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      脆性材料復(fù)雜曲面超精密車削成型方法與流程

      文檔序號:11221262閱讀:2011來源:國知局
      脆性材料復(fù)雜曲面超精密車削成型方法與流程

      本發(fā)明涉及一種車削加工方法。



      背景技術(shù):

      光學(xué)復(fù)雜曲面是表面自由變化的非回轉(zhuǎn)對稱光學(xué)曲面。光學(xué)復(fù)雜曲面的應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛,涵蓋新能源、航空航天、照明成像、生物工程等多個跨學(xué)科領(lǐng)域。對比傳統(tǒng)光學(xué)表面,光學(xué)復(fù)雜曲面具有更優(yōu)越的性能,其曲面自由度大可以對光線傳播進(jìn)行有效控制,可有利于擴(kuò)大視場角和減小相差和畸變,同時對于多光學(xué)器件系統(tǒng),加入復(fù)雜曲面能減少系統(tǒng)體積和重量,同時提高系統(tǒng)的成像質(zhì)量。

      脆性材料(如半導(dǎo)體材料、光學(xué)晶體材料等),具有優(yōu)越的紫外或紅外透過率、高損傷閾值、高折射率等特性,其復(fù)雜曲面應(yīng)用需求在逐漸增加,然而受到材料特性的限制,實現(xiàn)脆性材料加工仍然存在眾多困難。由于光學(xué)晶體具有脆性大,因此斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較為接近,目前,一般超精密磨削是加工脆性材料復(fù)雜曲面的重要方法。然而,磨削加工方法是借助微小磨料顆粒反復(fù)磨削光學(xué)器件成型,其加工效率較低,并且對于軟脆材料,磨料易嵌入其內(nèi)部形成雜質(zhì)和缺陷,進(jìn)而造成光學(xué)功能的失效。而超精密切削加工方法是通過金剛石單點加工,特別適合對復(fù)雜曲面光學(xué)器件進(jìn)行穩(wěn)定而可控的加工。而脆性材料在切削過程中,材料易收到應(yīng)力而產(chǎn)生脆性斷裂等表面損傷。為保證切削過程中材料在無脆裂條件下進(jìn)行,需要控制單次去除量在材料的脆塑轉(zhuǎn)變深度范圍之內(nèi)。對于脆性材料復(fù)雜曲面來說,需在高速車削過程中控制單次切削去除量。因此,研究脆性材料超精密復(fù)雜曲面高速車削成型方法,對于推進(jìn)脆性材料光學(xué)復(fù)雜曲面的深入應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義。



      技術(shù)實現(xiàn)要素:

      本發(fā)明提供一種可避免過度自由的面形設(shè)計同時最大限度保證光學(xué)性能的脆性材料復(fù)雜曲面超精密車削成型方法。技術(shù)方案如下:

      一種脆性材料復(fù)雜曲面超精密車削成型方法,包括下列步驟:

      1)依據(jù)光學(xué)性能最優(yōu)原則優(yōu)化設(shè)計脆性材料近回轉(zhuǎn)復(fù)雜曲面,設(shè)計中對非對稱項的系數(shù)進(jìn)行數(shù)值限定約束,從而限制曲面變化的自由度;

      2)對設(shè)計曲面按照回轉(zhuǎn)部分和非回轉(zhuǎn)部分進(jìn)行面形分解,計算分解獲得的非回轉(zhuǎn)面的非回轉(zhuǎn)度,確定該指標(biāo)在快刀伺服加工能力范圍內(nèi);

      3)搭建快刀伺服車削加工系統(tǒng),將加工刀具安裝在快速伺服機(jī)構(gòu)上形成快刀伺服機(jī)構(gòu);

      4)根據(jù)快刀伺服車削加工過程特性和材料的切削性能,設(shè)計合適切削參數(shù)和刀具幾何參數(shù),以保證加工表面質(zhì)量;

      5)基于加工參數(shù)和刀具幾何參數(shù)進(jìn)行回轉(zhuǎn)部分和非回轉(zhuǎn)部分加工路徑生成,并在加工前進(jìn)行路徑補償,補償后刀具輪廓歷經(jīng)該路徑后形成加工表面;

      6)將被加工工件裝配于機(jī)床主軸,進(jìn)行快刀伺服車削加工,加工時,主軸旋轉(zhuǎn)帶動工件旋轉(zhuǎn),機(jī)床的導(dǎo)軌提供橫向和切深方向進(jìn)給并結(jié)合快刀伺服機(jī)構(gòu)產(chǎn)生小尺寸的高頻往復(fù)運動,形成復(fù)雜曲面面形。

      所述脆性材料可以為單晶鍺,步驟2)所確定的非回轉(zhuǎn)度的范圍為[-27.841,27.839]μm,處于快刀伺服加工能力范圍內(nèi)。所設(shè)計的切削參數(shù)和刀具幾何參數(shù)如下:主軸轉(zhuǎn)速為2500rpm,刀鼻半徑為0.5mm,在刀具橫向方向進(jìn)給速率為1mm/min,背吃刀量為1μm時,單次去除量控制在30nm以下,以達(dá)到單晶鍺的脆塑轉(zhuǎn)變范圍內(nèi)進(jìn)行去除。

      本發(fā)明采用快刀伺服車削加工方式實現(xiàn)脆性材料復(fù)雜曲面的加工,避免了切削脆性材料過程中易脆裂的問題,實現(xiàn)高效率,高表面質(zhì)量加工。與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點:

      (1)通過刀具的快速伺服往復(fù)運動與超精密車削方式耦合,實現(xiàn)對材料快速穩(wěn)定的切削,兼顧了切削脆性材料和復(fù)雜曲面加工的矛盾,同時降低了兩者的困難,很好地保證了脆性材料復(fù)雜曲面的表面質(zhì)量和光學(xué)性能。

      (2)采用了近回轉(zhuǎn)面的設(shè)計思路,可以采用平滑復(fù)雜曲面或者是含有微結(jié)構(gòu)的曲面。該方法除了適于切削脆性材料之外,也同樣能高速加工其他材料。回轉(zhuǎn)切削的方式并不僅可以加工圓形口徑的復(fù)雜曲面,同樣適用于加工其他形狀口徑的復(fù)雜曲面。

      附圖說明

      圖1快速刀具伺服運動輔助車削示意圖

      圖2近回轉(zhuǎn)復(fù)雜曲面構(gòu)成及非回轉(zhuǎn)度示意圖

      圖3實際切削厚度示意圖

      圖4刀具幾何形狀補償關(guān)系圖

      具體實施方式

      針對脆性材料復(fù)雜曲面加工成型問題,本發(fā)明提出快刀伺服車削方法,在傳統(tǒng)車削基礎(chǔ)上添加快速伺服運動,為刀具運動增加一維快速運動,即刀具可沿著矢高方向(z向)進(jìn)行小行程的高頻往復(fù)運動,這種方式也稱為快刀伺服。在車削過程中加入快刀伺服輔助加工,可以在回轉(zhuǎn)曲面加工基礎(chǔ)上添加相應(yīng)非回轉(zhuǎn)量,從而生成具有非回轉(zhuǎn)對稱性的復(fù)雜曲面。當(dāng)快刀伺服系統(tǒng)具有較高頻響的情況下,可以適應(yīng)高速主軸轉(zhuǎn)速,從而保證復(fù)雜曲面的快速切削成型。

      具體實施方式如下:

      1.依據(jù)光學(xué)性能最優(yōu)原則優(yōu)化設(shè)計脆性材料近回轉(zhuǎn)復(fù)雜曲面,設(shè)計中對非對稱項的系數(shù)進(jìn)行數(shù)值限定約束,從而限制曲面變化的自由度;

      2.對設(shè)計曲面按照回轉(zhuǎn)部分和非回轉(zhuǎn)部分進(jìn)行面形分解,計算分解獲得的非回轉(zhuǎn)面的非回轉(zhuǎn)度,確定該指標(biāo)在快刀伺服加工能力范圍內(nèi);

      3.搭建快刀伺服車削加工系統(tǒng),包括車削主軸,橫向進(jìn)給導(dǎo)軌,切削深度進(jìn)給導(dǎo)軌,將加工刀具安裝在快速伺服機(jī)構(gòu)上形成快刀伺服機(jī)構(gòu);

      4.根據(jù)快刀伺服車削加工過程特性和材料的切削性能,設(shè)計合適切削參數(shù)和刀具幾何參數(shù),以保證加工表面質(zhì)量;

      5.基于加工參數(shù)和刀具幾何參數(shù)進(jìn)行回轉(zhuǎn)部分和非回轉(zhuǎn)部分加工路徑生成,并在加工前進(jìn)行路徑補償,補償后刀具輪廓歷經(jīng)該路徑后形成加工表面;

      6.將被加工工件裝配于機(jī)床主軸,進(jìn)行快刀伺服車削加工。加工時,主軸旋轉(zhuǎn)帶動工件旋轉(zhuǎn),機(jī)床的導(dǎo)軌提供橫向和切深方向進(jìn)給并結(jié)合快刀伺服機(jī)構(gòu)產(chǎn)生小尺寸的高頻往復(fù)運動,形成復(fù)雜曲面面形。

      具體加工方式如圖1所示:脆性材料工件安裝于超精密車床的主軸(c軸)上,主軸旋轉(zhuǎn)軸和復(fù)雜曲面面形中心同軸。加工過程中主軸旋轉(zhuǎn)一周,金剛石刀具在快速運動控制系統(tǒng)伺服控制下,在不同旋轉(zhuǎn)角度時根據(jù)表面半徑變化進(jìn)行z'方向的運動控制。因此,在整個復(fù)雜曲面上進(jìn)行連續(xù)切削,其切削厚度由刀具幾何形狀以及沿車削半徑方向上的刀具輪廓間距所確定。每加工一周刀具在x軸控制下進(jìn)行進(jìn)給,實現(xiàn)整個復(fù)雜曲面的螺旋線加工,直至表面加工完整。這種加工方式利用了回轉(zhuǎn)切削的優(yōu)點,將復(fù)雜曲面分解成一個回轉(zhuǎn)對稱表面和一個非回轉(zhuǎn)面,如圖2所示。采用機(jī)床的x軸和z軸遍歷回轉(zhuǎn)對稱表面,而快刀伺服機(jī)構(gòu)提供的往復(fù)運動通過耦合機(jī)床本身的主軸旋轉(zhuǎn)和導(dǎo)軌直線運動遍歷非回轉(zhuǎn)面,因此,可以實現(xiàn)對復(fù)雜曲面連續(xù)地快速切削,加工效率高并且加工質(zhì)量好。

      在設(shè)計中考慮到快速伺服刀具行程和頻響,進(jìn)行了近回轉(zhuǎn)面復(fù)雜曲面設(shè)計,該曲面曲面采用xy多項式表達(dá),方程式如下所示,

      其中c,k分別為非球面的曲率和圓錐系數(shù),amn為多項式系數(shù)。按照上述分析,該表達(dá)式應(yīng)該為在回轉(zhuǎn)對稱的曲面(此處為一非球面)上添加很小的變化量形成的,即

      z(x,y)=zrot(r)+δ(r,θ)(2)

      其中,δ(r,θ)是在回轉(zhuǎn)對稱曲面上添加的很小的變化量,(2)式中的回轉(zhuǎn)部分來源于(1)式中的二次曲線表達(dá)式以及多項式中的回轉(zhuǎn)對稱部分,而變化量δ(r,θ)在弧矢方向提供矢高的微小變化,從而最終成為非回轉(zhuǎn)成分,最終獲得近回轉(zhuǎn)曲面。

      在具體實施例中,以典型脆性材料單晶鍺的連續(xù)復(fù)雜曲面的加工為例。進(jìn)行近回轉(zhuǎn)面復(fù)雜曲面設(shè)計后的xy多項式曲面表達(dá)式(1)中的參數(shù)如表1所示。其回轉(zhuǎn)曲面由偶次非球面表達(dá),即

      具體參數(shù)如表2所示。對應(yīng)的非回轉(zhuǎn)面的表達(dá)為單純的xy多項式,即

      具體參數(shù)如表3所示。非回轉(zhuǎn)度的范圍為[-27.841,27.839]μm由于采用了近回轉(zhuǎn)面,快刀伺服車削加工中可保證車削主軸的較高轉(zhuǎn)速,有利于實現(xiàn)脆性材料高效低損傷加工。

      以上加工過程中需關(guān)注加工參數(shù)選擇問題,即選擇合適的主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速率以及刀具幾何形狀,因為對于所加工的脆性材料而言,其車削參數(shù)下對應(yīng)的實際切削厚度應(yīng)處于該材料的脆塑轉(zhuǎn)變厚度以下,切削厚度的大小如圖3所示。具體實施例中主軸轉(zhuǎn)速在2500rpm,刀鼻半徑為0.5mm,在刀具x方向進(jìn)給速率為1mm/min,背吃刀量為1μm時,單次去除量控制在30nm以下,可達(dá)到單晶鍺的脆塑轉(zhuǎn)變范圍內(nèi)進(jìn)行去除,保證了該脆性材料無碎裂加工。

      為保證刀具運動的各位置最低點與理想表面相切,需在生成刀具加工的運動路徑時,需要對刀具的幾何形狀進(jìn)行補償,刀具位置的補償如圖4所示。對于圓弧刃刀具,當(dāng)?shù)毒呶挥诠ぜ亟o定方向的徑向輪廓線f(r)上時,在加工路徑補償前,刀具中心p0位于輪廓線上,此時需要將刀具沿z軸移動特定距離,該距離應(yīng)等于輪廓線與刀具輪廓矢高差的最大值,即

      δz=max{li}(5)

      補償后,刀具中心位于pt,刀具輪廓與表面沿半徑方向的輪廓線相切,切點為pc,改點也是實際切削點。此時,通過對刀具幾何形狀的補償,有效避免實際加工中的過切現(xiàn)象。實際在選取合適的加工參數(shù)和路徑補償后,理想的加工表面應(yīng)為刀具輪廓線沿加工路徑運動后所形成的表面。

      表1實施例中近回轉(zhuǎn)復(fù)雜曲面參數(shù)

      表2實施例中近回轉(zhuǎn)復(fù)雜曲面回轉(zhuǎn)面部分參數(shù)

      表3實施例中近回轉(zhuǎn)復(fù)雜曲面非回轉(zhuǎn)面部分參數(shù)

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