一种激光辅助超精密加工热误差预补偿方法

本发明属于激光辅助超精密加工，具体涉及一种加工路径热误差预补偿方法。

背景技术：

1、具有超光滑表面和高精度面形特征的核心器件在消费电子、国防工业、生物医疗中具有重要的作用，单点金刚石车削方法是实现该类器件高精度高效加工的重要手段。但针对应用日益广泛的硬脆材料器件，传统单点金刚石车削方法由于存在刀具磨损快、表面碎裂严重等加工问题，使得该方法无法满足硬脆材料加工需求。激光辅助超精密加工方法利用激光软化工件材料，增强其可加工性能，有效提高刀具使用寿命和硬脆材料加工质量，从而得到广泛应用和关注。但激光辅助超精密加工方法也存在固有缺陷，在加工系统中，由于刀具表面反射、工件反射、刀架遮挡等因素，会不可避免地存在激光照射到刀架上，从而引入额外热量破坏刀架结构平衡，导致刀架系统热飘移，从而影响器件地加工精度。目前工程上有部分途径可以消减上述问题带来的影响，一方面，可以通过在刀架热源周围加隔热垫片隔绝热源，另一方面增加刀架散热装置增加能量耗散，同时也可以通过刀架结构设计和刀架材料选型来减小热误差影响，但无论是哪种上述方法均需要对刀架进行结构性设计调整灵活性较差，实施难度和成本较高，最终的热误差影响也无法完全消除。综上所述，亟需研究一种抑制激光辅助超精密加工热误差的高精度、通用性加工方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决上述问题，提供一种面向激光辅助超精密加工场景的切削轨迹热误差预补偿和高精度加工方法。

2、为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种激光辅助加工路径热误差预补偿方法，其特征在于：该方法针对激光辅助加工系统建立力热耦合分析模型，准确计算激光辅助加工过程中刀架结构件的温度场变化和变形情况，通过模型标定准确修正力热耦合分析模型参数精度，基于模型计算得到系统刀尖点的热变形εt、刀具摆放位姿θ和未补偿刀具轨迹(xt',zt')，预补偿刀尖热变形量计算得到加工刀具轨迹(xt,zt)，从而在刀架存在热飘移误差的情况下实现高精度的激光辅助超精密加工。

3、进一步地，所述力热耦合分析模型根据实验所用激光辅助超精密加工系统建立，刀架热源能量密度及分布取决于实际激光加载形式，依据实验中反射至刀架的激光功率准确加载能量源到刀架模型的对应位置。

4、进一步地，所述力热耦合分析模型利用有限元法、有限差分法等数值求解方法求解计算。

5、进一步地，所述模型标定过程通过实际测量若干刀架结构特征点热飘移变化，并于模型输出数值比对进行，通过修正模型关键参数，使得实测值与仿真值尽可能逼近。

6、进一步地，所述未补偿刀具轨迹zt'通过工件几何形状和刀具刀鼻半径、前角等几何参数计算得到。

7、进一步地，所述刀具摆放位姿θ指刀具中轴线与机床z轴夹角θ。

8、进一步地，所述加工刀具轨迹由下式计算得到：

9、

10、其中当刀尖点热变形沿机床x轴和z轴正向时公示中取“+“号，当刀尖点热变形沿机床x轴和z轴负向时公示中取“-”号。

11、进一步地，所述刀具轨迹计算式中需保证热变形εt和未补偿刀具轨迹(xt',zt')的时序一致。

12、本发明的有益效果是：

13、1、本发明所提供的方法无需进行硬件改动，适用于绝大多数激光辅助超精密加工系统及其应用场景。

14、2、本发明方法具有模型参数标定环节，激光辅助超精密加工系统热误差补偿精度高。

15、3、本发明的方法可以有效提升激光辅助超精密加工工件的面形精度。

技术特征：

1.一种激光辅助加工路径热误差预补偿方法，其特征在于：该方法针对激光辅助加工系统建立力热耦合分析模型，准确计算激光辅助加工过程中刀架结构件的温度场变化和变形情况，通过模型标定准确修正力热耦合分析模型参数精度，基于模型计算得到系统刀尖点的热变形εt、刀具摆放位姿θ和未补偿刀具轨迹(xt',zt')，预补偿刀尖热变形量计算得到加工刀具轨迹(xt,zt)，从而在刀架存在热飘移误差的情况下实现高精度的激光辅助超精密加工。

2.根据权利要求1所述的一种激光辅助加工路径热误差预补偿方法，其特征在于：所述力热耦合分析模型根据实验所用激光辅助超精密加工系统建立，刀架热源能量密度及分布取决于实际激光加载形式，依据实验中反射至刀架的激光功率准确加载能量源到刀架模型的对应位置。

3.根据权利要求1所述的一种激光辅助加工路径热误差预补偿方法，其特征在于：所述力热耦合分析模型利用有限元法、有限差分法等数值求解方法求解计算。

4.根据权利要求1所述的一种激光辅助加工路径热误差预补偿方法，其特征在于：所述模型标定过程通过实际测量若干刀架结构特征点热飘移变化，并于模型输出数值比对进行，通过修正模型关键参数，使得实测值与仿真值尽可能逼近。

5.根据权利要求1所述的一种激光辅助加工路径热误差预补偿方法，其特征在于：所述未补偿刀具轨迹zt'通过工件几何形状和刀具刀鼻半径、前角等几何参数计算得到。

6.根据权利要求1所述的一种激光辅助加工路径热误差预补偿方法，其特征在于：所述刀具摆放位姿θ指刀具中轴线与机床z轴夹角θ。

7.根据权利要求1所述的一种激光辅助加工路径热误差预补偿方法，其特征在于：所述加工刀具轨迹由下式计算得到：

8.根据权利要求1所述的一种激光辅助加工路径热误差预补偿方法，其特征在于：所述刀具轨迹计算式中需保证热变形εt和未补偿刀具轨迹(xt',zt')的时序一致。

技术总结
本发明公开了一种激光辅助加工路径热误差预补偿方法，该方法针对激光辅助加工系统建立力热耦合分析模型，准确计算激光辅助加工过程中刀架结构件的温度场变化和变形情况，通过模型标定准确修正力热耦合分析模型参数精度，基于模型计算得到系统刀尖点的热变形ε<subgt;t</subgt;、刀具摆放位姿θ和未补偿刀具轨迹(x<subgt;t</subgt;',z<subgt;t</subgt;')，预补偿刀尖热变形量计算得到加工刀具轨迹(x<subgt;t</subgt;,z<subgt;t</subgt;)，从而在刀架存在热飘移误差的情况下实现高精度的激光辅助超精密加工。

技术研发人员：游开元,赖敏,王伟,彭倍
受保护的技术使用者：电子科技大学长三角研究院（衢州）
技术研发日：
技术公布日：2024/12/17