屬于脆性材料復(fù)雜曲面制造及超精密加工領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

光學(xué)復(fù)雜曲面的廣泛應(yīng)用于新能源，航空航天，照明成像，生物工程等多個(gè)跨學(xué)科領(lǐng)域。對比傳統(tǒng)的光學(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，更優(yōu)異視場角，系統(tǒng)所需組件更少，更加輕便，易于裝配，調(diào)制傳遞函數(shù)高等特點(diǎn)。作為許多光學(xué)器件的核心部件，加入復(fù)雜曲面能減少系統(tǒng)體積和重量，同時(shí)提高系統(tǒng)的成像質(zhì)量。半導(dǎo)體材料，光學(xué)晶體等脆性材料等具有優(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(shí)現(xiàn)脆性材料加工仍然存在眾多困難。

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(diǎn)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，因此應(yīng)根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行脆性材料的光學(xué)器件的光學(xué)設(shè)計(jì)，并結(jié)合設(shè)計(jì)曲面面形進(jìn)行成型方法的選擇和工藝參數(shù)設(shè)計(jì)。因此，實(shí)現(xiàn)脆性材料復(fù)雜曲面的低損傷甚至無損的高效切削加工，平衡復(fù)雜曲面加工表面質(zhì)量和脆性材料加工性能之間的矛盾，同時(shí)減小針對兩者的難度，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(shí)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出基于銑削與飛刀運(yùn)動(dòng)相結(jié)合的高速切削方式實(shí)現(xiàn)超精密快速切削，系統(tǒng)解決脆性材料高效低損傷加工。兼顧了切削難加工材料和復(fù)雜曲面加工的矛盾，同時(shí)降低了兩者的困難，很好地保證了復(fù)雜曲面的表面質(zhì)量和光學(xué)性能?；谶@樣的高速離散切削方法的特點(diǎn)，提出該加工工藝，實(shí)現(xiàn)連續(xù)曲面的高質(zhì)量高效率的切削加工。技術(shù)方案如下：

一種脆性材料復(fù)雜曲面的加工方法，包括下列步驟：

(1)搭建銑削與飛刀結(jié)合的加工系統(tǒng)；

(2)根據(jù)待加工面型，選擇合適的飛刀主軸回轉(zhuǎn)半徑以及合適銑削進(jìn)給方向，可選擇飛刀回轉(zhuǎn)主軸與銑削進(jìn)給方向平行和飛刀回轉(zhuǎn)主軸與銑削進(jìn)給方向垂直；

(3)根據(jù)加工過程特性和材料的切削性能，設(shè)計(jì)合適切削參數(shù)和刀具幾何參數(shù)，以保證材料單次切削中的去除量控制在塑性去除模式的范圍；

(4)基于加工參數(shù)和刀具幾何參數(shù)進(jìn)行飛刀切削和銑削進(jìn)給的加工路徑生成，并在加工前進(jìn)行路徑補(bǔ)償，補(bǔ)償后刀具輪廓對該路徑遍歷后形成加工表面；

(5)將待加工工件安裝于超精密機(jī)床的主軸上，飛刀垂直安裝于超精密銑削軸上；對工件進(jìn)行加工，隨著飛刀回轉(zhuǎn)主軸的高速運(yùn)動(dòng)配合機(jī)床導(dǎo)軌的直線運(yùn)動(dòng)對工件進(jìn)行間歇切削，此時(shí)飛刀切削方向與進(jìn)給方向垂直，當(dāng)導(dǎo)軌進(jìn)給歷經(jīng)工件長度后，機(jī)床導(dǎo)軌工件橫向平移合適間距，重復(fù)上述過程，直至復(fù)雜曲面加工完畢。

所述脆性材料可為單晶鍺，飛刀主軸轉(zhuǎn)速在4000rpm，回轉(zhuǎn)半徑為30mm，刀鼻半徑為0.5mm，在銑削主軸縱向進(jìn)給為f＝2mm/min，切削深度為1μm時(shí)，單次去除量控制在～28nm。

本發(fā)明針對脆性材料復(fù)雜曲面超精密加工時(shí)存在的加工精度和表面質(zhì)量問題，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)采用銑削與飛刀運(yùn)動(dòng)相結(jié)合的高速切削方式，提高加工時(shí)對材料進(jìn)行間歇切削的頻率，有效降低對脆性材料的單次切削去除量，使得脆性材料以塑性切削模式被去除，提高加工表面質(zhì)量，并減輕刀具磨損。

(2)通過飛刀回轉(zhuǎn)切削與銑削直線進(jìn)給的方式相耦合，控制切削參數(shù)，可以提高切削穩(wěn)定性，遍歷復(fù)雜切削路徑，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜表面的超精密加工成型。

附圖說明

圖1回轉(zhuǎn)主軸與進(jìn)給方向平行方式示意圖

圖2回轉(zhuǎn)主軸與進(jìn)給方向垂直示意圖

圖3銑削進(jìn)給方向輪廓曲率示意圖

具體實(shí)施方式

針對脆性材料復(fù)雜曲面加工成型精度困難表面質(zhì)量差等難點(diǎn)，本發(fā)明提出了銑削與飛刀相結(jié)合的加工方式，即將含金剛石車刀垂直安裝于超精密飛刀主軸上，與銑削直線運(yùn)動(dòng)耦合聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)變化曲面高速切削加工。該方法可以實(shí)現(xiàn)快速、高質(zhì)量的脆性材料光滑復(fù)雜曲面的加工，避免傳統(tǒng)磨削中可能引進(jìn)的雜質(zhì)和缺陷。為了避免過度自由和陡峭的面形，需要考慮曲面沿著銑削軸的直線運(yùn)動(dòng)方向的最大曲率，避免其對應(yīng)曲率半徑小于飛刀的回轉(zhuǎn)半徑。具有一定設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的光學(xué)工程師可很好的完成以上光學(xué)設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，加工中可保證飛刀主軸的高轉(zhuǎn)速，結(jié)合切削過程中材料單次去除量小的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)脆性材料高效低損傷加工。

在具體實(shí)施例中，以典型脆性材料單晶鍺的超環(huán)面加工為例說明。其中心曲線由偶次非球面表達(dá)，即

其中c，k分別為非球面曲線的曲率和圓錐系數(shù)，超環(huán)面的最終表達(dá)式為

其中，rx為面形x方向的曲率半徑，具體參數(shù)如表1所示。

本發(fā)明具體實(shí)施方式如下：

1.搭建銑削與飛刀結(jié)合的加工系統(tǒng)；

2.選擇合適的飛刀主軸回轉(zhuǎn)半徑，以及合適銑削進(jìn)給方向，避免其對應(yīng)曲率半徑小于飛刀的回轉(zhuǎn)半徑，即選擇合適的銑削主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速率以及飛刀安裝回轉(zhuǎn)半徑，避免飛刀的回轉(zhuǎn)半徑大于其曲面上任意一條沿著銑削軸的直線運(yùn)動(dòng)方向的最大曲率半徑。

3.根據(jù)加工過程特性和材料的切削性能，設(shè)計(jì)合適切削參數(shù)和刀具幾何參數(shù)；根據(jù)實(shí)施例，選擇飛刀主軸轉(zhuǎn)速在4000rpm，回轉(zhuǎn)半徑約為30mm，刀鼻半徑為0.5mm，在銑削主軸y方向進(jìn)給為f＝2mm/min，切削深度為1μm時(shí)，單次去除量控制在～28nm，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，同時(shí)選擇x方向的間距為50μm，以保證粗糙度在納米量級。

4.基于加工參數(shù)和刀具幾何參數(shù)進(jìn)行飛刀切削和銑削進(jìn)給的加工路徑生成，并在加工前進(jìn)行路徑補(bǔ)償，補(bǔ)償后刀具輪廓對該路徑遍歷后形成加工表面；

5.將工件固定于機(jī)床主軸，進(jìn)行銑削與飛刀結(jié)合的切削加工，加工時(shí)，銑削主軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)，銑削主軸的直線進(jìn)給提供橫向和切深方向進(jìn)給，形成復(fù)雜曲面面形。

附表1實(shí)施例中超環(huán)面曲面參數(shù)

具體實(shí)施方式中提及的銑削與飛刀結(jié)合的切削加工系統(tǒng)分為兩種形式：飛刀回轉(zhuǎn)主軸與進(jìn)給方向平行加工和飛刀回轉(zhuǎn)主軸與進(jìn)給方向垂直加工。飛刀回轉(zhuǎn)主軸與進(jìn)給方向平行方式如圖1所示，銑削主軸與飛刀回轉(zhuǎn)主軸同軸均與y軸平行而飛刀切削方向與進(jìn)給方向垂直，當(dāng)導(dǎo)軌進(jìn)給歷經(jīng)工件長度后，機(jī)床導(dǎo)軌沿著x軸平移合適間距，重復(fù)上述過程，直至復(fù)雜曲面加工完畢。飛刀回轉(zhuǎn)主軸與進(jìn)給方向垂直方式如圖2所示，銑削主軸與飛刀回轉(zhuǎn)主軸均與x軸平行且飛刀切削方向與進(jìn)給方向平行，歷經(jīng)工件長度后，機(jī)床導(dǎo)軌沿著x軸平移合適間距，重復(fù)上述過程，直至復(fù)雜曲面加工完畢。

具體實(shí)施方式中提及的銑削軸的直線運(yùn)動(dòng)方向的曲率如圖3所示，對面形中給定的x＝x0可以獲得相應(yīng)的y方向輪廓曲線，該曲線表達(dá)式為

其中zy由(1)式?jīng)Q定，此時(shí)根據(jù)該曲線計(jì)算各點(diǎn)的曲率，進(jìn)而獲得各點(diǎn)半徑，對于面形中的每個(gè)給定x值，獲得的y方向輪廓線的曲率半徑應(yīng)該都大于飛刀的回轉(zhuǎn)半徑，這樣才能保證整個(gè)曲面不會(huì)因?yàn)檫^切而導(dǎo)致加工面形缺陷。

具體實(shí)施方式中提到的合適切削參數(shù)和刀具幾何參數(shù)為：在選取合適的銑削主軸轉(zhuǎn)速s和主軸進(jìn)給速率f的情況下(一般地，s>>f)，當(dāng)?shù)毒邎A弧半徑為rt，加工切削深度為a0時(shí)，對材料實(shí)際的切削厚度的表達(dá)式為

其中f是指飛刀每次接觸材料時(shí)銑削主軸所進(jìn)給的距離，f≈f/s，可以發(fā)現(xiàn)在合適的切削參數(shù)下，實(shí)際切削厚度將遠(yuǎn)小于切削深度，借此實(shí)現(xiàn)對脆性材料的低損傷加工。另外對于x方向間距，應(yīng)保證殘高在要求粗糙度的同等量級，殘高的表達(dá)式為

其中fx為x方向間距，r為飛刀回轉(zhuǎn)半徑。