一种平面零件全局修形加工装置和方法制造方法及图纸

技术编号:18643957 阅读:2 留言:0更新日期:2018-08-11 08:38
本发明专利技术公开了一种平面零件全局修形加工装置和方法,所述的装置包括表面车平机构、表面沟槽车削机构和工具盘机构。所述的方法,包括以下步骤:获得完整工具盘下平面零件材料去除率;确定工具盘沟槽参数以及修形加工时间;加工环形沟槽;平面零件修形加工。由于本发明专利技术通过采用沟槽工具盘的设计,改变工件表面材料去除率,实现了确定性可控修形,便于实现自动化生产,提高加工效率;由于本发明专利技术通过表面车平机构进行工具盘平面加工,提高了工具盘精度,减小了由于工具盘面形精度恶化导致平面零件面形恶化,从而保证了工件加工精度;由于本发明专利技术通过采用工件表面实际材料去除率预测,实现了采用符合修形零件材料特性的工具盘,提高加工效率和精度。

【技术实现步骤摘要】
一种平面零件全局修形加工装置和方法
本专利技术涉及研磨抛光
,具体涉及一种平面零件全局修形加工装置和方法。
技术介绍
高精度平面光学元件是现代光学系统的重要组成部分,其表面加工精度对系统的光束质量具有重要影响。自20世纪90年代以来,先进军事、空间光学系统、激光核聚变以及大型天文望远镜等重要技术的高速发展使光学元件的需求不断增加,并且对该类元件的制造效率提出了更高的要求。因此,研究高精度、高效率的光学表面加工技术对于光学技术的发展具有重要的意义。传统平面光学元件的加工包括磨削、研磨、抛光和环抛等工艺流程,对于更高精度的平面元件,还需进行逐点可控修形加工,如磁流变加工或离子束加工等。由于每种工艺具有不同的效率和精度特性,可以将多种工艺进行组合来获得所需精度,同时尽量提高加工效率。然而,由于前端研磨、抛光和环抛工艺属于所谓的非确定性加工方法,高度依赖人工经验,加工过程可控性低,使得整个加工过程的效率下降,自动化程度低,难以实现大批量光学元件的稳定高效加工。理论上,使用一个高面形精度的硬工具盘可以加工出高面形精度的平面零件。然而,对于采用铸铁研磨盘、复合铁盘等工具的研磨工艺,一旦加工时间过长,工具盘的面形会被破坏,从而导致平面零件面形精度恶化。另外,即使加工出满足后续逐点修形加工要求的面形精度,由于硬工具盘研磨加工零件的表面损伤层厚,必须在逐点修形加工前增加抛光工序。而抛光过程采用软垫,在去除平面零件表面损伤层的同时也会导致面形恶化。这是一个非常难以准确控制的过程。沥青盘环抛工艺利用沥青材料的粘弹性特性,可实现工具盘的在线修平,获得很高的平面零件表面平面度。但其材料去除率极低,一般需要和研磨抛光工艺组合实现。如果能够采用软质的工具盘实现材料去除分布特性可控的抛光加工,则可以控制损伤层深度,又可以获得较高的面形精度,最终实现高精度平面元件的高效加工。传统的环形抛光技术,属于非确定性加工,无法控制平面零件表面材料去除率;对于工具盘磨损问题,无法车平修整,导致平面零件面形精度变差。
技术实现思路
为解决现有技术存在的上述问题,本专利技术要设计一种能提高修形精度和修形效率的平面零件全局修形加工装置和方法。为了实现上述目的,本专利技术的基本思路是:在传统研磨或是抛光机床上增加工具盘表面车平机构和表面沟槽车削机构,通过工具盘表面车平机构和表面沟槽车削机构加工出具有高平面度及沟槽结构的工具盘,而工具盘环形沟槽的数量、位置和尺寸根据待加工平面零件初始形貌设计,进而控制平面零件表面的材料去除率分布函数,由此工具盘对零件进行研磨抛光加工,实现平面零件的全局修形加工。本专利技术的技术方案如下:一种平面零件全局修形加工装置,包括表面车平机构、表面沟槽车削机构和工具盘机构,所述的工具盘机构位于表面车平机构和表面沟槽车削机构之间,所述的表面车平机构、表面沟槽车削机构和工具盘机构均固定在基座上;所述的表面车平机构采用电动推杆控制车刀在工具盘径向方向运动;在电动推杆的端部安装车平竖直手动进给机构和车平车刀;加工前通过车平竖直手动进给机构调节车平车刀在垂直方向的位置并固定,确定修整加工时的车削深度;在工具盘表面车平过程中,工具盘绕其轴线旋转,车平车刀在电动推杆的驱动下在工具盘径向方向做进给运动,以设定的车削深度车削工具盘表面材料,实现工具盘面形的修整。所述的表面沟槽车削机构通过垂直叠加的车槽水平进给机构和车槽竖直进给机构控制车槽车刀沿工具盘径向进给运动和垂直于工具盘表面Z方向的进给运动;车槽水平进给机构和车槽竖直进给机构由两轴数控系统控制,实现两轴联动,加工出不同截面形状的沟槽结构;在沟槽车削过程中,工具盘绕其轴线旋转,车槽车刀在车槽水平进给机构和车槽竖直进给机构的驱动下沿工具盘径向和垂直于工具盘表面方向做进给运动,实现沟槽的加工。一种平面零件全局修形加工方法,包括以下步骤:A、获得完整工具盘下平面零件材料去除率:使用完整工具盘加工平面零件,通过平面零件加工前后表面轮廓差值获得材料去除率分布函数;B、确定工具盘沟槽参数以及修形加工时间:根据平面零件在修形前的表面轮廓及其在完整工具盘上的去除率函数分布,采用沟槽设计方法确定工具盘沟槽参数以及修形加工时间;C、加工环形沟槽:采用表面沟槽车削机构加工出设计的环形沟槽结构;D、平面零件修形加工;采用与完整工具盘同样的工艺参数对平面零件进行修形加工,所述的工艺参数包括平面零件和工具盘各自的转速、抛光液成分、抛光液供应位置、抛光液流速和抛光载荷;E、测量平面零件表面:加工后测量平面零件面形参数,判断加工结果是否符合要求;如果不符合,转步骤A,直至获得符合要求的高精度平面光学零件的表面。进一步地,步骤B所述的沟槽设计方法包括以下步骤:B1、标定Preston系数K(r):获得平面零件在完整工具盘上加工产生的平面零件表面材料去除率分布函数,标定Preston系数K(r);B2、获得沟槽工具盘下平面零件表面材料去除率:基于研磨抛光过程中Preston系数不变的假设,根据平面零件在完整工具盘和沟槽工具盘上压力分布的差异,通过平面零件在完整工具盘上加工得到的平面零件表面材料去除率分布函数计算其在沟槽工具盘上加工得到的平面零件表面材料去除率分布函数;B3、优化加工时间及面形预测:根据加工前平面零件表面轮廓数据及计算得到的材料去除率,在最少去除余量的目标函数下,优化使用带沟槽工具盘进行修形加工所需的加工时间t,并预测加工后平面零件的表面轮廓;B4、选取最优结构:通过预测并比较具有不同沟槽形式的工具盘获得的平面零件面形精度,选取最优的沟槽结构参数。进一步地,步骤B1所述的标定Preston系数K(r)的方法如下:设:基于普林斯顿方程计算材料去除率模型如下:MRR(r)=K(r)·P(r)·V(r)通过在使用完整工具盘实际加工过程中平面零件表面材料去除分布函数,同时结合加工过程中使用的压力转速工艺参数,获得平面零件径向每一点的普林斯顿系数K(r),作为沟槽工具盘上平面零件径向上每点的普林斯顿系数K(r)。标定试验中各点的抛光压力P(r)采用平均压力P。加工过程中,工具盘和平面零件的转速保持一致,在这样的条件下计算得到的每个位置平面零件和工具盘的相对运动速度V(r)均相同,其值为V。步骤B2所述的获得沟槽工具盘下平面零件表面材料去除率的方法如下:先计算采用沟槽工具盘时的有效接触长度和接触压力;将整个工具盘表面分成若干个环形区域,其中每个环形区域都设置为沟槽。当工具盘表面任意一个环形区域被设置为沟槽后,平面零件上点与工具盘之间的接触状态发生改变,平面零件表面材料的去除率分布函数也随之发生变化。工具盘径向的第i个沟槽的内外边界的半径分别为R0i和R1i,i=1、2、……、M,M表示工具盘上环形区域被设置为沟槽的数量。在计算平面零件表面半径为r处的圆周和沟槽抛光垫的有效接触长度时,首先将该圆周等间距地划分N个点,其中第j点在以平面零件中心为原点的极坐标系下的角度坐标θ为2(j-1)π/N,该点距离工具盘中心的距离l按照公式(1)计算:l2=e2+r2-2·e·r·cos(π-θ)(1)其中e表示平面零件中心至工具盘中心的距离。若R0i<l<R1i,第j点在沟槽上方,无有效材料去除。计算得到的所有在沟槽本文档来自技高网
...

【技术保护点】
1.一种平面零件全局修形加工装置,其特征在于:包括表面车平机构(1)、表面沟槽车削机构(2)和工具盘机构(3),所述的工具盘机构(3)位于表面车平机构(1)和表面沟槽车削机构(2)之间,所述的表面车平机构(1)、表面沟槽车削机构(2)和工具盘机构(3)均固定在基座(4)上;所述的表面车平机构(1)采用电动推杆(11)控制车刀在工具盘(32)径向方向运动;在电动推杆(11)的端部安装车平竖直手动进给机构(12)和车平车刀(13);加工前通过车平竖直手动进给机构(12)调节车平车刀(13)在垂直方向的位置并固定,确定修整加工时的车削深度;在工具盘(32)表面车平过程中,工具盘(32)绕其轴线旋转,车平车刀(13)在电动推杆(11)的驱动下在工具盘(32)径向方向做进给运动,以设定的车削深度车削工具盘(32)表面材料,实现工具盘(32)面形的修整;所述的表面沟槽车削机构(2)通过垂直叠加的车槽水平进给机构(21)和车槽竖直进给机构(22)控制车槽车刀(23)沿工具盘(32)径向进给运动和垂直于工具盘(32)表面Z方向的进给运动;车槽水平进给机构(21)和车槽竖直进给机构(22)由两轴数控系统控制,实现两轴联动,加工出不同截面形状的沟槽结构;在沟槽车削过程中,工具盘(32)绕其轴线旋转,车槽车刀(23)在车槽水平进给机构(21)和车槽竖直进给机构(22)的驱动下沿工具盘(32)径向和垂直于工具盘(32)表面方向做进给运动,实现沟槽的加工。...

【技术特征摘要】
1.一种平面零件全局修形加工装置,其特征在于:包括表面车平机构(1)、表面沟槽车削机构(2)和工具盘机构(3),所述的工具盘机构(3)位于表面车平机构(1)和表面沟槽车削机构(2)之间,所述的表面车平机构(1)、表面沟槽车削机构(2)和工具盘机构(3)均固定在基座(4)上;所述的表面车平机构(1)采用电动推杆(11)控制车刀在工具盘(32)径向方向运动;在电动推杆(11)的端部安装车平竖直手动进给机构(12)和车平车刀(13);加工前通过车平竖直手动进给机构(12)调节车平车刀(13)在垂直方向的位置并固定,确定修整加工时的车削深度;在工具盘(32)表面车平过程中,工具盘(32)绕其轴线旋转,车平车刀(13)在电动推杆(11)的驱动下在工具盘(32)径向方向做进给运动,以设定的车削深度车削工具盘(32)表面材料,实现工具盘(32)面形的修整;所述的表面沟槽车削机构(2)通过垂直叠加的车槽水平进给机构(21)和车槽竖直进给机构(22)控制车槽车刀(23)沿工具盘(32)径向进给运动和垂直于工具盘(32)表面Z方向的进给运动;车槽水平进给机构(21)和车槽竖直进给机构(22)由两轴数控系统控制,实现两轴联动,加工出不同截面形状的沟槽结构;在沟槽车削过程中,工具盘(32)绕其轴线旋转,车槽车刀(23)在车槽水平进给机构(21)和车槽竖直进给机构(22)的驱动下沿工具盘(32)径向和垂直于工具盘(32)表面方向做进给运动,实现沟槽的加工。2.一种平面零件全局修形加工方法,其特征在于:包括以下步骤:A、获得完整工具盘下平面零件(34)材料去除率:使用完整工具盘加工平面零件(34),通过平面零件(34)加工前后表面轮廓差值获得材料去除率分布函数;B、确定工具盘(32)沟槽参数以及修形加工时间:根据平面零件(34)在修形前的表面轮廓及其在完整工具盘上的去除率函数分布,采用沟槽设计方法确定工具盘(32)沟槽参数以及修形加工时间;C、加工环形沟槽:采用表面沟槽车削机构(2)加工出设计的环形沟槽结构;D、平面零件(34)修形加工;采用与完整工具盘同样的工艺参数对平面零件(34)进行修形加工,所述的工艺参数包括平面零件(34)和工具盘(32)各自的转速、抛光液成分、抛光液供应位置、抛光液流速和抛光载荷;E、测量平面零件(34)表面:加工后测量平面零件(34)面形参数,判断加工结果是否符合要求;如果不符合,转步骤A,直至获得符合要求的高精度平面光学零件的表面。3.根据权利要求1所述的一种平面零件全局修形加工方法,其特征在于:步骤B所述的沟槽设计方法包括以下步骤:B1、标定Preston系数K(r):获得平面零件(34)在完整工具盘上加工产生的平面零件(34)表面材料去除率分布函数,标定Preston系数K(r);B2、获得沟槽工具盘下平面零件(34)表面材料去除率:基于研磨抛光过程中Preston系数不变的假设,根据平面零件(34)在完整工具盘和沟槽工具盘上压力分布的差异,通过平面零件(34)在完整工具盘上加工得到的平面零件(34)表面材料去除率分布函数计算其在沟槽工具盘上加工得到的平面零件(34)表面材料去除率分布函数;B3、优化加工时间及面形预测:根据加工前平面零件(34)表面轮廓数据及计算得到的材料去除率,在最少去除余量的目标函数下,优化使用带沟槽工具盘进行修形加工所需的加工时间t,并预测加工后平面零件(34)的表面轮廓;B4、选取最优结构:通过预测并比较具有不同沟槽形式的工具盘(32)获得的平面零件(34)面形精度,选取最优的沟槽结构参数。4.根据权利要求2所述的一种平面零件全局修形加工方法,其特征在于:步骤B1所述的标定Preston系数K(r)的方法如下:设:基于普林斯顿方程计算材料去除率模型如下:MRR(r)=K(r)·P(r)·V(r)通过在使用完整工具盘实际加工过程中平面零件(34)表面材料去除分布函数,同时结合加工过程中使用的压力转速工艺参数,获得...

【专利技术属性】
技术研发人员:周平刘才勇李伟思赵炳尧闫英郭东明
申请(专利权)人:大连理工大学
类型:发明
国别省市:辽宁,21

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1