一种单刃金刚石球头铣刀偏心量的在位精密标定方法与流程

1.本发明涉及超精密加工技术领域，更具体的是涉及单刃金刚石球头铣刀偏心量的在位精密标定方法技术领域。


背景技术：

2.球头铣削是一种加工复杂曲面零件的重要方法。在超精密铣削加工领域，利用单刃金刚石球头铣削可以加工得到纳米级粗糙度的光滑表面，该技术被重点应用于微小复杂曲面零件、微曲面阵列的超精密加工中。目前，国内外学者对球头铣削加工技术进行了深入研究，除机床运动精度之外，刀具制造误差和刀具安装误差等对超精密球头铣削加工精度的影响也十分显著。
3.受限于刀具制造精度及装夹精度，在实际加工中，微径球头铣刀相对于铣轴回转轴线不可避免地存在一定的偏心误差，这会直接降低所加工零件的面型精度和尺寸精度，从而对其使用性能产生不利影响。通过对球头铣刀的偏心误差进行补偿是一种提高零件加工精度的重要方法。因此，对球头铣刀的偏心误差进行精密标定是提高零件加工精度的必要环节。
4.单刃金刚石球头铣刀的偏心误差包括刀具刃磨引起的偏心误差以及刀杆装夹引起的偏心误差。有多种方法被用于标定刀杆装夹引起的偏心误差。千分表测量法是一种广泛应用的方法，该方法通过对装夹在铣削轴上的刀杆进行打表测试直接测得刀杆安装偏心量，简单方便。但该方法精度不高，并且测量结果受刀杆本身的圆度影响较大，测量精度通常为5～10μm。激光测微仪和电感测微仪均被应用于标定刀杆偏心误差，此类方法可以实现刀杆回转过程中径向偏移距离的连续测量，因此可以实现刀杆圆度误差的分离，相对于千分表测量法，测量精度有所提高，通常为2～3μm。ccd显微镜测量法是一种可以实现铣刀总偏心误差标定的常用方法。该方法沿轴向对铣刀回转至不同角度的相对位置进行记录，从而实现铣刀总偏心误差的标定。然而，这些常用的铣刀偏心测量方法都只能针对铣刀静态回转的偏心量进行测试，且测量精度不能达到亚微米量级，难以满足超精密铣削对铣刀偏心量的标定精度要求。
5.因此，研究单刃金刚石球头铣刀偏心量的精密标定方法具有重要意义，可以对超精密铣削加工相关技术的发展起到积极作用。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于：为了解决上述技术问题，本发明提供一种单刃金刚石球头铣刀偏心量的在位精密标定方法。
7.本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
8.一种单刃金刚石球头铣刀偏心量的在位精密标定方法，包括如下步骤：
9.步骤一、铣削轴轴线的精确定位，通过b轴回转，调整铣削轴轴线方向，使其与机床z轴平行；
10.步骤二、试切件表面的超精密铣削加工，将待测单刃金刚石球头铣刀装夹于机床铣削轴上，启动铣削轴，将试切件表面加工平整；
11.步骤三、带偏心复印的微凹坑铣削加工，调整铣削轴转速为正式零件加工时所用的转速，在试切件表面加工得到多个带偏心复印的微凹坑；
12.步骤四、带偏心复印的微凹坑的微结构表面微形貌检测，将试切件拆卸，利用原子力显微镜对加工得到的多个微凹坑的微结构进行检测，得到微凹坑微结构的中心点微形貌数据；
13.步骤五、铣刀偏心量的识别与标定，观察微凹坑微结构中心点附近微形貌，判断铣刀偏心量的正负方向，并计算铣刀偏心大小；
14.判断铣刀偏心方向的具体方法为：如果微结构中心点附近形貌为一凹圆台，则铣刀偏心量为负，即向内偏心，如果微结构中心点附近形貌为一凸圆台，则铣刀偏心量为正，即向外偏心；
15.标定铣刀偏心量的具体方法为：当铣刀偏心为负时，利用最小二乘法计算凹圆台底部小圆台的半径，得到铣刀向内偏心量，当铣刀偏心为正时，利用最小二乘法计算凸圆台底部大圆台的半径，得到铣刀向外偏心量；
16.分别对多个凹坑微结构的检测结果进行偏心量的识别计算，取平均值得到最终标定的铣刀偏心值。
17.进一步地，步骤一的具体过程为：在铣削轴上装夹标准圆柱棒，其圆柱度小于0.2μm，调整圆柱棒位置使其有效伸出长度20～30mm，利用磁吸表座将千分表固定于机床z轴上，然后将千分表测头接触于标准圆柱棒上，通过机床手轮移动机床z轴使千分表测头在标准圆柱棒表面移动，同时观察千分表盘在两极限位置的示数，根据表盘示数，微调b轴回转角度位置，直至千分表在两极限位置的相对差值小于1μm。
18.进一步地，步骤二中，待测单刃金刚石球头铣刀半径为0.02～2mm，试切件为直径2～3mm的铜圆柱，平面铣削采用往复式走刀，铣削轴转速20000～30000r/min，铣刀包角范围为0～90
°
，铣削走刀速度60～120mm/min，铣削深度3～5μm，铣削步距1～8μm。
19.进一步地，步骤三中，所述以10～20mm/min的走刀速度缓慢移动工件使铣刀切入试切件表面2～3μm，停留1～2s，在试切件表面加工得到带偏心复印的微凹坑，分别在间隔0.5mm的不同位置重复进行加工，得到至少3个带偏心复印的微凹坑。
20.本发明的有益效果如下：
21.1.本发明采用铣刀在位试切加工凹坑微结构，借助于原子力显微镜检测，实现单刃金刚石铣刀偏心量的在位精密标定，相比于通常的静态测量方法，可以实现金刚石铣刀在高速回转运动中实际偏心量的精密测量。
22.2.本发明可以标定铣刀制造偏心误差和刀具装夹偏心误差综合引起的总偏心误差，操作简便，且数据处理简单，标定精度高，偏心量检测精度优于0.2μm。
附图说明
23.图1是铣削轴轴线精确定位的示意图；
24.图2是带偏心复印的微凹坑铣削加工示意图；
25.图3是铣刀在不同偏心情况下加工的微凹坑示意图，其中图3(a)是铣刀向外偏心
加工的微凹坑形貌，图3(b)是铣刀向内偏心加工的微凹坑形貌。
26.图中标记：1-标准圆柱，2-铣削轴，3-千分表，4-磁力表座，5-b轴，6-z轴，7-试切工件，8-单刃金刚石铣刀。
具体实施方式
27.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
28.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
30.在本发明实施方式的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
31.实施例1
32.如图1到3所示，本实施例提供一种单刃金刚石球头铣刀偏心量的在位精密标定方法，包括如下步骤：
33.步骤一、铣削轴轴线的精确定位，通过b轴回转，调整铣削轴轴线方向，使其与机床z轴平行；
34.如图1所示，具体过程为：在铣削轴上装夹标准圆柱棒，其圆柱度小于0.2μm，调整圆柱棒位置使其有效伸出长度20～30mm，利用磁吸表座将千分表固定于机床z轴上，然后将千分表测头接触于标准圆柱棒上，通过机床手轮移动机床z轴使千分表测头在标准圆柱棒表面移动，同时观察千分表盘在两极限位置的示数，根据表盘示数，微调b轴回转角度位置，直至千分表在两极限位置的相对差值小于1μm；
35.步骤二、试切件表面的超精密铣削加工，将待测单刃金刚石球头铣刀装夹于机床铣削轴上，启动铣削轴，将试切件表面加工平整，其中待测单刃金刚石球头铣刀半径为0.02～2mm，铣刀包角范围为0～90
°
，试切件为直径2～3mm的铜圆柱，平面铣削采用往复式走刀，铣削轴转速20000～30000r/min，铣削走刀速度60～120mm/min，铣削深度3～5μm，铣削步距1～8μm；
36.步骤三、带偏心复印的微凹坑铣削加工，调整铣削轴转速为正式零件加工时所用的转速，缓慢移动工件使铣刀切入试切件表面，在试切件表面加工得到带偏心复印的微凹坑，分别在间隔0.5mm的不同位置重复进行加工，得到至少3个带偏心复印的微凹坑；
37.步骤四、带偏心复印的凹坑微结构表面微形貌检测，将试切件拆卸，利用原子力显
微镜对加工得到的多个凹坑微结构进行检测，得到凹坑微结构的中心点微形貌数据；
38.步骤五、铣刀偏心量的识别与标定，观察凹坑微结构中心点附近微形貌，判断铣刀偏心量的正负方向，并计算铣刀偏心大小，分别对多个凹坑微结构的检测结果进行偏心量的识别计算，取平均值得到最终标定的铣刀偏心值。
39.本实施例中，单刃金刚石球头铣削加工中的总偏心误差是刀具刃磨引起的偏心误差以及刀杆装夹引起的偏心误差综合作用的结果。刀具偏心误差会导致铣刀实际回转轮廓偏离理想的球形轮廓，从而降低所加工曲面的面型精度。本发明主要基于刀尖铣削微凹坑的试切方法，结合原子力显微镜观测，实现对单刃金刚石球头铣刀偏心量的在位精密标定。
40.围绕单刃金刚石球头铣刀偏心量的标定，提出了高精度的测量方法，主要步骤包括：铣削轴轴线的精确定位；试切件表面的超精密铣削加工；带偏心复印的微凹坑铣削加工；带偏心复印的凹坑微结构表面微形貌检测；铣刀偏心量的识别与标定。
41.提出的方法可以对单刃金刚石球头铣刀偏心量进行在位精密标定，且数据处理简单，标定精度高，偏心量标定精度优于0.2μm。相比于传统的静态测量方法，本发明的方法可以实现金刚石铣刀在高速回转运动中实际偏心量的精密测量，有助于推动我国超精密加工相关技术的发展。
42.实施例2
43.本实施例是在实施例1的基础上做了进一步优化，具体是：
44.步骤三中，缓慢移动工件加工微凹坑时，走刀速度为10～20mm/min，切入试切件表面的深度为2～3μm，且在最后需停留1～2s。
45.实施例3
46.本实施例是在实施例1-2的基础上做了进一步优化，具体是：
47.步骤四中，将试切件拆卸后，需要利用无水乙醇冲试切件表面，并利用气枪将表面吹干，去除表面污染物，以排除污染物对后续测量结果的影响。
48.实施例4
49.本实施例是在实施例1-3的基础上做了进一步优化，具体是：
50.步骤五中，判断铣刀偏心方向的具体方法为：如果微结构中心点附近形貌为一凹圆台，如图3(a)所示，则铣刀偏心量为负，即向内偏心，如果微结构中心点附近形貌为一凸圆台，如图3(b)所示，则铣刀偏心量为正，即向外偏心；标定铣刀偏心量的具体方法为：当铣刀偏心为负时，如图3(a)所示，利用最小二乘法计算凹圆台底部小圆的半径ra，得到铣刀向内偏心量，当铣刀偏心为正时，如图3(b)所示，利用最小二乘法计算凸圆台底部大圆的半径rb，得到铣刀向外偏心量。