小口徑非球面複合精密加工方法
2023-10-24 07:30:12
專利名稱：小口徑非球面複合精密加工方法
技術領域：
本發明涉及一種非球面加工方法，具體涉及一種小口徑非球面的複合精密加工方法。
背景技術：
隨著光電通訊、光學、汽車、生物工程及航空航天產業的迅速發展，超精密小口徑非球面光學元件的需求量急劇增長。這類小口徑非球面光學元件的製造，目前主要通過高精度的模具進行玻璃熱壓成型和光學塑料注射成型而成。而這種模具通常採用超硬合金製成，其模芯的非球面面型要求達到亞微米級的形狀精度、納米級的表而粗糙度和極小的亞表面損傷。上述小口徑非球面面型的加工，一般採用磨削和研拋兩道工序，分別在超精密磨床和研拋機兩種工具機上進行加工。小口徑非球面磨削加工時，由於加工口徑較小，若砂輪與工件採用垂直方式安裝，兩者在加工過程中容易產生幹涉現象。因此，為避免發生幹涉，加工時可將砂輪軸線相對工件軸線傾斜一定角度，採用斜軸磨削的方式進行加工。而為了達到超光滑和高精度表面，採用一種微粉金剛石砂輪對非球面進行鏡面磨削。完成加工後將工件取下安裝到非球面研拋工具機上進行後續研磨拋光，進一步提高表面的形狀精度並降低表面粗糙度。採用上述兩道工序加工的缺陷是，工件需在兩臺不同的工具機上進行多次裝夾， 這樣會帶來安裝誤差、對刀誤差等影響加工精度的後果；同時多次裝夾消耗了更多的輔助工時，降低了加工效率。
發明內容
本發明要解決的技術問題是，針對現有技術存在的缺陷，提供一種小口徑非球面複合精密加工方法，該方法通過集成超精密斜軸鏡面磨削加工與斜軸磁流變研拋加工兩種加工工藝遞進複合加工的方法，結合在位測量與補償加工技術，試圖減少安裝誤差、對刀誤差以提高加工精度和工作效率，且能防止幹涉現象的發生，特別適用於超精密小口徑非球面光學元件及其模具的高效製造與穩定生產。本發明的技術解決方案是，所提供的這種小口徑非球面複合精密加工方法，參見附圖1，是利用一臺配備有斜軸鏡面磨削裝置和斜軸磁流變研拋裝置的精密工具機，遵循如下具體操作步驟來加工小口徑非球面工件參見附圖1 4，一、將工件5裝夾在所述精密工具機上，並使斜軸鏡面磨削裝置1的砂輪主軸2軸線與斜軸磁流變研拋裝置10的研磨頭主軸9的軸線間隔平行，且該兩條軸線與滑臺4之間等間距相隔。該兩條軸線與工件主軸6的軸線依次成等角度夾角Zθ 2相交，所述 Z θ 2的角度取值範圍均為40 50° ；然後，先對工件5和微粉砂輪3採用光學放大鏡進行對心處理。再使微粉砂輪3在砂輪主軸2的帶動下根據設定的磨削加工軌跡對工件5的非球面面型進行斜軸磨削加工。加工時，使所述砂輪主軸2的軸線與工件主軸6 的軸線成Z θ 3角度相交，所述Z θ 3的角度取值範圍為；40 50° ；
二、採用檢測裝置7對步驟一所獲經過初步加工的工件5的形狀進行在位測量，根據測量結果判斷工件形狀精度是否達到加工要求。如果測量結果表明工件形狀精度達到加工要求即可結束本步驟。如果測量結果表明工件形狀精度未達到加工要求，則將測量結果對比初始磨削加工軌跡，由工具機系統軟體根據對比結果常規方法計算出形狀誤差，並採用快速傅立葉變換和高斯變換方法過濾掉測量系統隨機誤差之後，根據三次NURBS (英文全稱Non-UniformRational B-Spline)曲線(中文譯名為非均勻有理B樣條曲線)常規方法擬合出誤差補償曲線、生成補償加工軌跡，再由微粉砂輪3沿該軌跡對工件實施磨削加工。 如此循環，直到工件的形狀精度達到要求為止；三、使步驟二所獲形狀精度達到加工要求的工件5的工件主軸6沿工具機Y軸方向平移400 500mm距離。啟動斜軸磁流變研拋裝置10，使其研磨頭8在研磨頭主軸9的帶動下對步驟二所獲經過誤差補償加工的工件5進行研拋加工。加工時，在研磨頭上方供給磁流變體，所述研磨頭主軸9的軸線與工件主軸6的軸線成Z θ 4角度相交，Z θ4的角度取值範圍為40 50°。使所述研磨頭8的圓弧角的圓弧法線始終與工件5的研拋表面法線重合，而所述工件5與磁流變體11的接觸點始終構成工件5研拋區域的法線方向。同時，由於研磨頭8前端存在磁場，利用磁場作用將磁流變體11吸附在研磨頭8上，通過磁流變體11與工件5之間的微細剪切作用來實現對工件5的研磨與拋光即得小口徑非球面複合精密加工成品。本發明的有益效果是a.在單臺工具機上集成精密斜軸鏡面磨削與斜軸磁流變研拋兩種加工裝置與工藝， 結合在位測量與補償加工技術，減少了安裝誤差、對刀誤差，同時還減少了輔助加工工時， 提高了加工精度和加工效率；b.磨削和研拋加工採用斜軸加工方式，可有效防止幹涉現象的發生，特別適用於超精密小口徑非球面光學元件及其模具的高效穩定製造；c.加工路徑的可控性好，可實施連續加工。
圖1為本發明所用精密工具機一個具體實施例的結構示意圖；圖2為斜軸鏡面磨削原理示意圖；圖3為斜軸磁流變研拋原理示意圖；圖4為斜軸磁流變研拋加工區域示意圖。以上圖1 4中的標示為I-斜軸鏡面磨削裝置，2-砂輪主軸，3-微粉砂輪，4-滑臺，5-工件，6-工件主軸，7-檢測裝置，8-研磨頭，
9-研磨頭主軸，10-斜軸磁流變研拋裝置，11-磁流變體。
具體實施例方式實施例1 參見附圖1 4，一、將工件5裝夾在一由中國湖南大學國家高效磨削工程技術研究中心微納製造研究所製造的ULPG型精密工具機上，使該工具機的斜軸鏡面磨削裝置1的砂輪主軸2軸線與斜軸磁流變研拋裝置10的研磨頭主軸9的軸線間隔平行，且該兩條軸線與滑臺4之間等間距相隔。該兩條軸線與工件主軸6的軸線依次成等角度夾角Zθ 2相交，所述Z O1 和Z θ 2的角度均為40° ；然後，先對工件5和微粉砂輪3採用光學放大鏡進行對心處理。 再使微粉砂輪3在砂輪主軸2的帶動下根據設定的磨削加工軌跡對工件5的非球面面型進行斜軸磨削加工。加工時，使所述砂輪主軸2的軸線與工件主軸6的軸線成40°角度相交;二、採用檢測裝置7對步驟一所獲經過初步加工的工件5的形狀進行在位測量，測量結果表明工件形狀精度達到加工要求，結束本步驟；三、使步驟二所獲形狀精度達到加工要求的工件5的工件主軸6沿工具機Y軸方向平移400mm。啟動斜軸磁流變研拋裝置10，使其研磨頭8在研磨頭主軸9的帶動下對工件5 進行研拋加工。加工時，在研磨頭上方供給磁流變體，所述研磨頭主軸9的軸線與工件主軸 6的軸線成40°角度相交。使研磨頭8的圓弧角的圓弧法線始終與工件5的研拋表面法線重合。而工件5與磁流變體11的接觸點始終構成工件5研拋區域的法線方向。同時，利用研磨頭8前端的磁場作用將磁流變體11吸附在研磨頭8上，通過磁流變體11與工件5之間的微細剪切作用來實現對工件5的研磨與拋光即得小口徑非球面複合精密加工成品。實施例2 參見附圖1 4，一、將工件5裝夾在所述精密工具機上，並使斜軸鏡面磨削裝置1的砂輪主軸2軸線與斜軸磁流變研拋裝置10的研磨頭主軸9的軸線間隔平行，且該兩條軸線與滑臺4之間等間距相隔。該兩條軸線與工件主軸6的軸線依次成等角度夾角Zθ 2相交，所述 Z θ 2的角度均為50° ；然後，先對工件5和微粉砂輪3採用光學放大鏡進行對心處理。再使微粉砂輪3在砂輪主軸2的帶動下根據設定的磨削加工軌跡對工件5的非球面面型進行斜軸磨削加工。加工時，使所述砂輪主軸2的軸線與工件主軸6的軸線成50°角度相交；二、採用檢測裝置7對步驟一所獲經過初步加工的工件5的形狀進行在位測量，測量結果表明工件形狀精度未達到加工要求，將測量結果對比初始磨削加工軌跡，由工具機系統軟體根據對比結果常規方法計算出形狀誤差，並採用快速傅立葉變換和高斯變換方法過濾掉測量系統隨機誤差之後，根據三次NURBS曲線常規方法擬合出誤差補償曲線、生成補償加工軌跡，再由微粉砂輪3沿該軌跡對工件實施磨削加工。如此循環，直到工件的形狀精度達到要求為止；三、使步驟二所獲形狀精度達到加工要求的工件5的工件主軸6沿工具機Y軸方向平移500mm。啟動斜軸磁流變研拋裝置10，使其研磨頭8在研磨頭主軸9的帶動下對步驟二所獲經過誤差補償加工的工件5進行研拋加工。加工時，在研磨頭上方供給磁流變體，所
5述研磨頭主軸9的軸線與工件主軸6的軸線成50°角度相交。使研磨頭8的圓弧角的圓弧法線始終與工件5的研拋表面法線重合。而工件5與磁流變體11的接觸點始終構成工件 5研拋區域的法線方向。同時，利用研磨頭8前端的磁場作用將磁流變體11吸附在研磨頭 8上，通過磁流變體11與工件5之間的微細剪切作用來實現對工件5的研磨與拋光即得小口徑非球面複合精密加工成品。
權利要求
1. 一種小口徑非球面複合精密加工方法，該方法遵循如下步驟一、將工件( 裝夾在所述精密工具機上，並使斜軸鏡面磨削裝置(1)的砂輪主軸(2)軸線與斜軸磁流變研拋裝置(10)的研磨頭主軸(9)的軸線平行，且該兩條軸線與滑臺(4)之間等間距相隔，該兩條軸線與工件主軸(6)的軸線依次成等角度夾角Zθ2相交， 所述Z θ 2的角度取值範圍均為40 50° ；然後，先對工件( 和微粉砂輪(3) 採用光學放大鏡進行對心處理，再使微粉砂輪C3)在砂輪主軸O)的帶動下根據設定的磨削加工軌跡對工件( 的非球面面型進行斜軸磨削加工，加工時，使所述砂輪主軸( 的軸線與工件主軸(6)的軸線成Z θ 3角度相交，所述Z θ 3的角度取值範圍為；40 50° ；二、採用檢測裝置(7)對步驟一所獲經過初步加工的工件( 的形狀進行在位測量，根據測量結果判斷工件形狀精度是否達到加工要求，如果測量結果表明工件形狀精度達到加工要求即可結束步驟，如果測量結果表明工件形狀精度未達到加工要求，則將測量結果對比初始磨削加工軌跡，由工具機系統軟體根據對比結果常規方法計算出形狀誤差，並採用快速傅立葉變換和高斯變換方法過濾掉測量系統隨機誤差之後，根據三次NURBS曲線常規方法擬合出誤差補償曲線、生成補償加工軌跡，再由微粉砂輪C3)沿該軌跡對工件實施磨削加工，如此循環，直到工件的形狀精度達到要求為止；三、使步驟二所獲形狀精度達到加工要求的工件(5)的工件主軸(6)沿工具機Y軸方向平移400 500mm距離，啟動斜軸磁流變研拋裝置(10)，使其研磨頭⑶在研磨頭主軸(9) 的帶動下對步驟二所獲經過誤差補償加工的工件( 進行研拋加工，加工時，在研磨頭上方供給磁流變體，所述研磨頭主軸(9)的軸線與工件主軸㈩)的軸線成Z θ 4角度相交， Z θ 4的角度取值範圍為40 50°，使所述研磨頭(8)的圓弧角的圓弧法線始終與工件 (5)的研拋表面法線重合，而所述工件(5)與磁流變體(11)的接觸點始終構成工件(5)研拋區域的法線方向，同時，利用磁場作用將磁流變體(11)吸附在研磨頭(8)上，通過磁流變體(11)與工件(5)之間的微細剪切實現對工件(5)的研磨與拋光即得小口徑非球面複合精密加工成品。
全文摘要
本發明介紹了一種小口徑非球面複合精密加工方法，該方法遵循如下步驟1.將工件(5)裝夾在精密工具機上，使砂輪主軸(2)軸線與研磨頭主軸(9)的軸線平行，兩軸線與滑臺(4)相隔，與工件主軸(6)的軸線相交；使微粉砂輪(3)對工件(5)斜軸磨削加工；2.用檢測裝置(7)對工件(5)在位測量，生成補償加工軌跡，再由微粉砂輪(3)沿該軌跡加工；3.使研磨頭(8)對工件(5)進行研磨與拋光即得成品。該方法在單臺工具機上集成精密斜軸鏡面磨削與斜軸磁流變研拋，減少了安裝誤差、對刀誤差，還減少了工時，提高了精度和效率，防止了幹涉現象且可控性好，可連續加工。
文檔編號B24B1/04GK102161169SQ20111002142
公開日2011年8月24日 申請日期2011年1月19日 優先權日2011年1月19日
發明者餘劍武, 唐昆, 尹韶輝, 徐志強, 朱勇建, 朱科軍, 王宇, 胡天 申請人:湖南大學