脆性材料光学复杂曲面超精密快速切削组合加工成型方法与流程

本发明属于先进制造中的超精密加工及光学加工领域，特别是适用于脆性材料光学表面加工及光学复杂表面加工。

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，需要保证实现快速切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快速切削成型方法，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：

本发明的目的是提供一种脆性材料复杂曲面加工方法，以克服加工过程中复杂曲面加工表面质量和脆性材料加工性能之间的矛盾和困难，很好的保证复杂曲面的使用性能。本发明的技术方案如下：

一种脆性材料光学复杂曲面超精密快速切削组合加工成型方法，满足不同复杂曲面特征的加工需求，方法如下：

a.根据复杂曲面特性，计算面形的非回转度和曲率，选择采用合适的超精密快速切削加工方法,所选择的加工方法为下列之一：

(1)超精密铣削和飞刀结合的快速加工方式，将含金刚石车刀垂直安装于超精密铣削轴上，铣削轴高速运动带动车刀实现飞刀加工，配合直线运动轴联动实现连续变化曲面快速切削加工；

(2)快速伺服和飞刀加工结合的快速加工方式，将快速伺服机构集成于飞刀刀架或者在固定工件底座配置实现高频进给运动，为飞刀加工方式提供更多运动自由度；

(3)车削和快速伺服运动结合的快速加工方式，对车削刀具安装快速伺服运动，在保证刀具快速伺服频响范围内实现高主轴转速，实现一定复杂程度曲面的快速切削；

b.考虑快速切削下加工系统的动态特性，设计合理的刀架系统；

c.根据快刀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，为满足以上单次微量去除条件，刀具或工件的旋转转速要求在500rpm以上；

d.基于加工参数和刀具几何参数生成和补偿加工路径，刀具轮廓历经该路径后形成加工表面；

e.将工件装配于加工平台，进行快速切削加工，加工时，机床的导轨提供横向和纵向进给与结合伺服机构产生小尺寸的高频往复运动相结合并同步控制，产生可控的切削深度，形成复杂曲面面形。

本发明提出“飞刀-铣削-车削-快速伺服”超精密快速切削组合的加工方式可以满足不同复杂曲面特征的加工需求，避免了切削脆性材料过程中易脆裂的问题，实现高效率，高表面质量加工。与现有技术相比具有以下优点：

(1)通过刀具工件的多自由度快速相对运动，克服了加工过程中复杂曲面加工表面质量和脆性材料加工性能之间的矛盾和困难，提高了加工效率和切削稳定性，很好的保证了复杂曲面的使用性能。

(2)根据所需加工复杂曲面的形貌特征选择不同的快速切削方式，有效利用了这种思路进行脆性材料的低损伤切削。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。并且适用于多种面型口径的平滑或结构性复杂曲面。

附图说明

图1“飞刀-铣削-车削-快速伺服”超精密快速切削组合

图2超精密铣削和飞刀结合的快速加工方式

图3快速伺服和飞刀结合的快速加工方式

图4车削和快速伺服运动结合的快速加工方式

图5实施例光路图

图6实施例复杂曲面面形分布及回转面、非回转面分解

具体实施方式

本发明提出采用“飞刀-铣削-车削-快速伺服”超精密快速切削组合的方式实现脆性材料复杂曲面的加工，克服了加工过程中复杂曲面加工表面质量和脆性材料加工性能之间的矛盾和困难，很好的保证了复杂曲面的使用性能。由于采用了多种切削方式组合效果，因此可以根据所需加工复杂曲面的形貌特征选择不同的快速切削方式，有效利用了这种思路进行脆性材料的低损伤切削。具体实施方式如下：

1.根据复杂曲面特性，计算面形的非回转度和曲率，并根据面形特性选择采用“飞刀-铣削-车削-快速伺服”超精密快速切削组合加工方法；

2.根据设计合理的刀架系统，重点考虑快速切削下加工系统的动态特性，通过特殊机械结构设计对系统的动平衡特性进行有效控制；

3.根据快刀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；

4.基于加工参数和刀具几何参数生成和补偿加工路径，刀具轮廓历经该路径后形成加工表面；

5.将工件装配于加工平台，进行快速切削加工，加工时，机床的导轨提供横向和纵向进给与结合伺服机构产生小尺寸的高频往复运动相结合并同步控制，产生可控的切削深度，形成复杂曲面面形。

实施方案中所述的超精密快速切削组合加工方法包括三种方式，需要搭建含有相关要素的加工系统，具体描述如下：

方式一：超精密铣削和飞刀结合的快速加工方式，加工示意图如图2所示，是将含金刚石车刀垂直安装于超精密铣削轴上，铣削轴高速运动带动车刀实现飞刀加工，配合直线运动轴联动实现连续变化曲面快速切削加工。在加工过程中，铣削主轴转速极高，飞刀在快速旋转驱动下可以快速地沿着铣削主轴切向(同x轴方向)对材料进行切削去除，同时铣削主轴沿着x轴运动，可以实现直线方向对曲面的快速切削，同时配合y轴的进给，进而遍历加工整个复杂曲面形貌。

方式二：快速伺服和飞刀结合的快速加工方式，加工示意图如图3所示，将快速伺服机构集成于飞刀刀架或者在固定工件平台配置类似快刀高频相应的多维进给机构，为飞刀加工方向提供更多运动自由度。以此实现除了在切削平面上进行二维运动的同时，具有沿工件矢高方向的高频小行程的往复运动，通过飞刀的快速旋转切削，每次切削形成可控切削厚度和切削面积，最终切削加工形成复杂曲面形貌。

方式三：超精密车削和快速伺服运动机构结合的快速加工方式，加工示意图如图4所示，是将工件安装于超精密车床的主轴(c轴)上，主轴旋转轴和复杂曲面面形中心同轴。加工过程中主轴旋转一周，金刚石刀具在快速伺服机构控制系统伺服控制下，在不同旋转角度时根据表面位置变化进行z'方向的同步运动控制，为保证对于脆性材料的单次微量去除，需要满足主轴加工过程中的高转速。每加工一周刀具在x轴控制下进行进给，实现整个复杂曲面的螺旋线加工，直至表面加工完整。

以上“飞刀-铣削-车削-快速伺服”超精密快速切削组合的三种加工方式，均利用刀具相对工件的快速运动，从而实现在单次切削动作中对材料微小尺度的快速切削，使得脆性材料在塑性切削厚度下进行切削去除，该发明不仅适用于脆性材料加工，同样适用于其他材料复杂曲面的高效加工。加工工艺参数主要包括：为满足以上单次微量去除条件，刀具或工件的旋转转速一般要求在500rpm以上，对于超精密铣削和飞刀结合加工来说刀具旋转很容易实现上千rpm或上万rpm的量级，单次去除量可以进一步缩小，其他方式受限于快速伺服机构的运动频响特性，刀具或工件的转速或运动速度一般在500～4000rpm。在加工中同样需要考虑传统加工中的路径规划问题，对刀具与工件的相对运动提供准确预设，进而实现高效、低损伤高精度的复杂曲面加工成型。

在具体实施例中，以单晶锗的连续复杂曲面进行相关设计和加工，需要对复杂曲面进行面型设计，设计参数为：面形口径29mm，该复杂曲面作为光学系统第三镜的后表面，如图5所示。为保证对于脆性材料的单次微量去除，需要满足主轴加工过程中的高转速，采用方式三进行加工。设计时限制该复杂曲面的曲面变化，使之成为一个近回转曲面。

计算面形的非回转度是相对回转面的曲面变化范围，实施例中的非回转度为[-26.443,29.638]μm，具体分布如图6所示。

采用方式一进行加工，飞刀转速3500rpm，刀具进给速率为2mm/min，刀鼻半径为0.25mm，切削深度为1μm时，同时保证半径方向的间距小于25μm，可将单次去除量控制在约60nm。采用方式二进行加工，飞刀转速1500rpm，飞刀回转半径为40mm，刀具进给速率为1mm/min，刀鼻半径为0.2mm，切削深度为1μm时，同时保证水平方向的间距小于20μm，可将单次去除量控制在约50nm。采用方式三进行加工，主轴转速2500rpm，刀具进给速率为1mm/min，刀鼻半径为0.5mm，切削深度为2μm时，，同时保证半径方向的螺距小于50μm，可将单次去除量控制在约35nm。

以上三种方式下的加工参数可实现脆性材料复杂曲面的高效低损伤加工，以保证粗糙度在纳米量级。

具体实施方式中提及的路径补偿是指：在路径生成后，将刀位点沿z方向向上移动，直至刀具轮廓线与面形沿给定半径方向的轮廓线相切，该移动距离为当刀具曲率中心位于面形轮廓线上时，面形轮廓线与刀具轮廓在z方向上的最大差值。借助于常见的cam软件可以完成必要设计。