一种脆性材料复杂曲面的加工方法与流程

属于脆性材料复杂曲面制造及超精密加工领域。

背景技术：

光学复杂曲面的广泛应用于新能源，航空航天，照明成像，生物工程等多个跨学科领域。对比传统的光学表面，光学复杂曲面具有更优越的性能，其曲面自由度大，更优异视场角，系统所需组件更少，更加轻便，易于装配，调制传递函数高等特点。作为许多光学器件的核心部件，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。半导体材料，光学晶体等脆性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。

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，因此应根据应用需求进行脆性材料的光学器件的光学设计，并结合设计曲面面形进行成型方法的选择和工艺参数设计。因此，实现脆性材料复杂曲面的低损伤甚至无损的高效切削加工，平衡复杂曲面加工表面质量和脆性材料加工性能之间的矛盾，同时减小针对两者的难度，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：

本发明提出基于铣削与飞刀运动相结合的高速切削方式实现超精密快速切削，系统解决脆性材料高效低损伤加工。兼顾了切削难加工材料和复杂曲面加工的矛盾，同时降低了两者的困难，很好地保证了复杂曲面的表面质量和光学性能。基于这样的高速离散切削方法的特点，提出该加工工艺，实现连续曲面的高质量高效率的切削加工。技术方案如下：

一种脆性材料复杂曲面的加工方法，包括下列步骤：

(1)搭建铣削与飞刀结合的加工系统；

(2)根据待加工面型，选择合适的飞刀主轴回转半径以及合适铣削进给方向，可选择飞刀回转主轴与铣削进给方向平行和飞刀回转主轴与铣削进给方向垂直；

(3)根据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，以保证材料单次切削中的去除量控制在塑性去除模式的范围；

(4)基于加工参数和刀具几何参数进行飞刀切削和铣削进给的加工路径生成，并在加工前进行路径补偿，补偿后刀具轮廓对该路径遍历后形成加工表面；

(5)将待加工工件安装于超精密机床的主轴上，飞刀垂直安装于超精密铣削轴上；对工件进行加工，随着飞刀回转主轴的高速运动配合机床导轨的直线运动对工件进行间歇切削，此时飞刀切削方向与进给方向垂直，当导轨进给历经工件长度后，机床导轨工件横向平移合适间距，重复上述过程，直至复杂曲面加工完毕。

所述脆性材料可为单晶锗，飞刀主轴转速在4000rpm，回转半径为30mm，刀鼻半径为0.5mm，在铣削主轴纵向进给为f＝2mm/min，切削深度为1μm时，单次去除量控制在～28nm。

本发明针对脆性材料复杂曲面超精密加工时存在的加工精度和表面质量问题，与现有技术相比具有以下优点：

(1)采用铣削与飞刀运动相结合的高速切削方式，提高加工时对材料进行间歇切削的频率，有效降低对脆性材料的单次切削去除量，使得脆性材料以塑性切削模式被去除，提高加工表面质量，并减轻刀具磨损。

(2)通过飞刀回转切削与铣削直线进给的方式相耦合，控制切削参数，可以提高切削稳定性，遍历复杂切削路径，实现复杂表面的超精密加工成型。

附图说明

图1回转主轴与进给方向平行方式示意图

图2回转主轴与进给方向垂直示意图

图3铣削进给方向轮廓曲率示意图

具体实施方式

针对脆性材料复杂曲面加工成型精度困难表面质量差等难点，本发明提出了铣削与飞刀相结合的加工方式，即将含金刚石车刀垂直安装于超精密飞刀主轴上，与铣削直线运动耦合联动实现连续变化曲面高速切削加工。该方法可以实现快速、高质量的脆性材料光滑复杂曲面的加工，避免传统磨削中可能引进的杂质和缺陷。为了避免过度自由和陡峭的面形，需要考虑曲面沿着铣削轴的直线运动方向的最大曲率，避免其对应曲率半径小于飞刀的回转半径。具有一定设计经验的光学工程师可很好的完成以上光学设计。在此基础上，加工中可保证飞刀主轴的高转速，结合切削过程中材料单次去除量小的特点，可实现脆性材料高效低损伤加工。

在具体实施例中，以典型脆性材料单晶锗的超环面加工为例说明。其中心曲线由偶次非球面表达，即

其中c，k分别为非球面曲线的曲率和圆锥系数，超环面的最终表达式为

其中，rx为面形x方向的曲率半径，具体参数如表1所示。

本发明具体实施方式如下：

1.搭建铣削与飞刀结合的加工系统；

2.选择合适的飞刀主轴回转半径，以及合适铣削进给方向，避免其对应曲率半径小于飞刀的回转半径，即选择合适的铣削主轴转速、进给速率以及飞刀安装回转半径，避免飞刀的回转半径大于其曲面上任意一条沿着铣削轴的直线运动方向的最大曲率半径。

3.根据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；根据实施例，选择飞刀主轴转速在4000rpm，回转半径约为30mm，刀鼻半径为0.5mm，在铣削主轴y方向进给为f＝2mm/min，切削深度为1μm时，单次去除量控制在～28nm，可达到单晶锗的脆塑转变范围内进行去除，保证了该脆性材料无碎裂加工，同时选择x方向的间距为50μm，以保证粗糙度在纳米量级。

4.基于加工参数和刀具几何参数进行飞刀切削和铣削进给的加工路径生成，并在加工前进行路径补偿，补偿后刀具轮廓对该路径遍历后形成加工表面；

5.将工件固定于机床主轴，进行铣削与飞刀结合的切削加工，加工时，铣削主轴旋转带动刀具旋转，铣削主轴的直线进给提供横向和切深方向进给，形成复杂曲面面形。

附表1实施例中超环面曲面参数

具体实施方式中提及的铣削与飞刀结合的切削加工系统分为两种形式：飞刀回转主轴与进给方向平行加工和飞刀回转主轴与进给方向垂直加工。飞刀回转主轴与进给方向平行方式如图1所示，铣削主轴与飞刀回转主轴同轴均与y轴平行而飞刀切削方向与进给方向垂直，当导轨进给历经工件长度后，机床导轨沿着x轴平移合适间距，重复上述过程，直至复杂曲面加工完毕。飞刀回转主轴与进给方向垂直方式如图2所示，铣削主轴与飞刀回转主轴均与x轴平行且飞刀切削方向与进给方向平行，历经工件长度后，机床导轨沿着x轴平移合适间距，重复上述过程，直至复杂曲面加工完毕。

具体实施方式中提及的铣削轴的直线运动方向的曲率如图3所示，对面形中给定的x＝x0可以获得相应的y方向轮廓曲线，该曲线表达式为

其中zy由(1)式决定，此时根据该曲线计算各点的曲率，进而获得各点半径，对于面形中的每个给定x值，获得的y方向轮廓线的曲率半径应该都大于飞刀的回转半径，这样才能保证整个曲面不会因为过切而导致加工面形缺陷。

具体实施方式中提到的合适切削参数和刀具几何参数为：在选取合适的铣削主轴转速s和主轴进给速率f的情况下(一般地，s>>f)，当刀具圆弧半径为rt，加工切削深度为a0时，对材料实际的切削厚度的表达式为

其中f是指飞刀每次接触材料时铣削主轴所进给的距离，f≈f/s，可以发现在合适的切削参数下，实际切削厚度将远小于切削深度，借此实现对脆性材料的低损伤加工。另外对于x方向间距，应保证残高在要求粗糙度的同等量级，残高的表达式为

其中fx为x方向间距，r为飞刀回转半径。