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

1.本发明涉及半球谐振子超精密加工技术领域，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。


背景技术：

2.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。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是：
4.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。
5.本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案：
6.本发明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：
7.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；
8.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；
9.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；
10.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；
11.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；
12.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。
13.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。
14.进一步地，s3中所述待优化工艺参数包括：磨削速度vs，磨削深度a
p
，进给速度f。
15.进一步地，s3包括如下过程：
16.s31、确定磨削速度vs，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；
17.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；
18.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，xi，xj表示自变量，βi表示因素xi对应的一次项影响，β
ij
表示不同因素xi和xj之间的交互影响；β
ii
表示因素xi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
,fi,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离抛光交界线的水平距离d，根据抛光交界点确定抛光斑点截面轮廓上对应的裂纹消失点的位置；
[0040]
步骤5、利用磨削区域的轮廓数据，基于抛光斑点截面轮廓对被去除的材料轮廓进行拟合重构，得到被去除材料拟合轮廓曲线，计算抛光斑点截面轮廓上裂纹消失点距离被去除材料拟合轮廓曲线的最短距离，得到工件的亚表面损伤深度。
[0041]
进一步地，步骤1中的抛光工艺参数为：抛光头转速7000r/min、抛光间隙80μm，抛光时长15～20min。
[0042]
进一步地，步骤5中被去除材料拟合轮廓曲线为：
[0043][0044]
其中，xi和yi为被去除材料拟合轮廓上i点的坐标，g(x,y)为被去除材料拟合轮廓的曲线方程，r是拟合轮廓半径，xo和yo为拟合圆圆心；
[0045]
抛光斑点截面轮廓线上裂纹消失点与抛光交界点的关系为：
[0046]
x
cv
＝x
pi
+d
[0047]
其中，x
cv
和x
pi
分别为裂纹消失点和抛光交界点的水平坐标；
[0048]
计算抛光斑点截面轮廓上裂纹消失点距离被去除材料拟合轮廓曲线的最短距离为：
[0049][0050]
其中，xc和yc为裂纹消失点和拟合圆圆心的连线与拟合圆的交点，即：
[0051][0052]
相较于现有技术，本发明的有益效果是：以高效率和低亚表面损伤深度为约束条件，
[0053]
本发明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，通过响应曲面法，确定影响加工效率和工件表面损伤深度的关键工艺参数及其范围，并根据损伤的叠加效应建立损伤抑制模型，通过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，制定高效低损伤的超精密磨削工艺路线。
[0054]
通过本发明方法制定的半球谐振子高效低损伤超精密磨削工艺路线，磨削加工时长可减小达33.3％，大幅度提高了半球谐振子的加工效率。
[0055]
采用本发明方法对半球谐振子进行超精密加工，外球面的亚表面损伤深度可减小达92％，有助于减小后续抛光的工作量，提高零件使用性能和寿命。
[0056]
本发明方法具有一定普适性，可推广用于最小面型曲率半径为2mm的小口径(φ20-φ50mm)回转体零件的高效、低损伤、高质量超精密磨削加工。
附图说明
[0057]
图1为本发明实施例中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流程图；
[0058]
图2为本发明实施例中的加工设备结构示意图；
[0059]
图3为本发明实施例中的砂轮运动轨迹示意图；
[0060]
图4为本发明实施例中的磨粒粒度对熔石英亚表面损伤深度的影响规律示意图；
[0061]
图5为本发明实施例中的亚表面损伤深度的响应曲面图；
[0062]
图6为本发明实施例中的半球谐振子外球面的亚表面损伤深度测量示意图图。
[0063]
附图标记说明：
[0064]
1-c轴转台，2-u轴连接架，3、v轴，4-砂轮主轴固定架，5-砂轮主轴，6-球头砂轮，7-水平工作台，8-工件主轴保护罩，9-被加工工件，10-工件主轴，11-u轴保护罩，12-u轴。
具体实施方式
[0065]
在本发明的描述中，应当说明的是，各实施例中的术语名词例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示方位的词语，只是为了简化描述基于说明书附图的位置关系，并不代表所指的元件和装置等必须按照说明书中特定的方位和限定的操作及方法、构造进行操作，该类方位名词不构成对本发明的限制。
[0066]
在本发明的描述中，应当说明的是，在本发明的实施例中所提到的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，并不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。
[0067]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
[0068]
具体实施方案一：如图1所示，本发明提供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：
[0069]
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；
[0070]
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；
[0071]
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；
[0072]
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；
[0073]
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；
[0074]
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。
[0075]
本实施方案中：将加工过程划分为高效磨削阶段和低损伤磨削阶段，高效阶段磨削阶段的目标是进行修型精磨，去除工件毛坯的初始亚表面损伤、以及工件装卡在主轴上时偏心引起的同轴度、壁厚不均匀等误差。低损伤磨削阶段的目标是去除高效磨削阶段的亚表面损伤。
[0076]
如图2所示，本实施方案采用的设备为现有技术的：砂轮主轴倾斜放置并可空间转动的超精密磨削装置，(申请号为：cn201710186959.2)，该装置为四轴联动加工机床，包括三个直线移动轴和一个c轴转台1，还包括砂轮主轴5和工件主轴10，三个直线移动轴分别为x轴直线单元、y轴直线单元和z轴直线单元，通过控制系统控制x轴直线单元和y轴直线单元实现水平工作台7沿x轴方向和y轴方向的直线移动，x轴方向和y轴方向均为水平方向，控制z轴直线单元实现砂轮主轴5沿z轴方向的直线移动，z轴方向为竖直方向，c轴转台1用于实现砂轮主轴5沿z轴的回转运动，球头砂轮6通过精密夹头安装于砂轮主轴5的输出端，实现加工时的高速回转，砂轮主轴5与水平面的夹角为40
°
，砂轮主轴5通过砂轮主轴固定架4悬挂安装于u轴12下方，且u轴12设有u轴保护罩11，u轴12通过u轴连接架2刚性连接在c轴转台1下方，v轴3安装于c轴转台1的下方，v轴3的下端与砂轮主轴固定架4连接，通过u轴12和v轴3对砂轮主轴5进行y轴方向和x轴方向的微调。工件主轴10设有工件主轴保护罩8，并通过工件主轴保护罩8安装于水平工作台7上表面。
[0077]
如图3所示，砂轮运动轨迹划分为a-b、b-c、c-d、d-e、e-f、f-g、g-h共7段，球头砂轮从a点位置出发，ab段为内杆加工轨迹；bc段为内杆与内球面过渡圆角的加工轨迹；cd段为以过渡圆角边界为起始点的内球面加工轨迹；de段为内外球面连接部分的加工轨迹；ef段为外球面的加工轨迹；fg段为外球面与外杆过渡圆角的加工轨迹；gh段为外杆的加工轨迹；
[0078]
磨削加工时，通过调整工件主轴10和砂轮主轴5的转速调节工件和砂轮的相对磨削速度。通过控制水平工作台7的运动速度调节工件和砂轮的进给速度。机床运动系统通过控制刀具半径补偿值的大小，完成球头砂轮6进给运动，实现磨削深度的调整。对于圆弧加工轮廓的进给，将未偏移的圆弧加工轮廓轨迹沿圆弧圆心点与该圆弧段上所有点的连线方向偏移刀具补偿值大小；对于直线加工轮廓的进给，将未偏移的直线加工轮廓轨迹沿靠近工件实体方向偏移刀具补偿值大小。机床运动系统控制水平工作台沿机床x轴和y轴方向运动，通过改变工件相对于球头砂轮的位置，实现球头砂轮的进给。
[0079]
具体实施方案二：s2中确定加工半球谐振子最优的砂轮磨粒尺寸为5～7μm。本实施方案其它与具体实施方案一相同。
[0080]
由于半球谐振子价格昂贵，可采用与半球谐振子材料相同的高纯度熔石英玻璃棒作为试验工件开展实验。s1中分别采用w3、w7(砂轮磨粒尺寸为5～7μm)和w 20的金刚石磨粒的球头砂轮，加工参数为：工件转速设置为30r/min、砂轮转速设置为71000r/min、进给速度为30μm/s；采用磨削深度分别为0.5μm、1μm、1.5μm、2μm对砂轮特性进行验证；每根玻璃棒的磨削长度为20mm，总磨削深度为30μm。
[0081]
如图4所示，对比w3、w7球头砂轮加工熔石英工件的加工质量，可以发现尽管w3球头砂轮的加工质量优于w7球头砂轮，但两种砂轮加工出工件的亚表面损伤却相差不大，在同一量级，而采用w7球头砂轮可以采用相对较大的磨削深度，能够大幅度降低磨削加工时间。因此，确定加工半球谐振子最优的砂轮磨粒尺寸为5～7μm。且在相同的工艺参数下，随着磨削深度的增加，熔石英材料的亚表面损伤深度也增加，砂轮表现出稳定的特性。
[0082]
具体实施方案三：s3中所述待优化工艺参数包括：磨削速度vs，磨削深度a
p
，进给速度f。本实施方案其它与具体实施方案一相同。
[0083]
具体实施方案四：s3包括如下过程：
[0084]
s31、确定磨削速度vs，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；
[0085]
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；
[0086]
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：
[0087][0088]
式中，y表示亚表面损伤深度，xi，xj表示自变量，βi表示因素xi对应的一次项影响，β
ij
表示不同因素xi和xj之间的交互影响；β
ii
表示因素xi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。本实施方案其它与具体实施方案三相同。
[0089]
本实施方案中，根据磨削半球谐振子采用的是小直径的球头砂轮，砂轮直径仅为3.8mm，因此需要采用较小的磨削深度和合适的进给速度才能实现半球谐振子的稳定可控磨削，根据此类零件的加工特点以及小直径球头砂轮的磨削能力，确定如表1所示的磨削速度vs，磨削深度a
p
，进给速度f的范围取值；利用design-expert软件，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如表2所示的三因子五水平的中心复合实验方案，开展中心复合实验，工件转速设置为30r/min、砂轮转速根据磨削速度的大小进行相应的调整。每根玻璃棒的磨削长度为20mm，总磨削深度为30μm。
[0090]
测量实验方案中各组工艺参数下工件的亚表面损伤深度，得到表2中的亚表面损伤深度结果；
[0091]
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，得到应曲面模型结果为：
[0092][0093]
对建立的相应曲面模型进行方差分析，模型的r2为0.9851，表明模型的精度较高，所建立的响应面模型可以很好的反应响应值与磨削参数变量之间的函数关系。
[0094]
表1
[0095][0096]
表2
[0097][0098][0099]
具体实施方案五：确定影响工件表面损伤的工艺参数及其范围为：进给速度：30μ
m/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。本实施方案其它与具体实施方案四相同。
[0100]
本实施方案中，基于建立的相应曲面模型，绘制如图5所示的亚表面损伤深度的响应曲面图，从图5可以看出，磨削深度与进给速度的交互作用最强，确定影响工件表面损伤的关键工艺参数为磨削深度与进给速度。从图中可以看出，当磨削速度为10m/s，磨削深度为1μm时，即使进给速度从10μm/s增加到50μm/s，ssd深度增大约为4μm。然而，当磨削速度为10m/s，磨削深度为5μm时，ssd深度随磨削深度的增加而急剧变化。因此，可以得出结论，当磨削深度较小时，提高进给速度不仅可以缩短加工时间，而且可以保持较低的ssd深度。然而，如果进给速度太快，则会形成磨削纹路，这些磨削纹路是光学元件表面中空间频率误差的来源并且这种中间空间频率误差在随后的抛光过程中难以去除。因此，确定进给速度范围为30μm/s～40μm/s，可以获得较高的加工效率和较低的ssd损伤深度；而磨削速度越大亚表面损伤深度越小，确定磨削速度：14m/s；磨削深度：0.5μm～5μm。可在后续的高效磨削阶段采用高转速、大切深、中高进给速度的工艺参数组合，在低损伤磨削阶段，采用高转速、小切深、中低进给速度的工艺参数组合。
[0101]
具体实施方案六：s5中所述损伤抑制模型为：
[0102][0103]
式中，ssd(a
pi
,v
si
,fi,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。本实施方案其它与具体实施方案一相同。
[0104]
具体实施方案七：s5中制定高效磨削阶段的工艺路径为：
[0105]
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；
[0106]
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；
[0107]
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；
[0108]
制定低损伤磨削阶段的工艺路径为：
[0109]
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；
[0110]
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；
[0111]
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；
[0112]
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；
[0113]
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。本实施方案其它与具体实施方案五相同。
[0114]
本实施方案中：首先，测量工件毛坯外表面的初始亚表面损伤，结果如表3所示，从
测量结果可知，工件毛坯的初始亚表面损伤在40μm左右。
[0115]
表3
[0116][0117]
由于磨削速度越大亚表面损伤深度越小，确定磨削速度为4m/s为较优；目前砂轮主轴的转速最高为80000r/min，因此，将工件主轴转速设置为30r/min，砂轮主轴转速设置为71000r/min。
[0118]
制定高效磨削阶段的工艺路线包括：
[0119]
由于初始亚表面损伤在40μm左右，采用5μm的磨削深度进行磨削加工，在修型精密的基础上，需继续磨削8次及以上，因此，将高效磨削阶段分为三个阶段：
[0120]
阶段i采用40μm/s的进给速度、5μm的磨削深度磨削加工至半球谐振子全表面磨上对工件进行修型；
[0121]
阶段ii采用40μm/s的进给速度、5μm的磨削深度磨削6次；
[0122]
阶段iii采用30μm/s的进给速度、5μm的磨削深度磨削2次。
[0123]
低损伤磨削阶段工艺路径的制定：
[0124]
如表4所示，对使用w7的金刚石球头砂轮，工件转速设置为30r/min、砂轮转速设置为71000r/min、进给速度为30μm/s、磨削深度分别为0.5μm、1μm、2μm、3μm、4μm和5μm，开展磨削实验。分别测量各实验方案下熔石英材料的亚表面损伤深度，结果如表4所示
[0125]
表4
[0126][0127]
由表4可知，在上道工序(高效磨削阶段中的阶段iii)中采用30μm/s的进给速度、5μm的磨削深度加工熔石英材料的亚表面损伤深度为6.483μm，使用2μm的磨削深度磨削2次时，剩余的理论损伤层深度为2.483μm，小于表4所示的30μm/s的进给速度、2μm的磨削深度下的亚表面损伤深度4.217μm，故磨削深度2μm对应的磨削次数为2次；
[0128]
在上道工序中，采用30μm/s的进给速度、2μm的磨削深度加工熔石英材料的亚表面损伤深度为4.217μm，使用1μm的磨削深度磨削1次时，剩余的理论损伤层深度为3.217μm，小于表4所示的30μm/s的进给速度、1μm的磨削深度下的亚表面损伤深度3.798μm，故磨削深度1μm对应的磨削次数为1次；
[0129]
在上道工序中，采用30μm/s的进给速度、1μm的磨削深度加工熔石英材料的亚表面损伤深度为3.798μm，使用0.5μm的磨削深度磨削1次时，剩余的理论损伤层深度为3.298μm，小于表4所示的30μm/s的进给速度、0.5μm的磨削深度下的亚表面损伤深度3.665μm，故磨削深度0.5μm对应的磨削次数为1次；
[0130]
保持进给速度30μm/s不变，分别采用0.1μm、0μm的磨削深度磨削1次，进行光整加工，降低工件的表面粗糙度。
[0131]
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。
[0132]
将上述高效低损伤磨削工艺路线对半球谐振子进行超精密磨削加工，与现有加工工艺进行对比，即：
[0133]
砂轮转速71000r/min，工件转速30r/min，各阶段的磨削工艺参数为：
[0134]
1.磨削深度5μm，进给速度30μm/s，全表面磨上后继续磨削8次；
[0135]
2.磨削深度2μm，进给速度30μm/s，磨削4次；
[0136]
3.磨削深度1μm，进给速度30μm/s，磨削6次；
[0137]
4.磨削深度0.5μm，进给速度30μm/s，磨削8次。
[0138]
采用本实施方案工艺路线将磨削加工时长从的24h缩短至16h，加工时长减小达33.3％，测量半球谐振子外球面的亚表面损伤深度为2.379μm，远低于毛坯件的亚表面损伤深度39.016μm，结果表明采用本发明提供的磨削工艺路线实现了半球谐振子的高效、低损伤、高质量加工。
[0139]
具体实施方案八：如图6所示，工件亚表面损伤的测量方法包括如下步骤：
[0140]
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；
[0141]
步骤2、将抛光后的工件进行清洗和刻蚀；
[0142]
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；
[0143]
步骤4、测量抛光区域内裂纹消失点距离抛光交界线的水平距离d，根据抛光交界点确定抛光斑点截面轮廓上对应的裂纹消失点的位置；
[0144]
步骤5、利用磨削区域的轮廓数据，基于抛光斑点截面轮廓对被去除的材料轮廓进行拟合重构，得到被去除材料拟合轮廓曲线，计算抛光斑点截面轮廓上裂纹消失点距离被去除材料拟合轮廓曲线的最短距离，得到工件的亚表面损伤深度。本实施方案其它与具体实施方案一相同。
[0145]
本实施方案中：针对半球谐振子的抛光，过程中零件静止不动，抛光区域的形貌为抛光斑点；本实施方案方法可针对小面型曲率半径为2mm的小口径(φ20-φ50mm)回转体工件亚表面损伤深度的测量。
[0146]
本实施方案也可针对熔石英玻璃棒的抛光，过程中零件转动，抛光区域为环绕工件侧壁的抛光环带，对工件亚表面损伤深度进行测量。
[0147]
步骤2中将抛光后的工件进行清洗和刻蚀，包括如下步骤：
[0148]
分别使用去离子水、稀盐酸、酒精将抛光后工件表面残留的磁流变液清洗干净；
[0149]
将其浸入刻蚀溶液中刻蚀12min，以暴露覆盖在抛光水解层下的亚表面裂纹，所述刻蚀溶液按质量分数含有1％的hf和15％的nh4f；
[0150]
刻蚀结束后，分别使用去离子水和无水乙醇对工件表面进行清洗，去除表面残留
的酸液。
[0151]
步骤3中采用白光干涉仪测量抛光斑点的三维形貌轮廓。
[0152]
具体实施方案九：步骤1中的抛光工艺参数为：抛光头转速7000r/min、抛光间隙80μm，抛光时长15～20min。本实施方案其它与具体实施方案八相同。
[0153]
具体实施方案十：如图6所示，步骤5中被去除材料拟合轮廓曲线为：
[0154][0155]
其中，xi和yi为被去除材料拟合轮廓上i点的坐标，g(x,y)为被去除材料拟合轮廓的曲线方程，r是拟合轮廓半径，xo和yo为拟合圆圆心；
[0156]
抛光斑点截面轮廓线上裂纹消失点与抛光交界点的关系为：
[0157]
x
cv
＝x
pi
+d
[0158]
其中，x
cv
和x
pi
分别为裂纹消失点和抛光交界点的水平坐标；
[0159]
计算抛光斑点截面轮廓上裂纹消失点距离被去除材料拟合轮廓曲线的最短距离为：
[0160][0161]
其中，xc和yc为裂纹消失点和拟合圆圆心的连线与拟合圆的交点，即：
[0162]
本实施方案其它与具体实施方案八相同。
[0163]
虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本发明领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

技术特征：
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
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。7.根据权利要求5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中制定高效磨削阶段的工艺路径为：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；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；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；制定低损伤磨削阶段的工艺路径为：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；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；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；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；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。8.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，工件亚表面损伤的测量方法包括如下步骤：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；步骤2、将抛光后的工件进行清洗和刻蚀；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；步骤4、测量抛光区域内裂纹消失点距离抛光交界线的水平距离d，根据抛光交界点确定抛光斑点截面轮廓上对应的裂纹消失点的位置；步骤5、利用磨削区域的轮廓数据，基于抛光斑点截面轮廓对被去除的材料轮廓进行拟合重构，得到被去除材料拟合轮廓曲线，计算抛光斑点截面轮廓上裂纹消失点距离被去除材料拟合轮廓曲线的最短距离，得到工件的亚表面损伤深度。9.根据权利要求8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，步骤1中的抛光工艺参数为：抛光头转速7000r/min、抛光间隙80μm，抛光时长15～20min。10.根据权利要求8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，步骤5中被去除材料拟合轮廓曲线为：其中，x
i
和y
i
为被去除材料拟合轮廓上i点的坐标，g(x,y)为被去除材料拟合轮廓的曲线方程，r是拟合轮廓半径，x
o
和y
o
为拟合圆圆心；抛光斑点截面轮廓线上裂纹消失点与抛光交界点的关系为：x
cv
＝x
pi
+d其中，x
cv
和x
pi
分别为裂纹消失点和抛光交界点的水平坐标；计算抛光斑点截面轮廓上裂纹消失点距离被去除材料拟合轮廓曲线的最短距离为：其中，x
c
和y
c
为裂纹消失点和拟合圆圆心的连线与拟合圆的交点，即：

技术总结
本发明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。


技术研发人员：陈明君 秦彪 刘赫男 吴春亚 程健
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.07.27
技术公布日：2023/10/5