一种基于圆槽定位的超精密飞切精对刀方法

本发明涉及超精密加工，特别是涉及一种基于圆槽定位的超精密飞切精对刀方法。

背景技术：

1、作为重要的超精密加工技术之一，超精密飞切为获得自由曲面、微/纳米结构表面以及亚微米级面形精度和纳米级表面粗糙度混合结构表面提供了高度的灵活性和确定性。目前，对于特殊制造的自由曲面和结构表面，超精密飞切以确定性高质量复杂表面、经济高效、高灵活性等优点，已然成为在光学、医学、电子等领域最可靠、最快速的技术之一。尽管超精密飞切技术是由超精密车削发展而来，但其独特的加工方式（金刚石刀具安装在主轴上，工件装夹在b轴上）同时也引出了相应的加工问题。在多轴超精密机床加工时，b轴能够使得工件在不同角度进行旋转定位，与机床其他轴联动，能实现更加精细和复杂的加工需求，以此制造出复杂的工件结构表面。未校准和调整的b轴会导致加工工件时，在不同角度上产生定位偏差。刀具在不同角度位置上产生切削位置偏差，这会直接造成所加工光学表面产生严重缺陷。因此，消除超精密飞切b轴引起的对刀误差，非常有必要。

2、对于超精密飞切对刀，通常需要以下步骤确定刀尖中心与b轴中心的相对位置：首先根据加工要求，调整刀具的位置和角度，消除刀尖中心与b轴旋转中心y轴方向的偏转误差，并计算刀尖中心与b轴旋转中心y轴方向的距离；然后通过加工试验得到刀尖中心与b轴旋转中心x轴和z轴方向的距离，对两者x轴和z轴方向的对刀误差进行补偿校准；最终将加工程序中任意一点坐标变换到机床坐标系中，确定对应的刀具刀尖中心位置，以此来实现超精密飞切对刀。

3、传统超精密机床飞切对刀方法的有效性已被广泛验证，但依然存在以下缺点： 1）试切法严重依赖操作人员的技术水平，主观性太高，结果置信度不高；2）试切法过程繁琐，耗费大量时间、成本和人力，需要借助特殊工具或设备来进行数据分析，局限性太强，延长加工周期，操作过程容易因重复切削对工件加工表面造成破坏，进而最终影响加工表面质量；3）专用b轴对刀仪对刀法对操作人员要求高，需要额外的安装空间，且只适用于特定类型或尺寸的工件，存在明显的局限性；4）专用b轴对刀仪设备成本高昂，且需要后续的维护和校准，需要额外的时间和成本。

4、综上，现有传统超精密机床飞切对刀方法无法满足实际生产需求。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的问题，本发明旨在公开一种基于圆槽定位的超精密飞切精对刀方法，在保证不影响正常加工效率的基础上有效提高对刀过程中的客观性、可靠性，且尽可能节省人力和成本，最终提高超精密加工表面质量。为达此目的，本发明采用以下技术方案：

2、一种基于圆槽定位的超精密飞切精对刀方法，应用于超精密机床，包括：

3、通过超精密测量仪器确定工件尺寸，从而确定工件几何中心；依靠专用刀架将刀具（2）装夹并靠吸盘吸附于超精密机床c轴（4）上，通过专业夹具将工件固定至b轴（3）上，旋转c轴（4）使刀具（2）与工件加工表面（1）垂直；将b轴（3）沿z轴移动工件一定距离并旋转b轴，进行工件加工表面（1）切削，消除y轴对刀误差；b轴（3）旋转固定角度，在工件加工表面（1）依次加工、、三点；取下工件用酒精和无尘布清洁加工表面（1），在超精密测量设备上测量、、三点x轴方向的距离，调整工件位置，将工件几何中心和b轴（3）旋转中心重合；设置b轴（3）固定转速，控制刀具（2）沿z轴方向移动，再沿y轴方向以切削深度h飞切第一圆槽（5）；加工完后，退回粗对刀点，保持b轴转速不变，控制刀具（2）沿x轴方向移动（），再沿y轴方向以同样切削深度h飞切第二圆槽（6）；取下工件用酒精和无尘布清洁加工表面（1）；使用超精密测量设备测量第一圆槽（5）最低处圆弧半径为，第二圆槽（6）最低处圆弧半径为；构建对刀误差方程组，计算沿x轴和z轴对刀误差和，将此对刀误差补偿进机床坐标系统即可实现超精密飞切精对刀。

4、可选的，所述超精密机床c轴为空气主轴；所述吸盘为真空吸盘；所述夹具为气动夹具；所述刀具为聚晶金刚石车刀；所述专用刀架为高速刀具刀架；所述超精密测量仪器为白光干涉仪。

5、可选的，b轴（3）旋转固定角度，在工件加工表面（1）依次加工、、三点，具体为：控制b轴（3）旋转固定角度为30°，基于同一平面三点确定圆心原理，构建、、三点与b轴旋转中心的方程组，求解该方程组即可得到b轴旋转中心坐标。

6、可选的，设(0，0)，(，)，(，)，、、三点与b轴旋转中心的距离为，b轴旋转中心坐标(，)，所述要求解的方程组具体为：

7、

8、

9、

10、

11、

12、可选的，所述要求解的b轴旋转中心坐标具体为：

13、

14、

15、可选的，所控制刀具（2）沿z轴方向移动，具体为：控制刀具（2）沿z轴正向移动10mm，然后再沿y轴方向以切削深度h，h具体为4μm，旋转b轴（3）飞切第一圆槽（5）。

16、可选的，所控制刀具（2）沿x轴方向移动，具体为：控制刀具（2）沿x轴正向移动15mm，然后再沿y轴方向以切削深度h，h具体为4μm，旋转b轴（3）飞切第二圆槽（6）。

17、可选的，所述的白光干涉仪对圆槽测量，并记录第一圆槽（5）、第二圆槽（6）最低处圆弧半径、，具体包括：取下工件，对工件加工表面（1）进行清洁；沿z轴正向，在表面测量设备上测量第一圆槽（5）、第二圆槽（6）最低处圆弧半径，并记为、。

18、可选的，所述构建对刀误差方程组，计算沿x轴和z轴方向对刀误差和，将此对刀误差补偿进机床坐标系统即可实现超精密飞切精对刀，具体包括：在沿x轴和z轴方向移动后飞切；建立沿x轴和z轴方向距离、和第一圆槽（5）、第二圆槽（6）最低处圆弧半径、以及沿x轴和z轴方向对刀误差和之间的方程组；求解该方程组即可得到x轴和z轴方向对刀误差和；将此对刀误差补偿进机床坐标系统即可实现超精密飞切精对刀。

19、可选的，所述要求解的方程组具体为：

20、

21、

22、本发明的有益效果为：

23、本发明公开的一种基于圆槽定位的超精密飞切精对刀方法，通过金刚石车刀在工件表面飞切加工两个特定的同心圆槽结构，再将加工好的工件表面放置于白光干涉仪下，精确测量出两个圆槽最低点对应的圆弧半径，根据实际测量半径、理想半径和对刀误差、之间的关系，建立等式，计算出x轴和z轴方向对刀误差的大小，将此对刀误差补偿进机床系统，以便于后续加工。此方法具有以下优点：首先，所提出的圆槽定位的方法不取决于操作人员的技术水平，基于客观性操作，置信度更高；其次，基于高精度的白光干涉仪测量相较于传统显微镜测量精度范围有限的问题，测量过程高效快速且结果高精度；另外，所提出的方法仅需两次装夹试切，无需同传统试切进行重复性工作，提高对刀效率。重要的是，该方法能够解决传统方法操作繁琐、局限性大、耗费时间、成本和人力的问题，能够实现超精密飞切精对刀，可操作性和效率均有所提升。

技术特征：

1.一种基于圆槽定位的超精密飞切精对刀方法，应用于超精密机床，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超精密机床c轴为空气主轴；所述吸盘为真空吸盘；所述夹具为气动夹具；所述刀具为聚晶金刚石车刀；所述专用刀架为高速刀具刀架；所述超精密测量仪器为白光干涉仪。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，b轴（3）旋转固定角度，在工件加工表面（1）依次加工 、、 三点，具体为：控制b轴（3）旋转固定角度为30°，基于同一平面三点确定圆心原理，构建 、、 三点与b轴旋转中心的方程组，求解该方程组即可得到b轴旋转中心坐标。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，设(0，0)，(，)，(，)，、、 三点与b轴旋转中心的距离为，b轴旋转中心坐标(，)，所述要求解的方程组具体为：

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述要求解的b轴旋转中心坐标具体为：

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所控制刀具（2）沿z轴方向移动，具体为：控制刀具（2）沿z轴正向移动10mm，然后再沿y轴方向以切削深度h，h具体为4μm，旋转b轴（3）飞切第一圆槽（5）。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所控制刀具（2）沿x轴方向移动，具体为：控制刀具（2）沿x轴正向移动15mm，然后再沿y轴方向以切削深度h，h具体为4μm，旋转b轴（3）飞切第二圆槽（6）。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的白光干涉仪对圆槽测量，并记录第一圆槽（5）、第二圆槽（6）最低处圆弧半径、，具体包括：取下工件，对工件加工表面（1）进行清洁；沿z轴正向，在表面测量设备上测量第一圆槽（5）、第二圆槽（6）最低处圆弧半径，并记为、。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构建对刀误差方程组，计算沿x轴和z轴方向对刀误差和，将此对刀误差补偿进机床坐标系统即可实现超精密飞切精对刀，具体包括：在沿x轴和z轴方向移动后飞切；建立沿x轴和z轴方向距离、和第一圆槽（5）、第二圆槽（6）最低处圆弧半径、以及沿x轴和z轴方向对刀误差和之间的方程组；求解该方程组即可得到x轴和z轴方向对刀误差和；将此对刀误差补偿进机床坐标系统即可实现超精密飞切精对刀。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述要求解的方程组具体为：

技术总结
本发明涉及超精密加工技术领域，特别是涉及一种基于圆槽定位的超精密飞切精对刀方法。金刚石刀具安装在超精密机床C轴上，工件装夹在B轴上，在工件表面飞切加工两个特定的同心圆槽结构，再将加工好的工件表面放置于白光干涉仪下，精确测量出两个圆槽最低点对应的圆弧半径，根据实际测量半径、理想半径和对刀误差、之间的关系，建立等式，计算出X轴和Z轴方向对刀误差的大小，将此对刀误差补偿进机床系统，以此实现超精密飞切精对刀。本发明仅需两次装夹试切，无需同传统试切进行重复性工作，提高对刀效率。

技术研发人员：章少剑,查振华,熊智文
受保护的技术使用者：南昌大学
技术研发日：
技术公布日：2024/11/14