一种刀触点均匀分布的超精密车削方法与流程

本发明属于先进制造中的超精密车削加工领域，通过在加工中引入旋转平台，可以带动刀具在加工过程中转动，从而使得超精密车削加工时刀触点均匀分布。

背景技术：

光学自由曲面是一类特殊的自由曲面，能有效改善光学系统性能，如校正像差、改善像质、扩大视场等，相对于传统光学面形具有很多优良性能，因而广泛应用在航空航天、国防、医学等各个领域。自由曲面的面形相对于传统平面、球面、非球面等面形来说，无规律的面形表达，且无规律对称性，加工难度较大。在目前对于自由曲面元件日益增长和需求种类逐渐增多的形势下，许多晶体材料的元件需求也在增长，而这些材料在进行超精密切削过程中对刀具磨损很严重。在超精密车削中，由于自由曲面不同位置的法矢及斜率不同，因此刀具接触的位置即刀触点也不同，刀具各个位置的磨损程度也不同。当刀触点分布不均匀，各个位置磨损程度不同时，就会使得加工表面质量均匀度下降，不但使刀具寿命严重缩短，且加工元件表面质量无法满足使用要求。因此研究一种能够使得超精密车削加工中刀触点均匀分布的方法非常重要。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上边提到的刀触点分布不均匀导致加工质量下降和刀具寿命缩短的问题提出一种可以使得加工时刀触点尽可能均匀分布，使得刀具每一点磨损程度都接近的方法。为此，首先考虑了刀触点分布不均匀的原因：被加工件面形不同位置法矢和斜率不同会使得刀触点不同，加工完一个面形后，刀触点往往集中在某些区域。采用以下技术方案：

一种刀触点均匀分布的超精密车削方法，采用的超精密车削装置包括x轴运动导轨、z轴运动导轨、主轴、旋转平台；通过引入旋转平台运动，使得刀具随旋转平台旋转而在一定范围内转动，使得刀触点尽可能比较均匀地分布在自定义范围内，同时考虑到需要满足旋转平台回转中心与刀具中心完全对正，引入虚拟轴，即不需完全对正旋转平台回转中心和刀具中心，只需得到两者之间的位置关系，通过x轴运动导轨和z轴运动导轨的运动进行补偿，达到完全对正。包括步骤如下：

(1)安装好超精密车削装置，装置包括x轴运动导轨、z轴运动导轨、主轴、旋转平台，其中，被加工件固定在主轴上，刀具安装在刀架并放置在旋转平台上；

(2)在不使用旋转平台的情况下按照超精密车削的方式计算加工路径，进行加工并对刀触点分布情况进行分析，路径方程为

z＝z

c＝mod(atan2(y，x)，2π)

其中，x、z、c分别表示x轴运动导轨、z轴运动导轨、主轴的运动量，(x,y,z)表示被加工件表面上点的坐标，x，y，z分别表示被加工件表面上点的坐标，mod为同余函数；

(3)采用刀具与旋转平台中心对正方法，获取刀具中心相对旋转平台的回转中心的笛卡尔坐标(x0,z0)，方法如下：

第1步：选用试切件，采用超精密车削的方法按照平面轮廓形式进行试切，得到试切件；

第2步：对试切件进行测量，获得试切件上的轮廓线各点坐标(x1,z1)；

第3步：根据测量所得到的试切件轮廓进行逆运算即可得到对应的刀具中心轨迹，在已知x轴运动导轨、z轴运动导轨、主轴和旋转平台的运动量和试切件面形的基础上，计算刀具中心相对旋转平台回转中心为坐标原点的笛卡尔坐标(x0,z0)，并转化为相应极坐标

(4)根据刀具中心相对旋转平台的回转中心的位置的笛卡尔坐标(x0,z0)与极坐标系下的坐标以此修正x轴运动导轨、z轴运动导轨的运动量，修正后的x轴运动导轨、z轴运动导轨的运动量分别为x'和z'，则

其中，b是旋转平台旋转的角度；

(5)设置被加工件表面在加工过程中各处的刀触角αc，则此时的刀触角变为αc＝κ+b，其中，κ是被加工件表面在其径向的法矢与半径方向上的夹角，其计算方式为

其中ρ²＝x²+y²，是被加工件表面在极坐标系下的径向坐标；

(6)构造加工路径(x,z,c,b)，计算方式为

c＝mod(atan2(y，x)，2π)

b＝αc-κ

采用该加工路径对被加工件进行加工，直至加工完毕。

步骤(3)的第3步具体为：

当刀具中心相对旋转平台回转中心为坐标原点的笛卡尔坐标为(x0,z0)，极坐标为时，则刀具中心实际所运动的轨迹(xt,zt)为

其中b是旋转平台的运动量，在此基础上根据刀具补偿关系获得试切件的轮廓，试切件轮廓坐标与刀具运动轨迹坐标的关系为

xt＝x1+(rtn)·ex

zt＝z1+(rtn)·ez

其中，n是表面轮廓线的单位法矢，ex和ez是其沿着x轴运动导轨方向和z轴运动导轨方向的分量，rt是刀具圆弧半径，将测量轮廓进行上述方程的逆运算时，即可得到相应的(x0,z0)。

本发明的优势和积极效果是：通过引入旋转平台和虚拟轴的方式使得刀触点均匀分布，从而也改善加工表面质量和延长刀具寿命。未引入旋转平台前，刀具在加工一些自由曲面时，受面形斜率、法矢及刀具角度等因素影响，接触点分布很不均匀，导致刀具部分磨损严重。相比而言，本发明引入旋转平台之后，就可以主动去控制加工时的刀触点分布，从而使得刀触点均匀分布且分布在合理范围内。本发明适用材料包括但不限于si，ge，znse等光学晶体材料，以及一些对刀具磨损较为严重的材料，被加工件的面形包括但不限于该类材料的平滑自由曲面，对比传统方法，该方法在加工过程中刀触点可在一设置范围内均匀分布，从而可使得刀具磨损状况改善，同时提升表面质量。

附图说明

图1为本发明中超精密车削装置的示意图；

图2为刀触点示意图；

图3为旋转平台旋转角度与刀触角关系示意图；

图4为刀触点分布情况；

图5为当刀具中心与旋转平台中心完全重合时的加工路径曲线；

图6为刀具中心与旋转平台回转中心不重合示意图；

图7为旋转平台回转中心和试切件轮廓测量结果；

图8为最终加工路径；

图9为刀具磨损情况对比，左图：传统方法；右图：本专利方法。

具体实施方式

结合附图和实施例对本发明提到的引入旋转平台和虚拟轴从而使得超精密加工时刀触点分布更加均匀的方法加以说明。

本发明针对超精密加工过程中刀触点分布不均匀的问题，通过引入旋转平台的方式进行解决。基本原理为将刀具中心与旋转平台回转中心对正，在加工时控制旋转平台在一定范围内转动，就可以使得刀触点在刀具上比较大的范围内均匀分布。这种方法要求刀具中心与旋转平台完全对正，否则会带来比较大的误差，而将刀具中心与旋转平台完全对正这一操作又较为复杂、费时费力且不一定能准确对正。所以本发明中又提出了引入虚拟轴的方法，不需要严格对正刀具中心和旋转平台回转中心，只需知道两者位置关系，在路径设计上进行补偿，即可达到完全对正的效果。

本发明所研究的超精密车削装置示意图如图1所示，其中1是被加工件，2是刀架，3是刀具，4是旋转平台，5是主轴，x、z、c、b分别代表x轴运动导轨、z轴运动导轨、主轴、旋转平台的运动方向。其中x轴运动导轨和z轴运动导轨是两个直线轴，x轴运动导轨控制刀具进给，z轴运动导轨控制刀具切削深度，主轴和旋转平台是两个旋转轴，主轴控制固定在其上的被加工件旋转，旋转平台在刀具下方，可以控制刀具旋转。通过主轴旋转和x轴运动导轨进给，可以使得刀具以螺旋线形式遍历被加工件表面上每一点，同时z轴运动导轨控制每一点切削深度，可以加工出目标面形。在超精密车削中，由于自由曲面不同位置的法矢及斜率不同，因此刀具接触的位置也不同。对任意一点的刀触点的角位置κ其计算采用公式(4)的方式。

以一个立方相位板作为具体实施例说明，立方相位板为圆口径，口径大小为10mm，面形方程为z＝0.005(x³+y³)，材料为硅。这里定义在x轴运动导轨方向从右往左进给，刀具的右半边为负，左半边为正。加工所用刀具为圆弧刃金刚石刀具，刀具半径0.5mm。原理分析及相关步骤为：

1.按照图1所述的超精密车削加工形式安装好被加工件、刀具及各个运动轴等，装置包括x轴运动导轨、z轴运动导轨、主轴、旋转平台，其中，刀具安装在刀架并放置在旋转平台上。

2.首先不考虑旋转平台，用传统三轴超精密车削的方式，根据面形方程和面形口径计算出加工路径，如下式

其中，x、z、c分别表示x轴运动导轨、z轴运动导轨、主轴的运动量，(x,y,z)表示被加工件表面上点的坐标。并对计算得到路径进行刀具补偿(一种金刚石超精密车床自由曲面加工路径生成方法，zl200710058343.3)，得到补偿后加工路径。其中，x、z、c分别表示x轴运动导轨、z轴运动导轨、主轴的运动量，(x,y,z)表示被加工件表面上点的坐标，mod为同余函数。

3.将刀具中心与旋转平台的回转中心对正，即获取刀具中心相对旋转平台的回转中心的位置坐标(x0,z0)。

4.基于刀具中心相对旋转平台的回转中心的位置坐标(x0,z0)修正x轴运动导轨、z轴运动导轨的运动量，如图6所示，其中3是旋转平台，4是刀具。因此考虑虚拟轴，当刀具中心在以旋转平台回转中心为坐标原点的坐标系内坐标为(x0,z0)，极坐标系下的坐标时，修正后的x轴运动导轨、z轴运动导轨的运动量分别为x'和z'，则

5.设置被加工件表面在加工过程中各处的刀触角αc，则此时的刀触角变为αc＝κ+b。其中，κ是被加工件表面在其径向的法矢与半径方向上的夹角，b是旋转平台旋转的角度。

6.得到刀具中心与旋转平台位置关系后，构造加工路径(x,z,c,b)，根据面形方程可得

采用该加工路径对被加工件进行加工，得到加工结果并进行分析评价。

具体实施方式中的所选用的立方相位板通过步骤2所得到加工结果，刀触点的分布如图4所示，根据接触点分布图，可以画出刀具磨损情况的统计情形。可以发现，如采用原有加工方式，刀具张角的[–20.5°,20.5°]范围都会遭到磨损，并且刀具正中间区域的磨损情况将十分严重。

步骤3中所述的具体对正过程采用以下方式：

首先，选用试切件，采用超精密车削的方法按照平面轮廓形式进行试切，得到试切件；

然后，对试切件进行测量，获得试切件上的轮廓线各点坐标(x1,z1)；

最后，测量得到的试切件轮廓进行推算即可得到对应的刀具中心轨迹，在已知x轴运动导轨、z轴运动导轨、主轴和旋转平台的运动量和试切件面形的基础上，计算刀具中心相对旋转平台回转中心为坐标原点的笛卡尔坐标(x0,z0)，并转化为相应极坐标方法为：

当刀具中心相对旋转平台回转中心为坐标原点的笛卡尔坐标为(x0,z0)，极坐标为时，则刀具中心实际所运动的轨迹(xt,zt)为

其中x、z和b分别是x轴运动导轨、z轴运动导轨以及旋转平台的运动量。在此基础上根据刀具补偿关系获得试切件的轮廓，则试切件轮廓坐标与刀具运动轨迹坐标的关系为

其中，n是表面轮廓线的单位法矢，ex和ez是其沿着x轴运动导轨方向和z轴运动导轨方向的分量，rt是刀具圆弧半径。因此，将测量轮廓进行上述方程的逆运算时，即可得到相应的(x0,z0)。

步骤3，若刀具中心与旋转平台回转中心完全对正时，步骤5中所设置刀具接触角αc分布在[–20°,20°]之间，按照步骤6生成的加工路径下x轴运动导轨、z轴运动导轨、旋转平台的运动量随主轴运动量的运动曲线如图5所示。

步骤4中所述的试切件选用一个口径10mm的平面进行试切，通过试切的方式确定刀具中心和旋转平台的位置关系，当刀具中心在以旋转平台回转中心为坐标原点的坐标系内坐标为(x0,z0)，极坐标系下的坐标选取相关试切参数为主轴转速1000r/min，进给速率f＝10mm/min，旋转平台具有均匀转速，其转速为ω＝45°/min此时根据平面方程计算出刀具中心轨迹方程为

测量得到的试切件轮廓按照公式(7)和公式(8)进行推算即可得到对应的刀具中心轨迹，再根据式(12)即可解得l和的值，也就可以求得x0和z0的值。采用上述方法得到了刀具中心与旋转平台回转中心的位置关系，旋转平台回转中心轨迹、刀具中心轨迹、试切件轮廓关系如图7所示。计算得到l＝0.1916，则x0＝0.1715，z0＝0.0854。

步骤5中旋转平台旋转角度与刀触角关系示意图如图3所示，其中o点是刀具中心，a点是刀具切削时的接触点，r是刀具半径，κ是旋转平台未旋转任何角度时的刀触角，b是旋转平台旋转的角度，则此时的刀触角变为αc＝κ+b。

步骤5中所设置刀具接触角αc分布在[–20°,20°]之间，按照步骤6生成的加工路径下x轴运动导轨、z轴运动导轨、旋转平台的运动量随主轴运动量的运动曲线如图8所示。对被加工件进行加工所获得的加工刀具磨损比对结果如图9所示，左为传统方法，右为本专利方法，可以发现，采用本专利方法能够获得刀触点均匀分布效果，极大避免刀具集中磨损。

通过本发明中提到的引入旋转平台和虚拟轴的方法，可以使得超精密车削加工中刀触点尽可能均匀地分布在比较大的区域，使得刀具寿命延长，被加工件表面质量提高。