r/min，工件转速30r/min，磨削深度5μm，进给速度40μm/s，磨削6次；
[0028]阶段III：砂轮转速71000r/min，工件转速30r/min，磨削深度5μm，进给速度30μm/s，磨削2次；
[0029]制定低损伤磨削阶段的工艺路径为：
[0030]阶段I：砂轮转速71000r/min，工件转速30r/min，磨削深度2μm，进给速度30μm/s，磨削2次；
[0031]阶段II：砂轮转速71000r/min，工件转速30r/min，磨削深度1μm，进给速度30μm/s，磨削2次；
[0032]阶段III：砂轮转速71000r/min，工件转速30r/min，磨削深度0.5μm，进给速度30μm/s，磨削1次；
[0033]阶段IV：砂轮转速71000r/min，工件转速30r/min，磨削深度0.1μm，进给速度30μm/s，磨削1次；
[0034]阶段V：砂轮转速71000r/min，工件转速30r/min，磨削深度0μm，进给速度30μm/s，磨削1次。
[0035]进一步地，工件亚表面损伤的测量方法包括如下步骤：
[0036]步骤1、选定的抛光工艺参数，对元件侧壁表面进行磁流变单点抛光，形成抛光斑点；
[0037]步骤2、将抛光后的工件进行清洗和刻蚀；
[0038]步骤3、测量抛光斑点的三维形貌轮廓，截取其二维轮廓得到抛光斑点截面轮廓；
[0039]步骤4、测量抛光区域内裂纹消失点距本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种半球谐振子高效低损伤磨削的小直径球头砂轮磨削工艺参数优化方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、以球头砂轮的金刚石磨粒尺寸为变量，在工件上开展单因素实验；S2、测量不同金刚石磨粒尺寸下工件的亚表面损伤深度，以工件的亚表面损伤深度最小为约束条件并综合考虑高效率加工，确定加工半球谐振子最优的砂轮磨粒尺寸；S3、基于确定的最优砂轮磨粒尺寸，采用中心复合实验设计方法，以待优化工艺参数作为中心复合设计因子，以亚表面损伤深度作为响应指标设计中心复合实验方案，开展中心复合实验，测量每组工艺参数下工件的亚表面损伤深度，建立亚表面损伤深度的响应曲面模型；S4、基于建立的亚表面损伤深度的响应曲面模型，分别以高效率和低亚表面损伤深度为约束条件，确定影响工件表面损伤的工艺参数及其范围；S5、将加工过程划分为高效磨削阶段和低损伤磨削阶段，测量工件毛坯的初始亚表面损伤，根据S4得到的影响工件表面损伤的工艺参数及其范围，确定高效磨削阶段的工艺参数，根据工件毛坯的初始损伤测量结果确定各工艺参数下的磨削次数；根据S4得到的影响工件表面损伤的工艺参数及其范围，确定低损伤磨削阶段的工艺参数，并开展磨削实验，测量不同工艺参数下工件的亚表面损伤深度；根据损伤的叠加效应建立损伤抑制模型，控制低损伤磨削阶段剩余的理论亚表面损伤深度小于等于当前磨削工艺参数下的损伤深度，以确定各工艺参数下的磨削次数，最终得到半球谐振子高效低损伤磨削的小直径球头砂轮磨削加工路径。2.根据权利要求1所述的半球谐振子高效低损伤磨削的小直径球头砂轮磨削工艺参数优化方法，其特征在于，S2中确定加工半球谐振子最优的砂轮磨粒尺寸为5～7μm。3.根据权利要求1所述的半球谐振子高效低损伤磨削的小直径球头砂轮磨削工艺参数优化方法，其特征在于，S3中所述待优化工艺参数包括：磨削速度v
s
，磨削深度a
p
，进给速度f。4.根据权利要求3所述的半球谐振子高效低损伤磨削的小直径球头砂轮磨削工艺参数优化方法，其特征在于，S3包括如下过程：S31、确定磨削速度v
s
，磨削深度a
p
，进给速度f各工艺参数的范围，基于确定的最优砂轮磨粒尺寸，采用中心复合实验设计(CCD)方法，以待优化工艺参数作为中心复合设计因子，以亚表面损伤深度作为响应指标设计中心复合实验方案，开展中心复合试验；S32、测量实验方案中各组工艺参数加工下的亚表面损伤深度；S33、采用最小二乘法对测量得到的亚表面损伤深度数据进行回归处理，建立亚表面损伤深度的响应曲面的形式为：式中，y表示亚表面损伤深度，x
i
，x
j
表示自变量，β
i
表示因素x
i
对应的一次项影响，β
ij
表示不同因素x
i
和x
j
之间的交互影响；β
ii
表示因素x
i
的二次项影响，k表示因素个数；采用最小二乘算法获得二阶响应曲面模型各项系数。5.根据权利要求4所述的半球谐振子高效低损伤磨削的小直径球头砂轮磨削工艺参数
优化方法，其特征在于，确定影响工件表面损伤的工艺参数及其范围为：进给速度：30μm/s～40μm/s，磨削速度：14m/s，低损伤磨削阶段中采用磨削深度逐渐降低的加工方式进行加工。6.根据权利要求1所述的半球谐振子高效低损伤磨削的小直径球头砂轮磨削工艺参数优化方法，其特征在于，S5中所述损伤抑制模型为：式中，SSD(a

【专利技术属性】
技术研发人员：陈明君，秦彪，刘赫男，吴春亚，程健，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：