轴类零件外圆表面的磁流变确定性修形方法及装置与流程

本发明涉及轴类零件外圆表面的超精密加工领域，尤其涉及一种轴类零件外圆表面的磁流变确定性修形方法及装置。

背景技术：

轴类零件被广泛用于各类机械设备，自20世纪以来，随着工业的高速发展，高精度轴类零件被广泛用于超精密机床、精密仪器、航天工业、高端光学制造等领域。如超精密机床中的主轴、euv和x射线wolter型掠入式反射镜筒芯模、超高精度陀螺仪的转子等都对轴类零件有超高精度的加工要求。以气浮主轴芯轴为例，目前的超精密机床主轴回转精度可达25～50nm，能达到此回转精度的轴要求圆度误差在0.1μm、圆柱度误差1μm左右；而euv掠入式反射镜镜筒芯模要求圆度误差达到亚微米级、表面粗糙度要达到纳米级，x射线反射镜筒精度要求则更高。

目前高精度轴类零件工艺一般可由车削、磨削、手工研磨抛光几个工序组成，其中穿插有各类表面处理。以φ100mm*150mm的轴工件为例，当今超精密外圆磨床的加工极限精度可达圆度误差0.2～0.3μm，圆柱度0.5～0.6μm。由于传统机械加工方式遵循“母性原则”，加工出的零件精度不会超过机床自身运动精度，所以要想追求更高精度则对机床提出了过高要求，最终往往依赖人工研磨的方式实现。手工研磨是非确定性加工，研磨精度高度依赖于工人的加工经验，加工效率低下。

国防科技大学公开号cn110202418a专利公开了一种轴类零件外圆表面的确定性砂带修形方法，将确定性修形方法引入到轴类零件的修形中。该方法对测量得到的面形误差数据使用脉冲迭代法进行驻留时间的解算，采用沿着平行于工件轴线方向振动的砂带进行材料去除，在一台改造后的数控车床上实现了可达高精度外圆磨床加工精度的加工效果。为保证砂带研抛去除函数的稳定性以及较好的修形效率，修形采用开式砂带。当面对表面积较大的轴类零件时，一卷砂带无法实现遍历整个轴表面的加工。磁流变抛光技术是由美国qed公司产品化的新型光学元件高精度加工方法，有高加工精度、高加工效率、亚表面损伤小、表面残余应力小、长时间加工稳定性好等优点，可以满足高形状精度和高表面质量的零件加工要求，因此目前磁流变修形被广泛用于平面和自由曲面光学元件的高精度修形。磁流变修形可用于单晶硅、碳化硅、铝及其合金，以及不导磁的不锈钢等材料的修形。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种轴类零件外圆表面的磁流变确定性修形方法及装置，将平面和自由曲面磁流变修形技术引入到轴类零件修形中，通过数控系统控制表面每一个位置的驻留时间实现该位置的定量去除，确定性修正轴类工件的轮廓形状，可以实现超过机床自身运动精度的加工效果，同时能达到很好的表面质量。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种轴类零件外圆表面的磁流变确定性修形方法，包括以下步骤：

1)用圆柱度仪测量得到待加工轴类零件表面的形状误差数据；

2)对形状误差数据进行滤波处理；

3)针对处理后的形状误差数据，选取合适尺寸的磁流变抛光轮，在给定加工参数下用轴类磁流变修形机床对待加工轴类零件进行加工，获取去除函数；

4)根据处理后的形状误差数据和获取的去除函数，在工艺软件中解算驻留时间进行仿真加工，若精度达到要求且机床动态性能满足要求，则进入步骤5)，否则返回步骤3)；

5)利用工艺软件生成数控机床的加工代码，将加工代码导入轴类磁流变修形机床进行加工。

进一步的，步骤1)具体包括以下步骤：

1.1)在待加工轴类零件上标记测量起点，测量起点同时作为加工起点；

1.2)从测量起点开始对待加工轴类零件进行多圆度测量得到测量数据，多圆度测量的相邻截面间距为5～10mm；

1.3)将测量数据在圆柱度仪测量软件和工艺软件中计算得到圆度误差数据和圆柱度误差数据，在工艺软件中将测量数据处理得到展开的待加工轴类零件柱面误差形貌图。

进一步的，步骤2)具体包括以下步骤：

2.1)对形状误差数据进行不同阈值的高斯低通滤波，在滤波后将数据展开绘制误差分布图，提取误差分布图中误差幅值超过目标精度的位置和存在的主要频率区间，确定滤波参数范围t1；

2.2)结合零件设计和加工工况对表面形貌的要求得到滤波参数范围t2；

2.3)以t2为最终滤波范围t的基准，结合t1的滤波参数范围对最终滤波范围t的范围进行调整后得到最终滤波范围t，利用最终滤波范围t对形状误差数据进行滤波处理。

进一步的，步骤3)具体包括以下步骤：

3.1)利用傅里叶变换求得处理后的形状误差数据中圆度误差数据的归一幅值谱，将最大幅值10％处对应的频率作为轴类零件圆周方向的轮廓截止频率；

3.2)利用傅里叶变换求得处理后的形状误差数据中圆柱度误差数据的归一幅值谱，将最大幅值10％处对应的频率作为轴类零件沿轴向的轮廓截止频率；

3.3)根据轴类零件沿轴向和圆周方向的轮廓截止频率，选取相对应的磁流变抛光轮的直径和宽度；

3.4)将被选取的磁流变抛光轮安装在轴类磁流变修形机床上，调整加工参数，在加工参数下通过轴类磁流变修形机床对待加工轴类零件进行定点去除，获取去除函数。

进一步的，步骤4)具体包括以下步骤：

4.1)用圆柱度仪对加工后的轴类零件进行测量，提取去除函数；

4.2)将去除函数导入工艺软件进行仿真加工，如果加工结果不满足精度要求，则跳转执行步骤3.3)开始重新选取磁流变抛光轮的直径、宽度并重新调整加工参数，如果满足则进入下一步；

4.3)对工艺软件解算出的驻留时间进行处理，判断轴类零件主轴转速、平行于主轴方向的z轴移动速度和垂直于主轴方向的x轴移动速度是否超过了机床主轴、z轴和x轴的最高运动速度，如果超过则跳转执行步骤3.3)开始重新选取磁流变抛光轮的直径、宽度并重新调整加工参数，如果没超过则跳转执行步骤5)。

本发明还提出一种轴类零件外圆表面的磁流变确定性修形装置，包括轴类磁流变修形机床，所述轴类磁流变修形机床为安装有磁流变确定性修形模块的数控机床，所述数控机床包括c轴主轴、尾座、z轴溜板和x轴溜板，所述c轴主轴和尾座之间设有用于安装被加工的轴类零件的空隙，所述c轴主轴和尾座上分别设有相对布置的顶尖，所述磁流变确定性修形模块安装于x轴溜板上，所述x轴溜板安装于z轴溜板上，所述磁流变确定性修形模块包括表面覆盖有磁流变液的磁流变抛光轮，所述磁流变抛光轮与被加工的轴类零件接触。

进一步的，所述磁流变确定性修形模块包括磁流变液循环系统。

本发明还提出一种轴类零件外圆表面的磁流变确定性修形系统，包括计算机设备，所述计算机设备被编程或配置以执行权利要上述的轴类零件外圆表面的磁流变确定性修形方法的步骤。

本发明还提出一种轴类零件外圆表面的磁流变确定性修形系统，包括计算机设备，所述计算机设备的存储介质上存储有或配置以执行上述的轴类零件外圆表面的磁流变确定性修形方法的计算机程序。

本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行上述的轴类零件外圆表面的磁流变确定性修形方法的计算机程序。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的方法将之前用于平面和自由曲面高精度确定性加工的磁流变确定性修形方法用来加工轴类零件，可以加工出比超精密外圆磨床形状精度更高的轴类零件；其次由于磁流变修形造成的亚表面损伤小、表面残余应力小的加工特点，本发明修形后的零件表面质量更好，因此可以扩展到一些光学柱面零件的确定性修形。

本发明的装置中磁流变加工使用的磁流变液容量大，同时又具备自循环功能，因此可以实现长时间的稳定加工，可以胜任柱面面积大的高精度轴类零件加工，相比于确定性开式砂带研抛，由于砂带研抛的砂带长度有限，在对直径比较大或者长度比较长的轴类零件进行修行时，加工速度慢会导致砂带不够用，加工速度快会导致表面面形精度和表面质量又无法保证。

附图说明

图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。

图2为本发明实施例磁流变修形的去除函数三维形貌俯视图。

图3为本发明实施例不同加工参数下的磁流变修形去除函数三维形貌俯视图。

图4为本发明实施例待加工表面的三维和展开后的形貌图。

图5为本发明实施例经过磁流变修形后的轴表面形貌图。

图6为本发明实施例经过磁流变修形后和修形前的轴表面截面圆度数据对比。

图7为本发明实施例磁流变确定性修形装置示意图。

图8为本发明实施例磁流变对轴类零件修形过程示意图。

图例说明：1-c轴主轴、2-尾座、3-顶尖、4-被加工的轴类零件、5-z轴溜板、6-x轴溜板、7-磁流变确定性修形模块。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的轴类零件外圆表面的磁流变确定性修形方法包括以下步骤：

1)用圆柱度仪测量得到待加工轴类零件表面的形状误差数据；

2)对形状误差数据进行滤波处理；

3)针对处理后的形状误差数据，选取合适尺寸的磁流变抛光轮，在给定加工参数下用轴类磁流变修形机床对待加工轴类零件进行加工，获取去除函数；

4)根据处理后的形状误差数据和获取的去除函数，在工艺软件中解算驻留时间进行仿真加工，若精度达到要求且机床动态性能满足要求，则进入步骤5)，否则返回步骤3)；

5)利用工艺软件生成数控机床的加工代码，将加工代码导入轴类磁流变修形机床进行加工。

本发明将之前用于平面和自由曲面高精度确定性加工的磁流变确定性修形方法用来加工轴类零件，可以加工出比超精密外圆磨床形状精度更高的轴类零件；其次由于磁流变修形造成的亚表面损伤小、表面残余应力小的加工特点，本发明修形后的零件表面质量更好，因此可以扩展到一些光学柱面零件的确定性修形。

本实施例中，步骤1)具体包括以下步骤：

1.1)在待加工轴类零件上标记测量起点，测量起点同时作为加工起点；

1.2)从测量起点开始对待加工轴类零件进行多圆度测量得到测量数据，多圆度测量的相邻截面间距为5～10mm；

1.3)将测量数据在圆柱度仪测量软件和工艺软件中计算得到圆度误差数据和圆柱度误差数据，在工艺软件中将测量数据处理得到展开的待加工轴类零件柱面误差形貌图。

本实施例中，步骤2)具体包括以下步骤：

2.1)对形状误差数据进行不同阈值的高斯低通滤波，在滤波后将数据展开绘制误差分布图，提取误差分布图中误差幅值超过目标精度的位置和存在的主要频率区间，确定滤波参数范围t1；

2.2)结合零件设计和加工工况对表面形貌的要求得到滤波参数范围t2；

2.3)以t2为最终滤波范围t的基准，结合t1的滤波参数范围对最终滤波范围t的范围进行调整后得到最终滤波范围t，利用最终滤波范围t对形状误差数据进行滤波处理。

在轴的表面质量允许的情况下，滤波参数范围越小越有利于加工，而t2与轴本身的轮廓属性相关性最大，因此选取t2作为基准。

在t1小于t2的情况下，最终滤波范围t在t2的基础上保持不变，例如滤波参数范围t1为1～5upr，滤波参数范围t2为1～10upr，以t2(1～10upr)为基准，结合t1(1～5upr)的滤波范围，t的滤波范围为1～10upr；

在t1大于t2但t1与t2之差小于阈值的情况下，最终滤波范围t在t2的基础上保持不变，例如滤波参数范围t1为1～12upr，滤波参数范围t2为1～10upr，阈值为5upr，以t2(1～10upr)为基准，结合t1(1～12upr)的滤波范围，由于t1与t2之差小于5upr，t的滤波范围为1～10upr；

在t1大于t2但t1与t2之差小于阈值的情况下，最终滤波范围t调整为t1的滤波范围，例如滤波参数范围t1为1～20upr，滤波参数范围t2为1～10upr，阈值为5upr，以t2(1～10upr)为主要参照依据，结合t1(1～20upr)的滤波范围，由于t1与t2之差大于5upr，最终滤波范围t调整为t1的滤波范围1～20upr。

本实施例中，步骤3)具体包括以下步骤：

3.1)利用傅里叶变换求得处理后的形状误差数据中圆度误差数据的归一幅值谱，将最大幅值10％处对应的频率作为轴类零件圆周方向的轮廓截止频率；

3.2)利用傅里叶变换求得处理后的形状误差数据中圆柱度误差数据的归一幅值谱，将最大幅值10％处对应的频率作为轴类零件沿轴向的轮廓截止频率；

3.3)根据轴类零件沿轴向和圆周方向的轮廓截止频率，选取相对应的磁流变抛光轮的直径和宽度。抛光轮的直径和宽度越小，去除函数长度和宽度的尺寸就越小，其截止频率就越高；

3.4)将被选取的磁流变抛光轮安装在轴类磁流变修形机床上，调整加工参数，在加工参数下通过轴类磁流变修形机床对待加工轴类零件进行定点去除，获取去除函数。

磁流变修形的去除函数三维形貌和二维形貌如图2所示，俯视视角呈字母“d”形。在磁流变抛光轮的直径和宽度不变的情况下，去除函数的长度和宽度主要与抛光轮压深、磁流变液流量、抛光轮转速和磁场强度都相关，抛光轮压深越大、抛光轮转速越高、磁流变液流量越高，去除函数的长度和宽度均减小，对应的去除函数截止频率就越高，反之亦然；而磁场强度主要影响去除函数的宽度，磁场强度约大，宽度越小，宽度方向上的轮廓截止频率越高。因此本实施例中将抛光轮压深、磁流变液流量、抛光轮转速和磁场强度作为加工参数，只要对加工参数进行调整，就可以得到图3中的不同尺寸的去除函数，而不同尺寸的去除函数具备不同的截止频率，具备不同的修形能力。

去除函数的修形能力可以用去除函数傅里叶变换的归一化幅值谱进行描述。当去除函数截止频率比轴类零件形状误差数据截止频率高的时候，则去除函数在理论上具备对轴类零件表面误差的修正能力。其中截止频率低的去除函数通常具有较高的修形效率，适用于修正空间波长较长的宏观面形误差；其中截止频率高的去除函数修正面形误差频率范围更大，但是同时因定位误差的存在，会在面形上留下中高频误差，修形效果受去除函数的定位精度影响较大。针对轴类零件沿轴向和圆周方向的轮廓截止频率，合理地选取加工参数可以使得去除函数的修形精度和修形效率最优化。

本实施例中，步骤4)具体包括以下步骤：

4.1)用圆柱度仪对加工后的轴类零件进行测量，提取去除函数；

4.2)将去除函数导入工艺软件进行仿真加工，如果加工结果不满足精度要求，则跳转执行步骤3.3)开始重新选取磁流变抛光轮的直径和宽度并重新调整加工参数，使得去除函数的截止频率降低以提高修形精度，如果满足则进入下一步；

4.3)对工艺软件解算出的驻留时间进行处理，判断轴类零件主轴转速、平行于主轴方向的z轴移动速度和垂直于主轴方向的x轴移动速度是否超过了机床主轴、z轴和x轴的最高运动速度，如果超过则跳转执行步骤3.3)开始重新选取磁流变抛光轮的直径和宽度并重新调整加工参数，使得去除函数的截止频率升高以降低修形效率，如果没超过则跳转执行步骤5)。

本实施例中，根据速度计算模型分别计算轴类零件主轴转速、z轴移动速度和x轴移动速度，速度计算模型的函数表达式为：

上式中，dl为形状误差数据的离散间隔，形状误差数据相对于主轴、z轴和x轴的轴向离散间隔均为1mm，形状误差数据相对于主轴、z轴和x轴的的周向离散间隔均为1°，dt为驻留时间。

本实施例中，工艺软件在进行驻留时间解算时可以得到主轴、z轴和x轴的轴表面每一个位置对应的驻留时间，因此分别计算轴类零件主轴、z轴和x轴最短驻留时间位置处的速度并与机床主轴、z轴和x轴的最高运动速度进行比较，如果轴类零件主轴、z轴和x轴最短驻留时间位置处的速度大于机床主轴、z轴和x轴的速度，则跳转执行步骤3.3)，通过重新选取磁流变抛光轮的直径和宽度并重新调整加工参数，降低去除函数的修形效率，如果轴类零件主轴、z轴和x轴最短驻留时间位置处的速度小于机床主轴、z轴和x轴的速度，说明机床动态性能能够满足要求，则跳转执行步骤5)。

本实施例中选取一根经过超精密磨削的直径100mm、长度140mm的轴工件作为待加工轴类零件。该待加工轴类零件的初始圆度误差在0.3～0.6μm之间，圆柱度误差为0.72μm，零件的三维误差形貌和柱面面形展开图如图4(a)和图4(b)所示。根据本实施例的方法的步骤1)～步骤4)进行处理，在工艺软件中使用磁流变的去除函数进行仿真加工后，经过242min的修形，最终修形结果如图5所示，其圆柱度误差收敛至0.07μm，圆度误差达到0.04～0.06μm，修形前后轴上5个截面的圆度对比如图6所示。由于目前外圆加工精度最高的超精密外圆磨床也只能达到圆度误差0.2～0.3μm，圆柱度误差0.6μm的加工精度。因此本实施例的方法可以实现目前传统机械加工无法达到的超精密轴类零件的数字化修形。

如图7所示，本发明提出一种轴类零件外圆表面的磁流变确定性修形装置，包括轴类磁流变修形机床，轴类磁流变修形机床为安装有磁流变确定性修形模块7的数控机床，数控机床具备角度伺服控制的c轴、与轴类零件主轴方向平行并搭载刀架的直线运动轴z轴、垂直于轴类零件主轴方向的直线运动轴x轴，具体的，数控机床包括c轴主轴1、尾座2、z轴溜板5和x轴溜板6，c轴主轴1和尾座2之间设有用于安装被加工的轴类零件的空隙，c轴主轴1和尾座2上分别设有相对布置的顶尖3，磁流变确定性修形模块7安装于x轴溜板6上，x轴溜板6安装于z轴溜板5上，磁流变确定性修形模块7以卧式的姿态安装在x轴溜板上，因此磁流变确定性修形模块7可沿着z轴和x轴移动，因为被加工的轴类零件主轴和c轴主轴1平行，因此磁流变确定性修形模块7不用添加额外的转动自由度，当轴类零件主轴和c轴主轴1不平行时，在磁流变确定性修形模块7和x轴溜板6之间添加转动自由度。

如图8所示，本实施例中，磁流变确定性修形模块7包括表面覆盖有磁流变液的磁流变抛光轮，磁流变抛光轮与被加工的轴类零件接触。在加工时，磁流变确定性修形模块7沿着x轴进给，磁流变液在高强度梯度磁场的作用下，形成可控的柔性抛光膜，对被加工的轴类零件进行塑性剪切去除。被加工的轴类零件所在的伺服主轴和z轴进行联动以实现轴表面不同位置的定量去除，进而实现遍历整个零件表面的确定性修形。本实施例的磁流变确定性修形模块7还包括磁流变液循环系统，以实现磁流变液的回收和循环，磁流变液循环系统还可对磁流变液进行在线检测并控制磁流变液的流量、粘度和温度，可提供长时间稳定的修形效率。

本发明还提出一种轴类零件外圆表面的磁流变确定性修形系统，包括计算机设备，所述计算机设备被编程或配置以执行权利要上述的轴类零件外圆表面的磁流变确定性修形方法的步骤。

本发明还提出一种轴类零件外圆表面的磁流变确定性修形系统，包括计算机设备，所述计算机设备的存储介质上存储有或配置以执行上述的轴类零件外圆表面的磁流变确定性修形方法的计算机程序。

本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行上述的轴类零件外圆表面的磁流变确定性修形方法的计算机程序。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。