本發(fā)明涉及一種切削加工方法。

背景技術(shù)：

光學(xué)復(fù)雜曲面是表面自由變化的非回轉(zhuǎn)對稱光學(xué)曲面。光學(xué)復(fù)雜曲面的應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，涵蓋新能源、航空航天、照明成像、生物工程等多個(gè)跨學(xué)科領(lǐng)域。對比傳統(tǒng)光學(xué)表面，光學(xué)復(fù)雜曲面具有更優(yōu)越的性能，其曲面自由度大可以對光線傳播進(jìn)行有效控制，可有利于擴(kuò)大視場角和減小畸變，同時(shí)對于多光學(xué)器件系統(tǒng)，加入復(fù)雜曲面能減少系統(tǒng)體積和重量，同時(shí)提高系統(tǒng)的成像質(zhì)量。

脆性材料(如半導(dǎo)體材料、光學(xué)晶體材料等)，具有優(yōu)越的紫外或紅外透過率、高損傷閾值、高折射率等特性，其復(fù)雜曲面應(yīng)用需求在逐漸增加，然而受到材料特性的限制，實(shí)現(xiàn)脆性材料加工仍然存在眾多困難。由于光學(xué)晶體具有脆性大，因此斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較為接近，目前，一般超精密磨削是加工脆性材料復(fù)雜曲面的重要方法。然而，磨削加工方法是借助微小磨料顆粒反復(fù)磨削光學(xué)器件成型，其加工效率較低，并且對于軟脆材料，磨料易嵌入其內(nèi)部形成雜質(zhì)和缺陷，進(jìn)而造成光學(xué)功能的失效。而超精密切削加工方法是通過金剛石單點(diǎn)加工，特別適合對復(fù)雜曲面光學(xué)器件進(jìn)行穩(wěn)定而可控的加工。而脆性材料在切削過程中，材料易收到應(yīng)力而產(chǎn)生脆性斷裂等表面損傷。為保證切削過程中材料在無脆裂條件下進(jìn)行，需要控制單次去除量在材料的脆塑轉(zhuǎn)變深度范圍之內(nèi)。對于脆性材料復(fù)雜曲面來說，需要保證實(shí)現(xiàn)高速車削達(dá)到較小的單次去除量。因此，有必要研究脆性材料超精密復(fù)雜曲面高速車削成型方法，對于推進(jìn)脆性材料光學(xué)復(fù)雜曲面的深入應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種對于脆性材料微結(jié)構(gòu)曲面進(jìn)行基于快速伺服的飛刀切削加工方法。本發(fā)明針對微結(jié)構(gòu)曲面加工的技術(shù)需求，以及脆性材料切削性能，可以解決復(fù)雜曲面成型方法的困難，避免脆性材料切削易損傷問題，實(shí)現(xiàn)脆性材料復(fù)雜曲面高效、低損傷高精度的加工成型。技術(shù)方案如下：

一種脆性材料復(fù)雜曲面快速伺服超精密飛刀切削加工方法，包括下列步驟：

(1)采用以下結(jié)構(gòu)形式中的一種搭建快速伺服機(jī)構(gòu)與飛刀切削結(jié)合的加工系統(tǒng)：一種結(jié)構(gòu)形式為快速伺服機(jī)構(gòu)安裝于飛刀回轉(zhuǎn)主軸上，實(shí)現(xiàn)飛刀切削中刀具的快速伺服運(yùn)動(dòng)，另一種結(jié)構(gòu)形式為快速伺服機(jī)構(gòu)安裝于加工平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)被加工器件快速伺服運(yùn)動(dòng)；

(2)當(dāng)對被加工器件進(jìn)行飛刀加工時(shí)，主軸每旋轉(zhuǎn)一次刀具有最接近被加工器件的一個(gè)區(qū)域，在該區(qū)域時(shí)，由于飛刀主軸轉(zhuǎn)速不變，在刀具與工件表面接觸時(shí)，通過快速伺服機(jī)構(gòu)帶動(dòng)工件進(jìn)行切深方向單自由度或切深方向與橫向進(jìn)給方向的多自由度高頻運(yùn)動(dòng)以配合飛刀旋轉(zhuǎn)，形成陣列結(jié)構(gòu)和復(fù)雜表面的加工，切深方向單自由度高頻運(yùn)動(dòng)由單自由度快速伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，切深方向與橫向進(jìn)給方向的多自由度高頻運(yùn)動(dòng)由多自由度快速伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

(3)根據(jù)加工過程特性和材料的切削性能，設(shè)計(jì)合適切削參數(shù)和刀具幾何參數(shù)，以保證材料單次切削中的去除量控制在塑性去除模式的范圍；在此基礎(chǔ)上獲得快速伺服運(yùn)動(dòng)相對于工件切深進(jìn)給的頻率與幅值；

(4)根據(jù)待加工面型和加工參數(shù)生成飛刀回轉(zhuǎn)切削和伺服運(yùn)動(dòng)聯(lián)動(dòng)的加工路徑，通過對伺服運(yùn)動(dòng)與飛刀回轉(zhuǎn)角度的控制實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)同步，使得對材料進(jìn)行切削時(shí)，切削背吃刀量得到可控，最終刀具運(yùn)動(dòng)軌跡在被加工器件表面進(jìn)行快速平滑的遍歷運(yùn)動(dòng)。

(5)將被加工器件安裝于加工平臺(tái)上，飛刀垂直安裝于回轉(zhuǎn)主軸；對工件進(jìn)行回轉(zhuǎn)間歇切削，通過伺服運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)加工表面矢高變化，此時(shí)飛刀切削方向與進(jìn)給方向垂直，當(dāng)導(dǎo)軌進(jìn)給歷經(jīng)工件長度后，機(jī)床導(dǎo)軌工件橫向平移合適間距，重復(fù)上述過程，直至復(fù)雜曲面加工完畢。

被加工器件可以為單晶鍺材料，飛刀主軸轉(zhuǎn)速在2400rpm，飛刀回轉(zhuǎn)半徑為20mm，刀鼻圓弧半徑為0.5mm，切削深度可以由快速伺服運(yùn)動(dòng)配合進(jìn)行以保證單次去除量控制在60nm以下。

本發(fā)明采用一種快速伺服運(yùn)動(dòng)輔助的飛刀切削方式實(shí)現(xiàn)脆性材料復(fù)雜曲面的加工，避免了切削脆性材料過程中易脆裂的問題。與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)通過飛刀回轉(zhuǎn)切削與快速伺服運(yùn)動(dòng)的聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對材料快速穩(wěn)定的切削，很好地保證了脆性材料復(fù)雜曲面的表面質(zhì)量和光學(xué)性能。該方法尤其適用于含有微結(jié)構(gòu)的曲面及其他復(fù)雜曲面。該方法除了適于切削脆性材料之外，也同樣能高速加工其他材料；

(2)傳統(tǒng)飛刀切削加工時(shí)，刀具在旋轉(zhuǎn)主軸上高速旋轉(zhuǎn)，并結(jié)合機(jī)床導(dǎo)軌的直線進(jìn)給對工件進(jìn)行固定切深的溝槽加工，通過添加快速伺服機(jī)構(gòu)使得刀具或工件運(yùn)動(dòng)增加一維快速運(yùn)動(dòng)，可以在飛刀加工基礎(chǔ)上添加相應(yīng)的小矢高變化，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜表面成型。

附圖說明

圖1陣列結(jié)構(gòu)復(fù)雜曲面表面形成加工路徑

圖2快速伺服機(jī)構(gòu)置于飛刀主軸上進(jìn)行伺服運(yùn)動(dòng)輔助飛刀加工示意圖

圖3快速伺服機(jī)構(gòu)置于工件平臺(tái)上進(jìn)行伺服運(yùn)動(dòng)輔助飛刀加工示意圖

圖4微結(jié)構(gòu)陣列加工面形示意圖

圖5實(shí)際切削厚度示意圖

具體實(shí)施方式

針對脆性材料復(fù)雜曲面加工成型精度困難表面質(zhì)量差等難點(diǎn)，本發(fā)明提出了快速伺服與飛刀相結(jié)合的加工方式，即將金剛石車刀垂直安裝于超精密飛刀主軸上，與快速伺服運(yùn)動(dòng)耦合聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面高速切削加工。該方法可以實(shí)現(xiàn)快速、高質(zhì)量的脆性材料微結(jié)構(gòu)陣列及其他復(fù)雜曲面生成，避免傳統(tǒng)磨削中可能引進(jìn)的雜質(zhì)和缺陷。加工中可保證飛刀主軸的高轉(zhuǎn)速，通過快速伺服運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)加工表面變頻變幅切削，控制切削過程中材料單次去除量，實(shí)現(xiàn)脆性材料高效低損傷加工。

具體實(shí)施方式如下：

1.搭建加工平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)快速伺服運(yùn)動(dòng)輔助的飛刀切削加工，快速伺服機(jī)構(gòu)產(chǎn)生小尺寸的高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)，配合飛刀的高速旋轉(zhuǎn)切削實(shí)現(xiàn)脆性材料的單次微量去除加工。

2.根據(jù)加工曲面特性和材料的切削性能，設(shè)計(jì)合適切削參數(shù)，包括飛刀主軸轉(zhuǎn)速，導(dǎo)軌直線進(jìn)給參數(shù)和刀具幾何參數(shù)；

3.選取合適的單次切深進(jìn)給量，計(jì)算快速伺服運(yùn)動(dòng)相對于工件切深進(jìn)給的頻率與幅值；

4.基于加工參數(shù)和刀具幾何參數(shù)進(jìn)行伺服進(jìn)給和飛刀切削的加工路徑生成，刀具輪廓對該路徑遍歷后形成加工表面；

5.將待加工工件安裝于加工平臺(tái)上，飛刀垂直安裝于回轉(zhuǎn)主軸；對工件進(jìn)行回轉(zhuǎn)間歇切削，通過伺服運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)加工表面矢高變化，此時(shí)飛刀切削方向與進(jìn)給方向垂直，當(dāng)導(dǎo)軌進(jìn)給歷經(jīng)工件長度后，機(jī)床導(dǎo)軌工件橫向平移合適間距，重復(fù)上述過程，直至復(fù)雜曲面加工完畢。

其中提及的伺服運(yùn)動(dòng)包括兩種形式：伺服機(jī)構(gòu)置于飛刀主軸上進(jìn)行伺服運(yùn)動(dòng)和快速伺服機(jī)構(gòu)置于工件平臺(tái)上進(jìn)行伺服運(yùn)動(dòng)。其中，快速伺服機(jī)構(gòu)置于飛刀主軸上進(jìn)行伺服運(yùn)動(dòng)如圖2所示，將快速伺服機(jī)構(gòu)安置在飛刀主軸上，此時(shí)回轉(zhuǎn)主軸與工件平臺(tái)平行，加工時(shí)飛刀回轉(zhuǎn)的同時(shí)還附加高頻快速往復(fù)運(yùn)動(dòng)對工件進(jìn)行切削，實(shí)現(xiàn)不同位置加工出不同矢高，最后飛刀歷經(jīng)工件所在面，直至整個(gè)曲面加工完畢；快速伺服機(jī)構(gòu)置于工件平臺(tái)上進(jìn)行伺服運(yùn)動(dòng)如圖3所示，將快速伺服機(jī)構(gòu)安置在工件平臺(tái)上，加工時(shí)，飛刀高速轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)工件進(jìn)行高頻快速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過兩者相對運(yùn)動(dòng)對工件進(jìn)行切削，實(shí)現(xiàn)不同位置加工出不同矢高，最后飛刀歷經(jīng)工件所在面，直至整個(gè)曲面加工完畢。

在具體實(shí)施例中，以9×9凹曲面陣列的加工為例，如圖4所示，對于單個(gè)微小陣列面形，其幾何形狀的實(shí)現(xiàn)由刀具的形狀和飛刀回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)共同作用所形成，經(jīng)過相同于陣列數(shù)的加工最終形成整個(gè)曲面的加工。陣列面形為兩個(gè)圓弧輪廓的疊加，具體參數(shù)如表1所示，單元面形方程為

表1實(shí)施例中微結(jié)構(gòu)陣列參數(shù)

這里進(jìn)行了面形的形貌相關(guān)計(jì)算，并計(jì)算伺服刀具相對于主軸切深方向?qū)к夁M(jìn)給的頻率與幅值以保證，最低點(diǎn)距離平面1μm，具體的加工參數(shù)如表2所示。

表2實(shí)施例中的加工參數(shù)

切削深度可以由快速伺服運(yùn)動(dòng)配合進(jìn)行以保證單次去除量控制在60nm以下，可達(dá)到單晶鍺的脆塑轉(zhuǎn)變范圍內(nèi)進(jìn)行去除，保證了該脆性材料無碎裂加工。

具體實(shí)施方式中提到的計(jì)算伺服運(yùn)動(dòng)相對于工件切深進(jìn)給的頻率與幅值是指，當(dāng)飛刀轉(zhuǎn)過一周時(shí)，結(jié)合導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，由伺服運(yùn)動(dòng)所對應(yīng)運(yùn)動(dòng)的頻率和幅值，若在選取合適的飛刀主軸轉(zhuǎn)速s和導(dǎo)軌切深方向進(jìn)給速率f的情況下，當(dāng)單次切削厚度進(jìn)給量為δz時(shí)，如果伺服運(yùn)動(dòng)的位移zservo遵循正弦振動(dòng)規(guī)律，即

其中a為幅值，ν為頻率，為初相位，其值一般為0。

因此飛刀每轉(zhuǎn)一周的的切削深度進(jìn)給量應(yīng)為

δz＝f/s+asin(2πν/s)(3)

當(dāng)f與s值固定時(shí)，若要盡可能的利用快速伺服運(yùn)動(dòng)的幅值形成切削深度進(jìn)給，則需要耦合伺服頻率及飛刀轉(zhuǎn)速，由(2)式可知，

為了盡可能的減少往復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)取n＝0，即ν＝0.25s，以實(shí)現(xiàn)每次對切削深度的增加。

具體實(shí)施方式中提到的合適切削參數(shù)和刀具幾何參數(shù)為：由于飛刀的回轉(zhuǎn)半徑和刀具幾何形狀直接決定了最后的面形幾何特征，因此需要根據(jù)陣列幾何特征確定上述參數(shù)，在與飛刀回轉(zhuǎn)主軸垂直的平面上，由于陣列沿該方向的尖端曲率半徑為20mm，因此刀尖回轉(zhuǎn)半徑需設(shè)置為該值。而在與切削方向相垂直的平面上陣列沿該方向的曲率半徑為0.5mm，因此選取的刀鼻半徑也為該值。

當(dāng)飛刀回轉(zhuǎn)半徑為r，單次切削進(jìn)給量為δz時(shí)，對材料實(shí)際的切削厚度的表達(dá)式為

其中，θ是指飛刀相對于回轉(zhuǎn)主軸的角度位置，如圖5所示。

可以發(fā)現(xiàn)在合適的切削參數(shù)下，實(shí)際切削厚度將遠(yuǎn)小于切削深度，借此實(shí)現(xiàn)對脆性材料的低損傷加工。