CN103302321B - 圆形菲涅尔花纹加工刀具组合装置、设备及加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆形菲涅尔花纹加工刀具组合装置、设备及加工工艺，该组合装置包括：基座及固定在基座顶面的多个刀具，每个刀具包括刀杆及设于刀杆上方的刀头，每个刀头顶部的刀尖处设有刀尖圆角，多个刀头按照其各自的刀尖圆角半径大小递增排布在基座顶面上；基座顶面边缘还设用于将整个基座固定在工作台上的码铁固定槽。采用多头组合，使得一次对刀便能够完成所有从粗加工到精加工的步骤，节省了加工时间，提升了加工效率；加工工艺中采用的加工参数也不同，从而满足了圆形菲涅尔花纹的加工要求，保证加工出的菲涅尔花纹具有高精度的光学表面。

Description

圆形菲涅尔花纹加工刀具组合装置、设备及加工工艺

技术领域

本发明涉及光学元件制造设备技术领域，具体涉及一种圆形菲涅尔花纹加工刀具组合装置、应用该刀具组合装置的设备及应用该设备加工圆形菲涅尔花纹的加工工艺。

背景技术

菲涅尔微光学结构元件具有体积小、质量轻、易集成的特点，在军用及民用工业领域有着广阔的应用前景，目前其加工方法有电子束写技术、激光束写技术、光刻技术、蚀刻技术、沉积和影像蚀刻技术、LIGA技术、复制技术、镀膜技术和高速铣削技术等。

各加工方法均有着其各自的局限性，（1）光刻技术：由于视场深度的限制，仅限于二维结构和小深宽比三维结构的加工；（2）采用牺牲层蚀刻技术，虽然可以实现准三维加工，但易使材料产生内应力，影响最终的机械性能，且蚀刻技术受材料晶向影响，加工准确性差，被加工表面质量差；（3）LICA技术：LIGA工艺须使用昂贵、稀有的高准直度的X射线光源，其成本比光刻设备还要高许多，一般实验室和企业都很难负担得起，同时，从原理上讲，LIGA工艺很难在曲面基底上加工三维结构。而其它的一些微制造技术，如沉积等一般均为平面工艺，很难适应三维结构的加工。（4）电子束写、激光束写技术效率低，难以进行批量生产；（5）复制技术，包括热压成型法，模压成型法和注射成型法等，是一种适于批量生产的低成本技术，但要求其模具具有较高精度和耐用性；（6）高速铣削技术，其加工精度高，但对于齿形的尖角加工却无能为力，会产生略大于刀尖圆角半径R的自然加工圆角，虽理论上刀具越小加工圆角越小，但越小的刀具加工难度越大，刀具刚强度越小，加工效率越低，刀具切削寿命越短，加工成本越高。

发明内容

本发明提供一种圆形菲涅尔花纹加工刀具组合装置、设备及加工工艺，能够解决上述问题。

本发明实施例提供一种圆形菲涅尔花纹加工刀具组合装置，包括：基座及固定在基座顶面的多个刀具，每个刀具包括刀杆及设于刀杆上方的刀头，每个刀头顶部的刀尖处设有刀尖圆角，多个刀头按照其各自的刀尖圆角半径大小递增排布在基座顶面上；基座顶面边缘还设用于将整个基座固定在工作台上的码铁固定槽。

优选地，基座顶面设有与刀具数量相等的多个固定孔，刀具的刀杆插入对应的固定孔内，每个固定孔内侧壁设有向外延伸并与基座外壁连通的两个锁紧孔，两个锁紧孔在固定孔轴向上下排布，锁紧孔内设有内螺纹，锁紧孔内设有用于锁紧刀杆的螺栓。

优选地，所述刀头为具有四个侧壁的锥体，该锥体顶点为刀头的刀尖，该锥体的四个侧壁分别为刀头的前刀面、后刀面、副后刀面及侧刀面，前刀面正对副后刀面，后刀面正对侧刀面；所述前刀面表面镶嵌一层厚度Н为0.2mm～0.8mm的金刚石，前刀面与侧刀面由上至下向刀头内侧倾斜分别与过刀尖的垂线形成第一负偏角和第二副负角ψ；副后刀面自刀尖至刀头根部由两不同斜率的第一斜面和第二斜面衔接组成，第一斜面的斜率小于第二斜面的斜率；后刀面底边由前刀面至副后刀面向侧刀面倾斜形成后刀面倾角，后刀面与侧刀面衔接的刀尖位置设有刀尖圆角。

优选地，基座上排列固定刀尖圆角半径分别为0.2mm、0.1mm、0.05mm的粗刀具、中刀具和精刀具。

本发明实施例还提供了一种基于上述组合装置的圆形菲涅尔花纹加工设备，包括：加工中心、数控机床及上述的圆形菲涅尔花纹加工刀具组合装置，数控机床包括在横向及纵向上运动的工作台，加工中心包括在竖直方向上运动的加工主轴，该刀具组合装置通过码铁固定在数控机床的工作台上。

上述技术方案可以看出，采用多头组合，使得一次对刀便能够完成所有从粗加工到精加工的步骤，节省了加工时间，提升了加工效率。

本发明实施例基于上述加工设备，还提供了一种圆形菲涅尔花纹加工工艺，包括如下步骤：

A：将工件同轴地安装在加工中心的加工主轴上；

B：在圆形菲涅尔花纹加工刀具组合装置的基座上排列安装刀尖圆角半径分别为0.2mm、0.1mm、0.05mm的粗刀具、中刀具和精刀具，并进行对刀操作；

C：数控机床选用粗刀具对工件进行粗加工，加工中心的加工主轴选用转速S=3000转/分钟，进给速度F=25毫米/分钟，每次进刀深度0.16毫米，直至粗加工完成；

D：数控机床选用中刀具对工件进行中加工，加工中心的加工主轴选用转速3000转/分钟，进给速度F=25毫米/分钟，每次进刀深度0.06毫米，直至中加工完成；

E：数控机床选用精刀具对工件进行精加工，加工中心的加工主轴选用转速3000转/分钟，进给速度F=15毫米/分钟，每次进刀深度0.02毫米，直至精加工完毕。

上述技术方案可以看出，由于本发明实施例采用多刀头结合加工，每个刀头根据其刀尖圆角半径的不同，采用的加工参数也不同，从而满足了圆形菲涅尔花纹的加工要求，保证加工出的菲涅尔花纹具有高精度的光学表面。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例1中组合装置的爆炸结构示意图；

图2是本发明实施例1中刀具的立体结构示意图；

图3是本发明实施例1中刀具另一角度的立体结构示意图；

图4是本发明实施例1中刀头的正对前刀面的侧视结构示意图；

图5是本发明实施例1中由刀头前侧俯视刀头的俯视结构示意图；

图6是本发明实施例1中刀头的正对后刀面的侧视结构示意图；

图7是本发明实施例1中刀头的刀尖部分的放大示意图；

图8是本发明实施例2中加工设备的结构示意图；

图9是本发明实施例3中加工工艺的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本发明实施例提供一种圆形菲涅尔花纹加工刀具组合装置，如图1至图7所示，包括：基座100及固定在基座100顶面的多个刀具200，每个刀具200包括刀杆201及设于刀杆201上方的刀头2，每个刀头2顶部的刀尖处设有刀尖圆角21，多个刀头按照其各自的刀尖圆角半径大小递增排布在基座100顶面上；基座100顶面边缘还设用于将整个基座固定在工作台上的码铁固定槽101。

可以理解，刀具200的刀杆201的根部固定在基座100的顶面上，可以采用焊接或螺纹连接的方式固定。而在本发明实施例中为了更加便于对刀具的更换及固定，基座100顶面设有与刀具200数量相等的多个固定孔102，刀具200的刀杆201插入对应的固定孔102内，每个固定孔102内侧壁设有向外延伸并与基座外壁连通的两个锁紧孔103，两个锁紧孔103在固定孔轴向上下排布，锁紧孔103内设有内螺纹，锁紧孔103内设有用于锁紧刀杆201的螺栓。

因此，当需要更换或固定刀杆时，只需要旋动锁紧孔103内的螺栓即可，而且螺栓采用上下配合的方式固定，能够有效防止加工过程中，刀具的晃动，保证了加工的精度要求。

为了进一步地保证加工的效果，本发明实施例中所述刀头2为具有四个侧壁的锥体，该锥体顶点为刀头的刀尖，该锥体的四个侧壁分别为刀头的前刀面22、后刀面23、副后刀面24及侧刀面25，前刀面22正对副后刀面24，后刀面23正对侧刀面25；所述前刀面22表面镶嵌一层厚度Н为0.2mm～0.8mm的金刚石26，前刀面22与侧刀面25由上至下向刀头内侧倾斜分别与过刀尖的垂线形成第一负偏角和第二副负角ψ；副后刀面24自刀尖至刀头根部由两不同斜率的第一斜面241和第二斜面242衔接组成，第一斜面的斜率小于第二斜面的斜率；后刀面23底边231由前刀面至副后刀面向侧刀面倾斜形成后刀面倾角，第一斜面241与前刀面22衔接的刀尖位置设有刀尖圆角21。

在本发明实施例中金刚石的厚度为0.5mm，使得刀头成本与刀头硬度得到最优化，金刚石可以采用天然金刚石和人造金刚石，从增强实用性的角度考虑，本发明实施例中的金刚石采用人造金刚石，使刀头成本得以相对降低。

为了保证刀头在刀尖处的强度，所述第一负偏角和第二负偏角ψ的角度范围均为1～5°。本发明实施例中第一负偏角的角度为3°，一方面保证了刀尖的强度，另一方面能够在加工菲涅尔花纹时，保证前刀面22的表面与工件接触面之间留有一定的裕度，使工件加工出的齿槽更加精确。另外，第二负偏角ψ的角度也设为3°，本发明实施例中由于前刀面22和侧刀面25均向内侧倾斜一定角度，前刀面的负偏角能够让切屑更好的排出，不致使切屑的扰动或回流而刮伤工件的已加工表面，而前刀面22靠近侧刀面25一侧的刀刃为副刀刃，侧刀面的负偏角是为了与加工表面产生一定的避空而设的，也就是说，副切削刃在粗加工时会起到切削作用外，其它时候都是避空状态的，刀尖是主要承受切削的主要部分，使得整个刀头的切削强度大幅加强，前刀面的刀刃锋利度进一步提升。

本发明实施例中副后刀面24自刀尖至刀头根部20由两不同斜率的第一斜面241和第二斜面242衔接组成，第一斜面241的斜率小于第二斜面242的斜率；后刀面23与侧刀面25衔接的刀尖21位置设有刀尖圆角，该刀尖圆角半径R限定在0.01mm至0.5mm的范围内，刀尖圆角无疑对刀尖的厚度相对增加，因此能够使得刀头刀尖部的强度得到了提升，也提升了刀头加工精度，此处前后方向为由刀头前刀面22至刀头副后刀面24的方向。

本发明实施例中后刀面23底边231由前刀面至副后刀面向侧刀面25倾斜形成后刀面倾角；即后刀面底边231由前至后向右偏转一定角度，本发明实施例中该后刀面倾角的角度设为3°，当前刀面22对工件进行切削动作时，前刀面22经过的位置为已加工面，对于现有的刀头来说，由于后刀面并没有设置倾角，往往会发生后刀面剐蹭到已加工面的情况，导致工件加工出现质量问题；因此本发明实施例中后刀面相对于前刀面具有一个向内侧凹进的设计，有效地避免的后刀面对已加工面的剐蹭，保证了由工件加工出的菲涅尔花纹的质量。

本发明实施例中刀头2的位置相对于刀杆201向右偏出，即刀头2固定在刀杆201的顶部右侧，使得刀头2相对于工件具有更宽裕的加工角度。事实上，本发明实施例中在刀杆201的顶部右侧一体成型地设有一向外突出的固定部2011，刀头2固定在固定部的顶部，可以理解，刀头2与固定部2011也是一体成型的，因此该固定部2011可以增加刀具头部的刚强度，保证刀具的使用寿命。

本发明实施例中后刀面23与侧刀面25衔接的刀尖位置设有刀尖圆角21，该刀尖圆角半径范围根据菲涅尔花纹参数要求，不能设计过大，只需在制造过程中采用倒角设计即可，该刀尖圆角半径R范围设定在0.01mm～0.5mm之间。

在本发明实施例中根据菲涅尔花纹参数的要求，在基座100上设置了三个刀具，即刀尖圆角半径为0.2mm的粗刀具，刀尖圆角半径为0.1mm的中刀具和刀尖圆角半径为0.05mm的精刀具。

实施例2：

本发明实施例提供了一种圆形菲涅尔花纹加工设备，如图8所示，包括：加工中心300、数控机床（图中只示出了数控机床的工作台400）及上述实施例1中所述的圆形菲涅尔花纹加工刀具组合装置500，数控机床包括在横向及纵向上运动的工作台400，加工中心300包括在竖直方向上运动的加工主轴700，该刀具组合装置500通过码铁（图中未示出）固定在数控机床的工作台400上。

本发明实施中该刀具组合装置的基座上表面排列安装有刀尖圆角半径分别为0.2mm、0.1mm、0.05mm的粗刀具、中刀具和精刀具，以实现不同精度要求的加工。

加工时，该刀具组合装置500随工作台400的一体运动，数控机床通过控制工作台的运动轨迹可以选择刀具组合装置500上的刀具来使用，加工中心的加工主轴700在纵向上运动，通过控制加工主轴的转速与步进幅度，来控制工件加工的精度及效率。可以理解，加工主轴上设有工件夹具用于夹持工件。

加工中心的加工主轴带动工件夹具及待加工工件高速旋转，同时加工中心的加工主轴可以在竖直方向上下移动；另外，固定于工作台上的刀具组合装置及刀具可在水平方向上任意平动。由此实现工件转动，刀具平动的类似于车削加工的运动形式。从而使加工中心中完成类似车削的动作，以进行工件的高精加工。

实施例3：

基于上述实施例2中的加工设备，本发明实施例提供了一种圆形菲涅尔花纹加工工艺，包括如下步骤。

步骤101：将工件同轴地安装在加工中心的加工主轴上。本步骤中将待加工工件及工件夹具装夹到加工中心的加工主轴上；目的在于：先加工工件外形，确保工件与加工主轴的同轴度。

步骤102：在圆形菲涅尔花纹加工刀具组合装置的基座上排列安装刀尖圆角半径分别为0.2mm、0.1mm、0.05mm的粗刀具、中刀具和精刀具，并进行对刀操作。所述对刀操作为同时将粗刀具、中刀具和精刀具的前刀面及主刀刃进行定位调整，本领域技术人员对于对刀操作均可以理解，此处不再赘述。

步骤103：数控机床选用粗刀具对工件进行粗加工，加工中心的加工主轴选用转速S=3000转/分钟，进给速度F=25毫米/分钟，每次进刀深度0.16毫米，直至粗加工完成。直至加工完成是指采用粗刀具对菲涅尔花纹的所有齿槽进行加工，使菲涅尔花纹具有一个初步的轮廓。本步骤中粗加工一般不需要光洁度和尺寸的精度要求，采用大进给量以保证大的切削速度，选用刀尖圆角半径R=0.2mm的粗刀具以保证刀具的刚强度，提高刀具的使用寿命，且确保夹角的余量不会太大；数控机床根据运动轨迹从而选定粗刀具位于工件的下方。

用粗刀具对工件进行粗加工(刀尖圆角R=0.2mm)，加工参数：加工主轴选用转速S=3000转/分钟，进给速度F=25毫米/分钟，刀具的每转进刀量G=F(25)/S(3000)=0.00833毫米/转；根据每次进刀深度需小于刀尖圆角半径R的原则，对于粗加工，采取刀尖圆角半径R0.8倍的方式得出每次进刀深度0.16毫米的数据。

步骤104：数控机床选用中刀具对工件进行中加工，加工中心的加工主轴选用转速3000转/分钟，进给速度F=25毫米/分钟，每次进刀深度0.06毫米，直至中加工完成。

粗加工后的工件表面较粗糙，需增加一道中加工工艺，中加工采用中等的进给量、中等的切削速度、中刀具的刀尖圆角半径R=0.1mm，以进一步减少待加工余量，并提升待加工表面的表面光洁度，为精加工做好准备。

用中刀具对工件进行中加工(刀尖圆角半径R=0.1mm)，加工参数：加工主轴选用转速3000转/分钟，进给速度F=25毫米/分钟，中加工仍然用与粗加工相同的每转进刀量，目的是缩短加工时间，每转进刀量G=F(25)/S(3000)=0.00833毫米/转；每次进刀深度采取刀尖圆角半径R0.6倍的方式得出每次进刀深度0.06毫米。

步骤105：数控机床选用精刀具对工件进行精加工，加工中心的加工主轴选用转速3000转/分钟，进给速度F=15毫米/分钟，每次进刀深度0.02毫米，直至精加工完毕。

精加工是加工过程中最重要的步骤，需采用小进给量、小切削速度、精刀具的刀尖圆角半径R=0.05mm，以确保刀具的使用寿命，实现高表面光洁度及最终光学表面精度要求。

用精刀具对工件进行精加工(刀尖圆角半径R=0.05mm)，加工参数：加工主轴选用转速3000转/分钟，进给速度F=15毫米/分钟，精加工每转进刀量必须要比粗加工和中加工更低，因此，每转进刀量G=F(15)/S(3000)=0.005毫米/转；每次进刀深度数据采取刀尖圆角半径R0.4倍的方式，得出每次进刀深度0.02毫米。

完成精加工后，整个菲涅尔花纹的加工工艺基本完成，该菲涅尔花纹具有较高的精度表面。

比起预期效果，圆形微光学结构菲涅尔元件的加工效率提升了50%，并且刀尖处镶嵌的人造金刚石几乎没有磨损，所得工件经过检测，菲涅尔微光学结构面轮廓度可达0.02mm，表面光洁度可达Ra0.005μm，尖角处加工圆角可控制在R0.05mm左右，数据显示所得精度能满足产品的配光要求。

以上对本发明实施例所提供的圆形菲涅尔花纹加工刀具组合结构、设备及加工工艺进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.圆形菲涅尔花纹加工刀具组合装置，其特征在于，包括：基座及固定在基座顶面的多个刀具，每个刀具包括刀杆及设于刀杆上方的刀头，每个刀头顶部的刀尖处设有刀尖圆角，多个刀头按照其各自的刀尖圆角半径大小递增排布在基座顶面上；基座顶面边缘还设用于将整个基座固定在工作台上的码铁固定槽；所述刀头为具有四个侧壁的锥体，该锥体顶点为刀头的刀尖，该锥体的四个侧壁分别为刀头的前刀面、后刀面、副后刀面及侧刀面，前刀面正对副后刀面，后刀面正对侧刀面；所述前刀面表面镶嵌一层厚度Н为0.2mm～0.8mm的金刚石，前刀面与侧刀面由上至下向刀头内侧倾斜分别与过刀尖的垂线形成第一负偏角λ和第二副负角ψ；副后刀面自刀尖至刀头根部由两不同斜率的第一斜面和第二斜面衔接组成，第一斜面的斜率小于第二斜面的斜率；后刀面底边由前刀面至副后刀面向侧刀面倾斜形成后刀面倾角γ，后刀面与侧刀面衔接的刀尖位置设有刀尖圆角。

2.如权利要求1所述的圆形菲涅尔花纹加工刀具组合装置，其特征在于：基座顶面设有与刀具数量相等的多个固定孔，刀具的刀杆插入对应的固定孔内，每个固定孔内侧壁设有向外延伸并与基座外壁连通的两个锁紧孔，两个锁紧孔在固定孔轴向上下排布，锁紧孔内设有内螺纹，锁紧孔内设有用于锁紧刀杆的螺栓。

3.如权利要求1所述的圆形菲涅尔花纹加工刀具组合装置，其特征在于：基座上排列固定刀尖圆角半径分别为0.2mm、0.1mm、0.05mm的粗刀具、中刀具和精刀具。

4.圆形菲涅尔花纹加工设备，其特征在于，包括：加工中心、数控机床及上述权利要求1至3中任意一项所述的圆形菲涅尔花纹加工刀具组合装置，数控机床包括在横向及纵向上运动的工作台，加工中心包括在竖直方向上运动的加工主轴，该刀具组合装置通过码铁固定在数控机床的工作台上。

5.使用权利要求4所述的圆形菲涅尔花纹加工设备的圆形菲涅尔花纹加工工艺，其特征在于，包括如下步骤：

A：将工件同轴地安装在加工中心的加工主轴上；

B：在圆形菲涅尔花纹加工刀具组合装置的基座上排列安装刀尖圆角半径分别为0.2mm、0.1mm、0.05mm的粗刀具、中刀具和精刀具，并进行对刀操作；

C：数控机床选用粗刀具对工件进行粗加工，加工中心的加工主轴选用转速S＝3000转/分钟，进给速度F＝25毫米/分钟，每次进刀深度0.16毫米，直至粗加工完成；

D：数控机床选用中刀具对工件进行中加工，加工中心的加工主轴选用转速3000转/分钟，进给速度F＝25毫米/分钟，每次进刀深度0.06毫米，直至中加工完成；

E：数控机床选用精刀具对工件进行精加工，加工中心的加工主轴选用转速3000转/分钟，进给速度F＝15毫米/分钟，每次进刀深度0.02毫米，直至精加工完毕。