一種脆性材料複雜曲面的加工方法與流程
2023-05-19 14:08:36
屬於脆性材料複雜曲面製造及超精密加工領域。
背景技術：
光學複雜曲面的廣泛應用於新能源，航空航天，照明成像，生物工程等多個跨學科領域。對比傳統的光學表面，光學複雜曲面具有更優越的性能，其曲面自由度大，更優異視場角，系統所需組件更少，更加輕便，易於裝配，調製傳遞函數高等特點。作為許多光學器件的核心部件，加入複雜曲面能減少系統體積和重量，同時提高系統的成像質量。半導體材料，光學晶體等脆性材料等具有優越的紫外或紅外透過率、高損傷閾值、高折射率等特性，其複雜曲面應用需求在逐漸增加，然而受到材料特性的限制，實現脆性材料加工仍然存在眾多困難。
目前，一般超精密磨削是加工脆性材料複雜曲面的重要方法。然而，磨削加工方法是藉助微小磨料顆粒反覆磨削光學器件成型，其加工效率較低，並且對於軟脆材料，磨料易嵌入其內部形成雜質和缺陷，進而造成光學功能的失效。而超精密切削加工方法是通過金剛石單點加工，特別適合對複雜曲面光學器件進行穩定而可控的加工。而脆性材料在切削過程中，材料易收到應力而產生脆性斷裂等表面損傷。為保證切削過程中材料在無脆裂條件下進行，因此應根據應用需求進行脆性材料的光學器件的光學設計，並結合設計曲面面形進行成型方法的選擇和工藝參數設計。因此，實現脆性材料複雜曲面的低損傷甚至無損的高效切削加工，平衡複雜曲面加工表面質量和脆性材料加工性能之間的矛盾，同時減小針對兩者的難度，對於推進脆性材料光學複雜曲面的深入應用具有重要的現實意義。
技術實現要素：
本發明提出基於銑削與飛刀運動相結合的高速切削方式實現超精密快速切削，系統解決脆性材料高效低損傷加工。兼顧了切削難加工材料和複雜曲面加工的矛盾，同時降低了兩者的困難，很好地保證了複雜曲面的表面質量和光學性能。基於這樣的高速離散切削方法的特點，提出該加工工藝，實現連續曲面的高質量高效率的切削加工。技術方案如下：
一種脆性材料複雜曲面的加工方法，包括下列步驟：
(1)搭建銑削與飛刀結合的加工系統；
(2)根據待加工面型，選擇合適的飛刀主軸迴轉半徑以及合適銑削進給方向，可選擇飛刀迴轉主軸與銑削進給方向平行和飛刀迴轉主軸與銑削進給方向垂直；
(3)根據加工過程特性和材料的切削性能，設計合適切削參數和刀具幾何參數，以保證材料單次切削中的去除量控制在塑性去除模式的範圍；
(4)基於加工參數和刀具幾何參數進行飛刀切削和銑削進給的加工路徑生成，並在加工前進行路徑補償，補償後刀具輪廓對該路徑遍歷後形成加工表面；
(5)將待加工工件安裝於超精密工具機的主軸上，飛刀垂直安裝於超精密銑削軸上；對工件進行加工，隨著飛刀迴轉主軸的高速運動配合工具機導軌的直線運動對工件進行間歇切削，此時飛刀切削方向與進給方向垂直，當導軌進給歷經工件長度後，工具機導軌工件橫向平移合適間距，重複上述過程，直至複雜曲面加工完畢。
所述脆性材料可為單晶鍺，飛刀主軸轉速在4000rpm，迴轉半徑為30mm，刀鼻半徑為0.5mm，在銑削主軸縱向進給為f＝2mm/min，切削深度為1μm時，單次去除量控制在～28nm。
本發明針對脆性材料複雜曲面超精密加工時存在的加工精度和表面質量問題，與現有技術相比具有以下優點：
(1)採用銑削與飛刀運動相結合的高速切削方式，提高加工時對材料進行間歇切削的頻率，有效降低對脆性材料的單次切削去除量，使得脆性材料以塑性切削模式被去除，提高加工表面質量，並減輕刀具磨損。
(2)通過飛刀迴轉切削與銑削直線進給的方式相耦合，控制切削參數，可以提高切削穩定性，遍歷複雜切削路徑，實現複雜表面的超精密加工成型。
附圖說明
圖1迴轉主軸與進給方向平行方式示意圖
圖2迴轉主軸與進給方向垂直示意圖
圖3銑削進給方向輪廓曲率示意圖
具體實施方式
針對脆性材料複雜曲面加工成型精度困難表面質量差等難點，本發明提出了銑削與飛刀相結合的加工方式，即將含金剛石車刀垂直安裝於超精密飛刀主軸上，與銑削直線運動耦合聯動實現連續變化曲面高速切削加工。該方法可以實現快速、高質量的脆性材料光滑複雜曲面的加工，避免傳統磨削中可能引進的雜質和缺陷。為了避免過度自由和陡峭的面形，需要考慮曲面沿著銑削軸的直線運動方向的最大曲率，避免其對應曲率半徑小於飛刀的迴轉半徑。具有一定設計經驗的光學工程師可很好的完成以上光學設計。在此基礎上，加工中可保證飛刀主軸的高轉速，結合切削過程中材料單次去除量小的特點，可實現脆性材料高效低損傷加工。
在具體實施例中，以典型脆性材料單晶鍺的超環面加工為例說明。其中心曲線由偶次非球面表達，即
其中c，k分別為非球面曲線的曲率和圓錐係數，超環面的最終表達式為
其中，rx為面形x方向的曲率半徑，具體參數如表1所示。
本發明具體實施方式如下：
1.搭建銑削與飛刀結合的加工系統；
2.選擇合適的飛刀主軸迴轉半徑，以及合適銑削進給方向，避免其對應曲率半徑小於飛刀的迴轉半徑，即選擇合適的銑削主軸轉速、進給速率以及飛刀安裝迴轉半徑，避免飛刀的迴轉半徑大於其曲面上任意一條沿著銑削軸的直線運動方向的最大曲率半徑。
3.根據加工過程特性和材料的切削性能，設計合適切削參數和刀具幾何參數；根據實施例，選擇飛刀主軸轉速在4000rpm，迴轉半徑約為30mm，刀鼻半徑為0.5mm，在銑削主軸y方向進給為f＝2mm/min，切削深度為1μm時，單次去除量控制在～28nm，可達到單晶鍺的脆塑轉變範圍內進行去除，保證了該脆性材料無碎裂加工，同時選擇x方向的間距為50μm，以保證粗糙度在納米量級。
4.基於加工參數和刀具幾何參數進行飛刀切削和銑削進給的加工路徑生成，並在加工前進行路徑補償，補償後刀具輪廓對該路徑遍歷後形成加工表面；
5.將工件固定於工具機主軸，進行銑削與飛刀結合的切削加工，加工時，銑削主軸旋轉帶動刀具旋轉，銑削主軸的直線進給提供橫向和切深方向進給，形成複雜曲面面形。
附表1實施例中超環面曲面參數
具體實施方式中提及的銑削與飛刀結合的切削加工系統分為兩種形式：飛刀迴轉主軸與進給方向平行加工和飛刀迴轉主軸與進給方向垂直加工。飛刀迴轉主軸與進給方向平行方式如圖1所示，銑削主軸與飛刀迴轉主軸同軸均與y軸平行而飛刀切削方向與進給方向垂直，當導軌進給歷經工件長度後，工具機導軌沿著x軸平移合適間距，重複上述過程，直至複雜曲面加工完畢。飛刀迴轉主軸與進給方向垂直方式如圖2所示，銑削主軸與飛刀迴轉主軸均與x軸平行且飛刀切削方向與進給方向平行，歷經工件長度後，工具機導軌沿著x軸平移合適間距，重複上述過程，直至複雜曲面加工完畢。
具體實施方式中提及的銑削軸的直線運動方向的曲率如圖3所示，對面形中給定的x＝x0可以獲得相應的y方向輪廓曲線，該曲線表達式為
其中zy由(1)式決定，此時根據該曲線計算各點的曲率，進而獲得各點半徑，對於面形中的每個給定x值，獲得的y方向輪廓線的曲率半徑應該都大於飛刀的迴轉半徑，這樣才能保證整個曲面不會因為過切而導致加工面形缺陷。
具體實施方式中提到的合適切削參數和刀具幾何參數為：在選取合適的銑削主軸轉速s和主軸進給速率f的情況下(一般地，s>>f)，當刀具圓弧半徑為rt，加工切削深度為a0時，對材料實際的切削厚度的表達式為
其中f是指飛刀每次接觸材料時銑削主軸所進給的距離，f≈f/s，可以發現在合適的切削參數下，實際切削厚度將遠小於切削深度，藉此實現對脆性材料的低損傷加工。另外對於x方向間距，應保證殘高在要求粗糙度的同等量級，殘高的表達式為
其中fx為x方向間距，r為飛刀迴轉半徑。