一种脆性材料复杂光学表面金刚石调谐切削方法与装备技术

本发明专利技术公开了一种脆性材料复杂光学表面金刚石调谐切削方法与装备，所述装备包括用于安装工件的三轴数控机床的主轴、机床X轴导轨、安装于机床X轴导轨上的两轴刀具伺服装备、安装于两轴刀具伺服装备上的刀具，所述两轴刀具伺服装备包括压电叠堆驱动器、柔性导向机构、电容位移传感器、基体及控制系统。所述方法通过在任一切削位置自适应调节刀具侧向进给量，在塑性域切削约束下最大化实现任意时刻的材料去除率，从而实现切削效率的提高。

A Diamond Tuning Cutting Method and Equipment for Complex Optical Surface of Brittle Materials

【技术实现步骤摘要】
一种脆性材料复杂光学表面金刚石调谐切削方法与装备
本专利技术属于先进光学制造
，涉及一种脆性材料复杂光学表面金刚石调谐切削方法与装备。
技术介绍
复杂光学表面主要包括光学自由曲面及微结构功能表面等，可获得球面、非球面等传统光学元件无可比拟的优异光学性能，同时兼具体积小、重量轻、便于规模化集成等优点，近年来在国内外学界及业界倍受关注。脆性光学材料较低的断裂韧性给脆性材料复杂光学表面的制造带来了极大的挑战。相对于光刻技术、高能粒子束成型等特种加工方法以及超精密磨削、超精密抛光等机械加工方法，基于刀具伺服技术的单点金刚石切削方法具有加工效率高、材料适用范围宽、复杂结构创成柔性高等优点，被认为是复杂光学表面极具发展前景的制造方式。为避免切削表面产生裂纹缺陷，刀具伺服切削过程需采用极低的没转进给量以保证实际最大切深小于材料的极限切深，实现脆性材料的塑性域去除。对于复杂曲面而言，任一切削位置的最大切深依赖于刀具几何形状、待加工面型及初始面型特征，从而具有位置依赖性。然而，在现行的刀具伺服切削加工中，不得不采用切削整个表面的最大切深所对应的最小进给量进行切削，以保证加工表面任意位置均不产生裂纹。显然，这严重限制了复杂光学表面，尤其是表面矢高较大曲面的切削创成效率。为提高加工效率，国内外学者提出了不同的策略以提高脆性材料的极限切深，如：激光加热辅助、离子注入材料预处理及振动辅助切削等，从而提高所能采用进给量。然而，无论采用何种方式，仍不可避免的采用最小进给量以保证整个表面的无裂纹创成。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种脆性材料复杂光学表面金刚石调谐切削方法与装备，实现脆性材料复杂光学表面金刚石切削创成效率的提高。本专利技术的上述目的通过如下技术方案实现：一种脆性材料复杂光学表面金刚石调谐切削装备，包括用于安装工件的三轴数控机床的主轴、机床X轴导轨、安装于机床X轴导轨上的两轴刀具伺服装备、安装于两轴刀具伺服装备上的刀具，所述两轴刀具伺服装备包括压电叠堆驱动器、柔性导向机构、电容位移传感器、基体及控制系统，所述的柔性导向机构包括刀架平台及与刀架平台相连的两组两两平行设置的柔性铰链单元，所述电容位移传感器固连于所述基体，刀具安装于刀架平台上，所述压电叠堆驱动器包括两组，每组包括一个压电叠堆与一个对应的功率放大器，每组压电叠堆驱动器对应一组柔性铰链单元，所述控制系统包括模数转换模块、数模转换模块以及数字信号处理单元。进一步地，所述刀具是金刚石刀具。一种脆性材料复杂光学表面金刚石调谐切削方法，包括如下步骤：步骤一：构建机床在笛卡尔坐标系下的金刚石刀具的刀位点的坐标：设o-ρθz为机床的柱坐标系，z轴与主轴旋转中心重合，设x＝ρcosθ，y＝ρsinθ，将该柱坐标系转换至笛卡尔坐标系，对刀位点做等角度离散，假设第k转的第l个刀位点为Pk,l，与其径向相邻的刀位点为Pk-1,l，假设Pk,l的极轴与极角坐标分别为ρk,l与θk,l，则该点在笛卡尔坐标系下的坐标表示为Pk,l＝(ρk,lcosθk,l,ρk,lsinθk,l,zk,l)；步骤二：构建面型精度与临界脆塑转变约束下的刀位点确定算法：假设ot-xtzt为固连于刀具的局部笛卡尔坐标系，ot与切削刃圆弧中心重合，沿xt轴方向将刀具等距离散为2Nt等份，则刀具切削刃轮廓在其局部坐标系内表示为式中，为i位置时的z轴坐标，rε为金刚石刀具的几何半径，设待加工表面面型在机床柱坐标系内描述为zs＝S(ρ,θ)，其中：S为曲面方程，ρ为该方程的极轴坐标，θ为该方程的极角坐标，则由面型精度约束构建机床进给率fk,l与zk,l间的第一个平衡方程表示为：式中，ρk-1,l与θk-1,l分别为刀位点Pk-1,l的极轴与极角坐标，z0＝rε，设切削刃上对应最大切削深度hmax的点为Ck,l，该点向平行于z轴并通过刀位点Pk,l的直线的投影为Tk,l，在△Pk,lCk,lTk,l内，可获得如下几何关系：dtp＝rε+zk,l-(h0-hmax)(3)结合公式(3)，(4)共同确定第二个平衡方程，表示为：式中，dtc与dtp分别为点Tk,l到点Ck,l与Pk,l的距离，设ho为名义切深，所述名义切深ho不大于最大切削深度hmax，zk-1,l为刀位点Pk-1,l的z轴坐标；步骤三：求取第一转各刀位点的z向伺服运动：通过求解式(1)-(5)，能够获得刀位点Pk,l位置对Pk-1,l的迭代关系，在此，第一转第一个点P1,1设置为与主轴旋转中心重合，其z向伺服运动求解为：式中，z1,1为第一转第一个点P1,1的z向伺服运动，由第一转第一个点位置借助于式(1)-(5)能够迭代获得对应第二转第一个刀位点P2,1的进给量f2,1与z向伺服运动z2,1，将第一转设置为匀速侧向x轴进给，进给量为f2,1，第一转各刀位点的极轴坐标为ρ1,l＝lN-1f2,1，各点的z向伺服运动为：式中，z1,l为第一转各刀位点的z向伺服运动，θ1,l为第一转各刀位点的极角坐标；步骤四：确定机床导轨沿x轴的运动速度以及两轴刀具伺服沿x与z轴的双轴快速伺服运动：切削运动分解为机床导轨沿x轴的匀速运动及两轴刀具伺服沿x与z轴的双轴快速伺服运动，设切削过程中，机床主轴以恒转速n转每分(rpm)旋转，起始时刻为0，主轴共旋转k转，每转等角度离散为N个刀位点，对应于刀位点Pk,l的时刻为：在此条件下，机床导轨沿x轴的运动速度vx为：两轴刀具伺服沿x与z轴的双轴快速伺服运动为：式中，xf(kN+l)为两轴刀具伺服沿x轴的快速伺服运动，zf(kN+l)为两轴刀具伺服沿z轴的快速伺服运动。与传统切削效率提高所采用策略不同的是，该方法通过在任一切削位置自适应调节刀具侧向进给量，在塑性域切削约束下最大化实现任意时刻的材料去除率，从而实现切削效率的提高。本专利技术的有益效果是：1)以X向自适应伺服运动保证任意位置的材料塑性域最大去除，以Z向伺服运动保证复杂表面的无误差切削创成，实现脆性材料复杂光学表面切削效率的提高；2)本专利技术可与其它材料切削性改善方法结合使用，实现切削效率的进一步提高。除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本专利技术还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本专利技术作进一步详细的说明。附图说明图1是脆性材料复杂光学表面金刚石调谐切削装备结构示意图。图2是两轴刀具伺服装备结构示意图。图3是柔性铰链单元示意图。图4是刀位轨迹在XY平面投影示意图。图5是刀位轨迹在XZ平面投影示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。结合图1-3，一种脆性材料复杂光学表面金刚石调谐切削装备，实现脆性材料复杂光学表面金刚石切削创成效率的提高，工件3安装于三轴数控机床主轴2并随之做旋转运动，两轴刀具伺服装备5安装于机床X轴导轨6并随之做匀速直线运动；在塑性域切削与面型精度双重约束下，两轴刀具伺服5自适应调节任一切削位置刀具4的X轴侧向进给与Z轴伺服切削运动，实现任意切削位置的材料最大化去除；自适应侧向进给运动与复杂表面创成运动分别由两轴刀具伺服的X轴与Z轴快速伺服运动实现，机床与两轴刀具伺服运动相互配合实现调谐金刚石切削。结合图2-3，所述的两轴刀具伺服装备5主要由压电叠堆驱动器、柔性导向机构、电容位移传感器7、基体11及控制系统组成。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种脆性材料复杂光学表面金刚石调谐切削装备，其特征在于包括用于安装工件(3)的三轴数控机床(1)的主轴(2)、机床X轴导轨(6)、安装于机床X轴导轨(6)上的两轴刀具伺服装备(5)、安装于两轴刀具伺服装备(5)上的刀具(4)，所述两轴刀具伺服装备(5)包括压电叠堆驱动器、柔性导向机构、电容位移传感器(7)、基体(11)及控制系统，所述的柔性导向机构包括刀架平台(10)及与刀架平台(10)相连的两组两两平行设置的柔性铰链单元(9)，所述电容位移传感器(7)固连于所述基体(11)，刀具(4)安装于刀架平台(10)上，所述压电叠堆驱动器包括两组，每组包括一个压电叠堆(8)与一个对应的功率放大器，每组压电叠堆驱动器对应一组柔性铰链单元(9)，所述控制系统包括模数转换模块、数模转换模块以及数字信号处理单元。

【技术特征摘要】
1.一种脆性材料复杂光学表面金刚石调谐切削装备，其特征在于包括用于安装工件(3)的三轴数控机床(1)的主轴(2)、机床X轴导轨(6)、安装于机床X轴导轨(6)上的两轴刀具伺服装备(5)、安装于两轴刀具伺服装备(5)上的刀具(4)，所述两轴刀具伺服装备(5)包括压电叠堆驱动器、柔性导向机构、电容位移传感器(7)、基体(11)及控制系统，所述的柔性导向机构包括刀架平台(10)及与刀架平台(10)相连的两组两两平行设置的柔性铰链单元(9)，所述电容位移传感器(7)固连于所述基体(11)，刀具(4)安装于刀架平台(10)上，所述压电叠堆驱动器包括两组，每组包括一个压电叠堆(8)与一个对应的功率放大器，每组压电叠堆驱动器对应一组柔性铰链单元(9)，所述控制系统包括模数转换模块、数模转换模块以及数字信号处理单元。2.根据权利要求1所述的装备，其特征在于，所述刀具(4)是金刚石刀具。3.一种脆性材料复杂光学表面金刚石调谐切削方法，包括如下步骤：步骤一：构建机床在笛卡尔坐标系下的金刚石刀具的刀位点的坐标：设o-ρθz为机床的柱坐标系，z轴与主轴旋转中心重合，设x＝ρcosθ，y＝ρsinθ，将该柱坐标系转换至笛卡尔坐标系，对刀位点做等角度离散，假设第k转的第l个刀位点为Pk，l，与其径向相邻的刀位点为Pk-1，l，假设Pk，l的极轴与极角坐标分别为ρk，l与θk，l，则该点在笛卡尔坐标系下的坐标表示为Pk，l＝(ρk，lcosθk，l，ρk，lsinθk，l，zk，l)；步骤二：构建面型精度与临界脆塑转变约束下的刀位点确定算法：假设ot-xtzt为固连于刀具的局部笛卡尔坐标系，ot与切削刃圆弧中心重合，沿xt轴方向将刀具等距离散为2Nt等份，则刀具切削刃轮廓在其局部坐标系内表示为式中，为i位置时的z轴坐标，rε为金刚石刀具的几何半径，设待加工表面面型在机床柱坐标系内描述为zs＝S(ρ，θ)，其中：S为曲面方程，ρ为该方程的极轴坐标，θ为该方程的极角坐标，则由面...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱志伟，纪宇阳，陈栎，卞雷祥，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32