脆性材料光学复杂曲面超精密快速切削组合加工成型方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN107309657A(43)申请公布日2017.11.03(21)申请号201710359219.4(22)申请日2017.05.19(71)申请人天津大学地址300072天津市南开区卫津路92号(72)发明人房丰洲张效栋李泽骁(74)专利代理机构天津市北洋有限责任专利代理事务所12201代理人程毓英(51)Int.Cl.B23P23/04(2006.01)权利要求书1页说明书4页附图3页(54)发明名称脆性材料光学复杂曲面超精密快速切削组合加工成型方法(57)摘要本发明涉及一种脆性材料光学复杂曲面超精密快速切削组合加工成型方法，满足不同复杂曲面特征的加工需求：根据复杂曲面特性，计算面形的非回转度和曲率，选择采用合适的超精密快速切削加工方法,所选择的加工方法；考虑快速切削下加工系统的动态特性，设计合理的刀架系统；根据快刀加工过程特性和材料的切削性能，设计合适切削参数和刀具几何参数；基于加工参数和刀具几何参数生成和补偿加工路径，刀具轮廓历经该路径后形成加工表面；将工件装配于加工平台，进行快速切削加工，加工时，机床的导轨提供横向和纵向进给与结合伺服机构产生小尺寸的高频往复运动相结合并同步控制，产生可控的切削深度，形成复杂曲面面形。CN107309657ACN107309657A权利要求书1/1页1.一种脆性材料光学复杂曲面超精密快速切削组合加工成型方法，满足不同复杂曲面特征的加工需求，方法如下：a.根据复杂曲面特性，计算面形的非回转度和曲率，选择采用合适的超精密快速切削加工方法,所选择的加工方法为下列之一：(1)超精密铣削和飞刀结合的快速加工方式，将含金刚石车刀垂直安装于超精密铣削轴上，铣削轴高速运动带动车刀实现飞刀加工，配合直线运动轴联动实现连续变化曲面快速切削加工；(2)快速伺服和飞刀加工结合的快速加工方式，将快速伺服机构集成于飞刀刀架或者在固定工件底座配置实现高频进给运动，为飞刀加工方式提供更多运动自由度；(3)车削和快速伺服运动结合的快速加工方式，对车削刀具安装快速伺服运动，在保证刀具快速伺服频响范围内实现高主轴转速，实现一定复杂程度曲面的快速切削；b.考虑快速切削下加工系统的动态特性，设计合理的刀架系统；c.根据快刀加工过程特性和材料的切削性能，设计合适切削参数和刀具几何参数，为满足以上单次微量去除条件，刀具或工件的旋转转速要求在500rpm以上；d.基于加工参数和刀具几何参数生成和补偿加工路径，刀具轮廓历经该路径后形成加工表面；e.将工件装配于加工平台，进行快速切削加工，加工时，机床的导轨提供横向和纵向进给与结合伺服机构产生小尺寸的高频往复运动相结合并同步控制，产生可控的切削深度，形成复杂曲面面形。2CN107309657A说明书1/4页脆性材料光学复杂曲面超精密快速切削组合加工成型方法技术领域[0001]本发明属于先进制造中的超精密加工及光学加工领域，特别是适用于脆性材料光学表面加工及光学复杂表面加工。背景技术[0002]光学复杂曲面是表面自由变化的非回转对称光学曲面。光学复杂曲面的应用领域极为广泛，涵盖新能源、航空航天、照明成像、生物工程等多个跨学科领域。对比传统光学表面，光学复杂曲面具有更优越的性能，其曲面自由度大可以对光线传播进行有效控制，可有利于扩大视场角和减小畸变，同时对于多光学器件系统，加入复杂曲面能减少系统体积和重量，同时提高系统的成像质量。[0003]脆性材料(如半导体材料、光学晶体材料等)，具有优越的紫外或红外透过率、高损伤阈值、高折射率等特性，其复杂曲面应用需求在逐渐增加，然而受到材料特性的限制，实现脆性材料加工仍然存在众多困难。由于光学晶体具有脆性大，因此断裂强度和屈服强度较为接近，目前，一般超精密磨削是加工脆性材料复杂曲面的重要方法。然而，磨削加工方法是借助微小磨料颗粒反复磨削光学器件成型，其加工效率较低，并且对于软脆材料，磨料易嵌入其内部形成杂质和缺陷，进而造成光学功能的失效。而超精密切削加工方法是通过金刚石单点加工，特别适合对复杂曲面光学器件进行稳定而可控的加工。而脆性材料在切削过程中，材料易收到应力而产生脆性断裂等表面损伤。为保证切削过程中材料在无脆裂条件下进行，需要控制单次去除量在材料的脆塑转变深度范围之内。对于脆性材料复杂曲面来说，需要保证实现快速切削达到较小的单次去除量。因此，有必要研究脆性材料超精密复杂曲面快速切削成型方法，对于推进脆性材料光学复杂曲面的深入应用具有重要的现实意义。发明内容[0004]本发明的目的是提供一种脆性材料复杂曲面加工方法，以克服加工过程中复杂曲面加工表面质量和脆性材料加工性能之间的矛盾和困难，很好的保证复杂曲面的使用性能。本发明的技术方案如下：[0005]一种脆性材料光学复杂曲