CN101246365A - 一种带有金刚石刀具前角补偿的超精密车削方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于超精密加工、复杂零件制造技术领域，涉及一种带有金刚石刀具前角补偿的超精密车削方法，用在三轴金刚石超精密机床上。该方法采用以上刀具前角补偿的方法，对模型上足够多的点求刀具的车床坐标点；并按照一定路径生成加工路径，实现对曲面模型刀具前角补偿的加工。采用本发明提供的路径生成方法，对具有前角的刀具进行前角补偿，实现加工脆性材料时的刀具精确控制，从而实现形状精度高的超精密车削。

Description

一种带有金刚石刀具前角补偿的超精密车削方法

技术领域

本发明属于超精密加工、复杂零件制造技术领域，涉及一种超精密车削方法。

背景技术

目前，脆性材料(如硅、BK7玻璃、ZnS和ZnSe等)越来越多地被应用到超精密产品的应用领域中。无论是在手机摄像头、DVD读出头、微小型化照相机镜头等微光学消费市场，还是生物医疗领域的内窥镜、芯片实验室、微创生物信息分析等新型健康诊测手段方面，脆性材料产品都开始形成越来越大的市场需求。

但是，脆性材料因具有脆性高、断裂韧性低等特性，可加工性较差，当材料承受超负荷的切削力时就产生断裂破坏，严重影响工件的加工质量。对脆性材料的加工主要采用磨削、研磨、抛光等工艺，生产效率较低。随着超精密加工技术的发展，近些年来，直接通过金刚石切削脆性材料表面成为可能，通过对脆性材料塑性域的超精密切削获得纳米级粗糙度表面，极大地提高了加工效率和加工过程的可操控性，同时易于对脆性材料进行复杂曲面加工。

通过大量科学实验证明，脆性材料切削过程中，材料靠刀尖前端的压应力产生的塑性变形方式去除，通过使用不同前角的车刀进行加工对塑性变形区域的产生非常有益。因此，为了提高这种方式的加工形状精度，有必要对加工中刀具前角引起的加工误差进行合理补偿。

发明内容

本发明的目的是针对三轴(X、Z、C)金刚石超精密车削方式，设计加工刀具前角的补偿方法，采用本发明提供的具有前角补偿的车削加工方法，能够实现复杂曲面更高形状精度的超精密加工。

为此本发明采用如下的技术方案：

一种带有金刚石刀具前角补偿的超精密车削方法，用在三轴金刚石超精密机床上，所述机床的主轴能够做回转运动和沿X轴向运动，主轴上安装有对其转动角度进行控制或反馈使其沿C轴转动的编码器，金刚石刀具做Z向运动，该方法包括下列步骤：

(1)对工件加工表面建立自由曲面模型；

(2)将自由曲面模型上加工点的坐标p₀(x₀，y₀，z₀)转化成机床坐标系下的坐标p₀(ρ₀，

z₀)，并由参数方程的矢量式求解该点的法向量 $\stackrel{\→}{n}=(a_0,b_0,c_0);$

(3)把加工过程的运动模拟为刀具零前角面永远垂直xoy平面并绕机床z轴的运动，并按照这个运动模型，求解加工p₀(x₀，y₀，z₀)点时，切削面的法向量

(4)将加工点的法向量 $\stackrel{\→}{n}=(a_0,b_0,c_0)$ 投影到切削面上，并沿投影向量进行刀具半径补偿，得到切削面圆弧中心o(x_t，y_t，z_t)模型坐标；

(5)由切削面的法向量

求取切削面圆弧中心o′指向刀尖p₁的单位矢量

并根据该向量和两点的距离，求得刀尖p₁的模型坐标；

(6)刀尖p₁指向零前角面圆弧中心o(x_t，y_t，z_t)的向量

平行于z轴，且长度为r₀，可以求解o(x_t，y_t，z_t)点模型坐标；

(7)将零前角面圆弧中心的模型坐标o(x_t，y_t，z_t)转为机床坐标系下的坐标o(ρ_t，

z_t)；

(8)根据经过前角补偿的切削面圆弧中心处的机床坐标o(ρ_t，

z_t)，遍历自由曲面上的加工点，得到各点对应的切削面圆弧中心坐标，生成加工路径；

(9)根据所生成的加工路径，控制机床主轴的转动角度和刀具的进给量、切深，进行车削加工。

上述的带有金刚石刀具前角补偿的超精密车削方法，其特征在于，步骤(3)中对加工p₀(x₀，y₀，z₀)点时，切削面的法向量

的求解过程可以按照以下步骤进行：

(a)切削面可以看作零前角面绕过刀尖和x轴平行的轴线旋转形成前角α₀，依此求得刀尖处于x轴正向某位置时切削面的法向量

(b)加工模型上p₀(x₀，y₀，z₀)点时，切削面的法向量是由向量

绕z轴旋转

角度得来，从而求得切削面的法向量

本发明具有如下显著的优点：

当刀具前刀面具有非零度前角时，随着刀具的切削刃与被加工件的接触点的变化，接触点处的曲率也在变化。此变化量严重影响被加工表面的形状精度。例如在加工一直径10mm的非球面透镜，采用-25°前角的刀具，如无刀具前角补偿，将会带来大于3μm的表面形状误差，从而使被加工非球面透镜不能满足应用要求。而采用本发明提出的具有刀具前角补偿的车削方法后，则表面形状误差很容易地降到了0.1μm以内，极大地提高了光学加工的质量和实用性。

附图说明

图1：刀具前角补偿模型。

具体实施方式

考虑前角的刀具模型如图1所示。图中，1为切削面，2为零前角面。切削面的刀尖圆弧半径为r₀；以切削面的圆弧圆心处建立图1所示的刀具坐标系o′x′y′z′，切削面与z轴负向的夹角为前角α₀，当前切削面可以看作零前角面绕过刀尖和x轴平行的轴线旋转形成。切削面的法向量为，

${\stackrel{\→}{n}}_t=(0,\cos {\mathrm{\α}}_0,\sin {\mathrm{\α}}_0)---\left(1\right)$

假设任意加工曲面的一般表达式为z＝f(x，y)。由三轴金刚石超精密车削方式可知，在对曲面上任一点p₀(x₀，y₀，z₀)进行加工时，未考虑刀具前角补偿加工时，刀具的位置点在切削面圆弧中心o′(ρ′_t，

z′_t)；而实际机床控制的刀具位置是切削面圆弧中心对应于零前角面上的o(ρ_t，

z_t)，这两点对于大负前角刀具加工存在较大的偏差。实际加工中，求得o点的坐标就实现了加工时对刀具前角的补偿。o(x_t，y_t，z_t)是o(ρ_t，

z_t)对应的模型坐标系中的坐标，两者可以由极坐标公式进行相互转换，

1.由式(2)也能计算模型上p₀(x₀，y₀，z₀)在机床坐标系下的坐标p₀(ρ₀，z₀)，当前点的法向量 $\stackrel{\→}{n}=(a_0,b_0,c_0)$ 可由曲面参数方程的向量式进行下面求解：由加工曲面的表达式可得其参数描述式

$\left\{\begin{array}{c}x=x(u,v)\\ y=y(u,v)\\ z=z(u,v)\end{array}\right.---\left(3\right)$

其向量式为： $\stackrel{\→}{r}=\stackrel{\→}{r}(u,v)=x(u,v)\stackrel{\→}{i}+y(u,v)\stackrel{\→}{j}+z(u,v)\stackrel{\→}{k},$ 该点的切平面通过的以下两个向量： ${\stackrel{\→}{r}}_u=\frac{\∂\stackrel{\→}{r}}{\∂u};$ ${\stackrel{\→}{r}}_v=\frac{\∂\stackrel{\→}{r}}{\∂v},$ 则曲面上某点的法向量可由两个向量叉积求解 $\stackrel{\→}{n}={\stackrel{\→}{r}}_u\×{\stackrel{\→}{r}}_v;$

2.考虑刀具和工件的相对运动，假设加工时工件不动，因此刀具绕机床z轴的运动是实际加工运动的相对运动模型，且零前角面永远垂直xoy平面。加工模型上p₀(x₀，y₀，z₀)点时，切削面的法向量

可以看作向量

绕z轴旋转

角度，即

同时，得到切削面圆弧中心o′指向刀尖p₁的单位向量

3.向量

是模型的法向量 $\stackrel{\→}{n}=(a_0,b_0,c_0)$ 在切削面上的投影，且长度为r₀，由向量投影公式并对其单位化可得，

由向量减法运算，可得o′的模型坐标

$\left\{\begin{array}{c}{x}_t^{\′}=x_0+r_0{a}_p\\ y_t^{\′}=y_0+r_0{b}_p\\ z_t^{\′}=z_0+r_0{c}_p\end{array}\right.---\left(7\right)$

4.由单位向量

和o′的模型坐标可求得刀尖处p₁的模型坐标，

因此

5.因零前角面永远垂直xoy平面，所以向量

平行于z轴，且长度为r₀，即 $\stackrel{\→}{p_{1}o}=(\mathrm{0,0},r_0),$ 因此得：

$o(x_t,y_t,z_t)=\stackrel{\→}{p_{1}o}+p_1(x_1,y_1,z_1)---\left(9\right)$

利用公式(2)把模型坐标转为机床坐标o(ρ_t，z_t)，实现了对刀具前角的补偿。

在实际加工中，采用以上刀具前角补偿的方法，对模型上足够多的点求刀具的车床坐标点；并按照一定路径生成加工路径，实现对曲面模型刀具前角补偿的加工。

该发明适合于三轴金刚石超精密车床加工时，对具有前角的刀具进行前角补偿，实现加工脆性材料时的刀具精确控制，从而实现形状精度高的超精密车削。基于前角补偿的思路和分析方法，也可以结合具体加工原理应用于其他加工方式，实现高精度的超精密加工。

Claims (2)

1. 一种带有金刚石刀具前角补偿的超精密车削方法，用在三轴金刚石超精密机床上，所述机床的主轴能够做回转运动和沿X轴向运动，主轴上安装有对其转动角度进行控制或反馈使其沿C轴转动的编码器，金刚石刀具做Z向运动，该方法包括下列步骤：

(1)对工件加工表面建立自由曲面模型；

(2)将自由曲面模型上加工点的坐标p₀(x₀，y₀，z₀)转化成机床坐标系下的坐标并由参数方程的矢量式求解该点的法向量 $\stackrel{\→}{n}=(a_0,b_0,c_0);$

(3)把加工过程的运动模拟为刀具零前角面永远垂直xoy平面并绕机床z轴的运动，并按照这个运动模型，求解加工p₀(x₀，y₀，z₀)点时，切削面的法向量

(4)将加工点的法向量 $\stackrel{\→}{n}=(a_0,b_0,c_0)$ 投影到切削面上，并沿投影向量进行刀具半径补偿，得到切削面圆弧中心o(x_t，y_t，z_t)模型坐标；

(5)由切削面的法向量

求取切削面圆弧中心o′指向刀尖p₁的单位矢量并根据该向量和两点的距离，求得刀尖p₁的模型坐标；

(6)刀尖p₁指向零前角面圆弧中心o(x_t，y_t，z_t)的向量

平行于z轴，且长度为r₀，

可以求解o(x_t，y_t，z_t)点模型坐标；

(7)将零前角面圆弧中心的模型坐标o(x_t，y_t，z_t)转为机床坐标系下的坐标

(8)根据经过前角补偿的切削面圆弧中心处的机床坐标

遍历自由曲面上的加工点，得到各点对应的切削面圆弧中心坐标，生成加工路径；

(9)根据所生成的加工路径，控制机床主轴的转动角度和刀具的进给量、切深，进行车削加工。

2. 根据权利要求1所述的带有金刚石刀具前角补偿的超精密车削方法，其特征在于，所述步骤(3)中对加工p₀(x₀，y₀，z₀)点时，切削面的法向量

的求解过程包括以下步骤：

(a)切削面可以看作零前角面绕过刀尖和x轴平行的轴线旋转形成前角α₀，依此求得刀尖处于x轴正向某位置时切削面的法向量

(b)加工模型上p₀(x₀，y₀，z₀)点时，切削面的法向量

是由向量

绕z轴旋转

角度得来，从而求得切削面的法向量

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