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CN112496353B - 一种金刚石车削自由曲面粗车工艺方法 - Google Patents

一种金刚石车削自由曲面粗车工艺方法 Download PDF

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CN112496353B CN202011292509.XA CN202011292509A CN112496353B CN 112496353 B CN112496353 B CN 112496353B CN 202011292509 A CN202011292509 A CN 202011292509A CN 112496353 B CN112496353 B CN 112496353B
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tool servo
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叶璐
张金平
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Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B1/00—Methods for turning or working essentially requiring the use of turning-machines; Use of auxiliary equipment in connection with such methods

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Abstract

本发明公开一种金刚石车削自由曲面粗车工艺方法，将自由曲面分解为回转对称面形和非回转对称两部分，针对回转对称部分，利用非球面拟合方法或者包络线拟合曲线等方法采用传统车削加工技术完成，切削速度快，走刀速度快，加工时间短；针对非回转对称部分，则仍采用慢刀伺服或者快刀伺服车削技术进行粗加工。该工艺方法一方面可以减少五轴加工自由曲面铣削工序，减少工序步骤，一次装夹即可完成粗加工和精加工，另一方面将部分自由曲面车削工序转化成传统车削工序，总体上提高了整个工艺的加工效率。

Description

一种金刚石车削自由曲面粗车工艺方法
技术领域
本发明属于光学自由曲面制造技术领域，具体涉及晶体材料的单点金刚石自由曲面车削加工工艺。它适用于氟化钙、硫化锌等脆性晶体以及有色金属材料加工。
背景技术
近年来，由于空间技术的进步、国防尖端科技的发展以及军事科学领域的迫切需求，有关晶体光学材料的加工工艺、特性分析及其超光滑镜面的加工技术等问题，均受到世界各国的特殊关注。例如在军用小型激光器、大功率激光器窗口、热像仪的透镜窗口、各种先进武器的光电系统窗口、导弹整流罩等武器部件上，红外晶体材料已成为不可缺少的关键材料。此外，在民用科技领域，诸如深紫外光刻技术中，氟化钙等晶体材料已经开始应用到其光刻物镜镜头中。由此可见，这些特殊晶体光学材料的研究将给现代科技、国防工业以及国民经济带来为广泛的实用价值和巨大的经济效益。
同时，随着光学设计水平的提高，以及单点金刚石超精密车削技术(SPDT)的日趋成熟，人们对特殊晶体材料的大离轴量二次曲面镜和自由曲面镜的使用需求迅速增加。诸如此类的特殊面形，除了传统的光学抛光技术外，基于单点金刚石车削技术的慢刀伺服/快刀伺服车削是一种高精度、高效率、低成本、工艺简单的加工方法。
然而，相对于常规车削技术，基于单点金刚石车削技术的慢刀伺服/快刀伺服车削技术是一种单次去除量极小，走刀速度慢，加工效率低的超精密车削技术。为了提高整个工艺的加工效率，前期的粗加工一般采用五轴加工中心自由曲面铣削技术，按照要求的自由曲面方程留出精加工余量铣削出自由曲面面形，后续精精加工只需走刀一次即可完成整个加工工序。
针对有色金属材料，虽然可以采用五轴加工中心进行自由曲面铣削粗加工，但显而易见，需要配置一台五轴加工中心，显然增加了企业额外的成本。
针对特殊晶体材料，尤其是脆性材料，常规的铣削加工容易造成晶体材料产生微裂纹，严重时直接造成晶体开裂。故即使配置了五轴加工中心，其铣削方式不适合脆性晶体材料的自由曲面粗加工。
所以，目前针对脆性晶体材料的自由曲面加工，为了保证最后成型的自由曲面表面没有微裂纹，只能从原始毛胚开始，直接采用最后精加工的慢刀伺服/快刀伺服车削技术，一直加工到最终面形。这样加工流程下来，加工周期长，而且增加刀具磨损的概率，加工效率低下。
发明内容
本发明为解决现有的针对晶体材料的自由曲面粗加工工序多，效率低，加工周期长等缺点，提出了一种将自由曲面分解为回转对称面形和非回转对称两部分，针对回转对称部分，根据非球面拟合参数技术或者直线拟合技术采用传统车削技术，切削速度快，走刀速度快，加工时间短；针对非回转对称部分，则仍采用慢刀伺服/快刀伺服车削技术进行粗加工，粗加工和精加工在一台机床上即可完成，减少装夹次数，从而达到最大限度降低粗加工的加工周期目的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种金刚石车削自由曲面粗车工艺，其特征在于包括以下步骤：
(1).以被加工件车削回转中心为坐标原点，建立工件柱坐标系O-ρθZ。以原点为中心，按照螺旋线顺序从中心向外围以等角度间隔或者等弧长间隔的方式依次选取一系列曲面上的点A1(ρ1,θ1,Z1)、A2(ρ2,θ2,Z2)、A3(ρ3,θ3,Z3)…An(ρn,θn,Zn)。
(2).构建O-ρZ平面坐标系，以ρ为横坐标，Z为纵坐标，忽略角度坐标θ依次将A1(ρ1,Z1)、A2(ρ2,Z2)、A3(ρ3,Z3)…An(ρn,Zn)等坐标值在O-ρZ坐标系中绘出，生成Z关于ρ的曲线p1.
(3).在所述的曲线p1上，依此选择并记录所述曲线每一个波峰点B1(ρ1,Z1)、B2(ρ2,Z2)、B3(ρ3,Z3)…Bm(ρm,Zm)等的坐标值。
(4).根据所述波峰点B1(ρ1,Z1)、B2(ρ2,Z2)、B3(ρ3,Z3)…Bm(ρm,Zm)，采用最小二乘法拟合回转对称非球面方程
Figure BDA0002784316980000031
确定非球面系数c,k,A4,A6…A2n，高次项系数的个数可以根据拟合精度选择，拟合曲线记为p2。然后根据金刚石车削软件，输入上述非球面系数，生成非球面数控程序并采用传统加工回转对称非球面的加工工艺，直至毛坯端面全部加工完毕。
(5).根据最终自由曲面方程，利用金刚石车削软件生成慢刀伺服或者快刀伺服粗加工数控程序，在上述第4步加工完成的端面基础上采用慢刀伺服或者快刀伺服加工工艺完成最后加工余量的车削加工。
上述权利要求一所述的一种金刚石车削自由曲面粗车工艺，其特征在于所述第五步中曲线拟合方法也可以采用包络线拟合方式，采用直线插补技术生成传统车削数控程序，然后按照传统车削工艺加工毛坯。
本发明的有益效果
本发明所述的一种金刚石车削自由曲面粗车工艺采用将自由曲面分解为回转对称面形和非回转对称两部分，针对回转对称部分，采用传统车削技术，切削速度快，走刀速度快，加工时间短；针对非回转对称部分，则仍采用慢刀伺服/快刀伺服车削技术进行粗加工，一方面可以减少五轴加工自由曲面铣削工序，减少工序步骤，一次装夹即可完成粗加工和精加工，另一方面将部分自由曲面车削工序转化成传统车削工序，总体上提高了整个工艺的加工效率。
附图说明
图1是为本发明所述的自由曲面粗车工艺流程图图；
图2是为本发明所述的自由曲面示意图；
图3为自由曲面上点A1-An中Z关于ρ的曲线p1示意图；
图4为本发明所述的曲线p1上选取波峰点B1-Bn示意图；
图5为本发明所述的波峰点B1-Bn拟合非球面曲线p2示意图；
图6为本发明所述的非球面车削和慢刀伺服/快刀伺服车削区域示意图。
具体实施方式
具体实施方式一
结合图2-图6说明本专利具体实施方案1.
假设待加工的自由曲面方程为
Figure BDA0002784316980000041
其中c＝-1/200，k＝0，K＝1/1000，口径D＝20mm。
1.以车削回转中心为坐标原点，建立工件柱坐标系O-ρθZ。
2.如图2所示，以原点为中心，按照螺旋线顺序从中心向外围以一定的采点密度依次选取一系列曲面上的点A1(ρ1,Z1)、A2(ρ2,Z2)、A3(ρ3,Z3)…An(ρn,Zn)等，角度坐标θ可以不记录。
3.构建O-ρZ平面坐标系，以ρ为横坐标，Z为纵坐标，依次将A1(ρ1,Z1)、A2(ρ2,Z2)、A3(ρ3,Z3)…An(ρn,Zn)等坐标值在O-ρZ坐标系中绘出，生成Z关于ρ的曲线p1，如图3所示。
4.在所述的曲线P1上，依此选择并记录所述曲面每一个波峰点B1(ρ1,Z1)、B2(ρ2,Z2)、B3(ρ3,Z3)…Bm(ρm,Zm)等的坐标值，如图4所示。
5.根据所述波峰点B1(ρ1,Z1)、B2(ρ2,Z2)、B3(ρ3,Z3)，采用最小二乘法拟合非球面方程
Figure BDA0002784316980000051
确定非球面系数c,k,A4,A6…A2n，高次项系数的个数可以根据拟合精度选择，拟合曲线记为p2，如图5所示。然后根据金刚石车削软件，输入上述非球面系数，生成非球面数控程序并采用传统非球面加工工艺，直至毛坯端面全部加工完毕。也可以直接拟合包络线。
6.根据最终自由曲面方程，利用金刚石车削软件生成慢刀伺服/快刀伺服粗加工数控程序，在上述第5步加工完成的端面基础上采用慢刀伺服/快刀伺服加工工艺完成最后加工余量的车削加工。
如图6所示，本实例中，原始毛坯轮廓p0与p2所围成的区域，为传统车削区域，可以通过高转速，快进给量，高效完成加工余量的去除，轮廓线p2与p1围成的区域为非回转对称区域，只能通过慢刀/快刀伺服车削完成。

Claims (2)

1.一种金刚石车削自由曲面粗车工艺方法，其特征在于包括以下步骤：
(1).以被加工件车削回转中心为坐标原点，建立工件柱坐标系O-ρθZ；以原点为中心，按照螺旋线顺序从中心向外围以等角度间隔或者等弧长间隔的方式依次选取一系列曲面上的点A1(ρ1,θ1,Z1)、A2(ρ2,θ2,Z2)、A3(ρ3,θ3,Z3)…An(ρn,θn,Zn)；
(2).构建O-ρZ平面坐标系，以ρ为横坐标，Z为纵坐标，忽略角度坐标θ依次将A1(ρ1,Z1)、A2(ρ2,Z2)、A3(ρ3,Z3)…An(ρn,Zn)等坐标值在O-ρZ坐标系中绘出，生成Z关于ρ的曲线p1；
(3).在所述的曲线p1上，依此选择并记录所述曲线每一个波峰点B1(ρ1,Z1)、B2(ρ2,Z2)、B3(ρ3,Z3)…Bm(ρm,Zm)等的坐标值；
(4).根据所述波峰点B1(ρ1,Z1)、B2(ρ2,Z2)、B3(ρ3,Z3)…Bm(ρm,Zm)，采用最小二乘法拟合回转对称非球面方程
Figure FDA0002784316970000011
确定非球面系数c,k,A4,A6…A2n，高次项系数的个数可以根据拟合精度选择，拟合曲线记为p2；然后根据金刚石车削软件，输入上述非球面系数，生成非球面数控程序并采用传统加工回转对称非球面的加工工艺，直至毛坯端面全部加工完毕；
(5).根据最终自由曲面方程，利用金刚石车削软件生成慢刀伺服或者快刀伺服粗加工数控程序，在上述第(4)步加工完成的端面基础上采用慢刀伺服或者快刀伺服加工工艺完成最后加工余量的车削加工。
2.根据权利要求1所述的一种金刚石车削自由曲面粗车工艺方法，其特征在于，步骤(4)中所述的最小二乘法拟合回转对称非球面方程可以用包络线拟合方法替代，并采用直线插补技术生成传统车削数控程序，然后按照传统车削工艺加工毛坯。
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