脆性材料复杂曲面快速伺服超精密飞刀切削加工方法与流程

本发明涉及一种切削加工方法。

背景技术：

光学复杂曲面是表面自由变化的非回转对称光学曲面。光学复杂曲面的应用领域极为广泛，涵盖新能源、航空航天、照明成像、生物工程等多个跨学科领域。对比传统光学表面，光学复杂曲面具有更优越的性能，其曲面自由度大可以对光线传播进行有效控制，可有利于扩大视场角和减小畸变，同时对于多光学器件系统，加入复杂曲面能减少系统体积和重量，同时提高系统的成像质量。

脆性材料(如半导体材料、光学晶体材料等)，具有优越的紫外或红外透过率、高损伤阈值、高折射率等特性，其复杂曲面应用需求在逐渐增加，然而受到材料特性的限制，实现脆性材料加工仍然存在众多困难。由于光学晶体具有脆性大，因此断裂强度和屈服强度较为接近，目前，一般超精密磨削是加工脆性材料复杂曲面的重要方法。然而，磨削加工方法是借助微小磨料颗粒反复磨削光学器件成型，其加工效率较低，并且对于软脆材料，磨料易嵌入其内部形成杂质和缺陷，进而造成光学功能的失效。而超精密切削加工方法是通过金刚石单点加工，特别适合对复杂曲面光学器件进行稳定而可控的加工。而脆性材料在切削过程中，材料易收到应力而产生脆性断裂等表面损伤。为保证切削过程中材料在无脆裂条件下进行，需要控制单次去除量在材料的脆塑转变深度范围之内。对于脆性材料复杂曲面来说，需要保证实现高速车削达到较小的单次去除量。因此，有必要研究脆性材料超精密复杂曲面高速车削成型方法，对于推进脆性材料光学复杂曲面的深入应用具有重要的现实意义。

技术实现要素：

本发明提供一种对于脆性材料微结构曲面进行基于快速伺服的飞刀切削加工方法。本发明针对微结构曲面加工的技术需求，以及脆性材料切削性能，可以解决复杂曲面成型方法的困难，避免脆性材料切削易损伤问题，实现脆性材料复杂曲面高效、低损伤高精度的加工成型。技术方案如下：

一种脆性材料复杂曲面快速伺服超精密飞刀切削加工方法，包括下列步骤：

(1)采用以下结构形式中的一种搭建快速伺服机构与飞刀切削结合的加工系统：一种结构形式为快速伺服机构安装于飞刀回转主轴上，实现飞刀切削中刀具的快速伺服运动，另一种结构形式为快速伺服机构安装于加工平台上，实现被加工器件快速伺服运动；

(2)当对被加工器件进行飞刀加工时，主轴每旋转一次刀具有最接近被加工器件的一个区域，在该区域时，由于飞刀主轴转速不变，在刀具与工件表面接触时，通过快速伺服机构带动工件进行切深方向单自由度或切深方向与横向进给方向的多自由度高频运动以配合飞刀旋转，形成阵列结构和复杂表面的加工，切深方向单自由度高频运动由单自由度快速伺服系统实现，切深方向与横向进给方向的多自由度高频运动由多自由度快速伺服系统实现。

(3)根据加工过程特性和材料的切削性能，设计合适切削参数和刀具几何参数，以保证材料单次切削中的去除量控制在塑性去除模式的范围；在此基础上获得快速伺服运动相对于工件切深进给的频率与幅值；

(4)根据待加工面型和加工参数生成飞刀回转切削和伺服运动联动的加工路径，通过对伺服运动与飞刀回转角度的控制实现运动同步，使得对材料进行切削时，切削背吃刀量得到可控，最终刀具运动轨迹在被加工器件表面进行快速平滑的遍历运动。

(5)将被加工器件安装于加工平台上，飞刀垂直安装于回转主轴；对工件进行回转间歇切削，通过伺服运动实现加工表面矢高变化，此时飞刀切削方向与进给方向垂直，当导轨进给历经工件长度后，机床导轨工件横向平移合适间距，重复上述过程，直至复杂曲面加工完毕。

被加工器件可以为单晶锗材料，飞刀主轴转速在2400rpm，飞刀回转半径为20mm，刀鼻圆弧半径为0.5mm，切削深度可以由快速伺服运动配合进行以保证单次去除量控制在60nm以下。

本发明采用一种快速伺服运动辅助的飞刀切削方式实现脆性材料复杂曲面的加工，避免了切削脆性材料过程中易脆裂的问题。与现有技术相比具有以下优点：

(1)通过飞刀回转切削与快速伺服运动的联动，实现对材料快速稳定的切削，很好地保证了脆性材料复杂曲面的表面质量和光学性能。该方法尤其适用于含有微结构的曲面及其他复杂曲面。该方法除了适于切削脆性材料之外，也同样能高速加工其他材料；

(2)传统飞刀切削加工时，刀具在旋转主轴上高速旋转，并结合机床导轨的直线进给对工件进行固定切深的沟槽加工，通过添加快速伺服机构使得刀具或工件运动增加一维快速运动，可以在飞刀加工基础上添加相应的小矢高变化，实现复杂表面成型。

附图说明

图1阵列结构复杂曲面表面形成加工路径

图2快速伺服机构置于飞刀主轴上进行伺服运动辅助飞刀加工示意图

图3快速伺服机构置于工件平台上进行伺服运动辅助飞刀加工示意图

图4微结构阵列加工面形示意图

图5实际切削厚度示意图

具体实施方式

针对脆性材料复杂曲面加工成型精度困难表面质量差等难点，本发明提出了快速伺服与飞刀相结合的加工方式，即将金刚石车刀垂直安装于超精密飞刀主轴上，与快速伺服运动耦合联动实现复杂曲面高速切削加工。该方法可以实现快速、高质量的脆性材料微结构阵列及其他复杂曲面生成，避免传统磨削中可能引进的杂质和缺陷。加工中可保证飞刀主轴的高转速，通过快速伺服运动实现加工表面变频变幅切削，控制切削过程中材料单次去除量，实现脆性材料高效低损伤加工。

具体实施方式如下：

1.搭建加工平台可以实现快速伺服运动辅助的飞刀切削加工，快速伺服机构产生小尺寸的高频往复运动，配合飞刀的高速旋转切削实现脆性材料的单次微量去除加工。

2.根据加工曲面特性和材料的切削性能，设计合适切削参数，包括飞刀主轴转速，导轨直线进给参数和刀具几何参数；

3.选取合适的单次切深进给量，计算快速伺服运动相对于工件切深进给的频率与幅值；

4.基于加工参数和刀具几何参数进行伺服进给和飞刀切削的加工路径生成，刀具轮廓对该路径遍历后形成加工表面；

5.将待加工工件安装于加工平台上，飞刀垂直安装于回转主轴；对工件进行回转间歇切削，通过伺服运动实现加工表面矢高变化，此时飞刀切削方向与进给方向垂直，当导轨进给历经工件长度后，机床导轨工件横向平移合适间距，重复上述过程，直至复杂曲面加工完毕。

其中提及的伺服运动包括两种形式：伺服机构置于飞刀主轴上进行伺服运动和快速伺服机构置于工件平台上进行伺服运动。其中，快速伺服机构置于飞刀主轴上进行伺服运动如图2所示，将快速伺服机构安置在飞刀主轴上，此时回转主轴与工件平台平行，加工时飞刀回转的同时还附加高频快速往复运动对工件进行切削，实现不同位置加工出不同矢高，最后飞刀历经工件所在面，直至整个曲面加工完毕；快速伺服机构置于工件平台上进行伺服运动如图3所示，将快速伺服机构安置在工件平台上，加工时，飞刀高速转动的同时工件进行高频快速往复运动，通过两者相对运动对工件进行切削，实现不同位置加工出不同矢高，最后飞刀历经工件所在面，直至整个曲面加工完毕。

在具体实施例中，以9×9凹曲面阵列的加工为例，如图4所示，对于单个微小阵列面形，其几何形状的实现由刀具的形状和飞刀回转运动共同作用所形成，经过相同于阵列数的加工最终形成整个曲面的加工。阵列面形为两个圆弧轮廓的叠加，具体参数如表1所示，单元面形方程为

表1实施例中微结构阵列参数

这里进行了面形的形貌相关计算，并计算伺服刀具相对于主轴切深方向导轨进给的频率与幅值以保证，最低点距离平面1μm，具体的加工参数如表2所示。

表2实施例中的加工参数

切削深度可以由快速伺服运动配合进行以保证单次去除量控制在60nm以下，可达到单晶锗的脆塑转变范围内进行去除，保证了该脆性材料无碎裂加工。

具体实施方式中提到的计算伺服运动相对于工件切深进给的频率与幅值是指，当飞刀转过一周时，结合导轨运动，由伺服运动所对应运动的频率和幅值，若在选取合适的飞刀主轴转速s和导轨切深方向进给速率f的情况下，当单次切削厚度进给量为δz时，如果伺服运动的位移zservo遵循正弦振动规律，即

其中a为幅值，ν为频率，为初相位，其值一般为0。

因此飞刀每转一周的的切削深度进给量应为

δz＝f/s+asin(2πν/s)(3)

当f与s值固定时，若要尽可能的利用快速伺服运动的幅值形成切削深度进给，则需要耦合伺服频率及飞刀转速，由(2)式可知，

为了尽可能的减少往复运动次数取n＝0，即ν＝0.25s，以实现每次对切削深度的增加。

具体实施方式中提到的合适切削参数和刀具几何参数为：由于飞刀的回转半径和刀具几何形状直接决定了最后的面形几何特征，因此需要根据阵列几何特征确定上述参数，在与飞刀回转主轴垂直的平面上，由于阵列沿该方向的尖端曲率半径为20mm，因此刀尖回转半径需设置为该值。而在与切削方向相垂直的平面上阵列沿该方向的曲率半径为0.5mm，因此选取的刀鼻半径也为该值。

当飞刀回转半径为r，单次切削进给量为δz时，对材料实际的切削厚度的表达式为

其中，θ是指飞刀相对于回转主轴的角度位置，如图5所示。

可以发现在合适的切削参数下，实际切削厚度将远小于切削深度，借此实现对脆性材料的低损伤加工。