CN103551593A - 一种加工非对称大矢高落差工件的方法 - Google Patents

Abstract

一种单点金刚石车床用快刀伺服加工非对称大矢高落差工件的方法，包括下列步骤：①计算待加工工件的面型轮廓并进行加工分析：②找出待加工工件的面型矢高平衡点和最佳倾斜角度；③制作斜基准板和定位夹持夹具；④根据待加工工件的面型轮廓制定加工参数；⑤确定工件原始坐标系和工件倾斜坐标系；⑥通过二个坐标系的转换和具体加工设备的加工坐标系编写加工程序，程序校验符合要求后，将待加工工件通过所述的倾斜基准板和定位夹持夹具置于单点金刚石车床上，启动单点金刚石车床，对待加工工件进行加工。本发明扩大了单点金刚石车床快刀伺服模块加工产品的种类和范围、提高了加工精度。

Description

一种加工非对称大矢高落差工件的方法

技术领域

本发明涉及超精密加工技术领域，特别是一种单点金刚石车床用快刀伺服加工非对称大矢高落差工件的方法。 

背景技术

常规单点金刚石车床加工非对称复杂工件一般采用两种加工方式：一种是慢刀伺服加工（Slow Tool Servo以下简称STS），另一种是快刀伺服加工（Fast Tool Servo以下简称FTS）。两者各有利弊。STS可加工工件的最大落差高度主要取决于机床轴向位移导轨轴（Z轴）行程，一般为100毫米～200毫米，但由于其采用机床自身主轴分度位移轴（C轴）、径向位移轴（X轴）和轴向位移轴(Z轴)的联动，插补其运转计算和动作速度过慢，导致加工时间过长。而由于加工时间长，温度、湿度以及外界环境振动对于工件加工后的表面质量与面型精度影响过大。FTS加工是在机床轴向位移轴上加装了一个机床轴向伸缩轴（W轴），其独立于机床的伺服运动，所以机床主运动只有径向位移轴（X轴）和轴向位移轴(Z轴)的联动，插补运动其运转计算和动作速度无异与机床加工回转类工件时间较快。而由于加工时间短，温度、湿度以及外界环境振动对于工件加工后的表面质量与面型精度影响不明显。但由于其轴向伸缩轴（W轴）的加工行程只有6毫米，所以可加工的工件最大落差只能为6毫米。 

综上所述STS能加工的工件种类多，但它对于加工环境的要求高、加工时间长、生产成本大。FTS能加工的工件种类少，但它对于加工环境的要求相对较低、加工时间短、生产成本低。 

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种单点金刚石车床使用快刀伺服加工非对称大矢高落差工件的方法，利用FTS的有限加工行程加工大口径、 大矢高落差非对称工件，克服快刀伺服不能加工失高落差超出其轴向伸缩轴位移行程的非对称工件。 

本发明的技术解决方案如下： 

一种单点金刚石车床用快刀伺服加工非对称大矢高落差工件的方法，特点在于该方法是利用倾斜工件的加工方法，包括下列步骤： 

①计算待加工工件的面型轮廓并进行加工分析； 

②找出待加工工件的面型矢高平衡点和最佳倾斜角度：所述的最佳倾斜角度是在所述的待加工工件的面型矢高平衡点倾斜工件表面具有矢高落差最小的角度； 

③设计、制作一块与待加工工件的倾斜平衡角度相同的倾斜基准板和定位夹持夹具； 

④根据待加工工件的面型轮廓制定加工参数：加工刀具选择、进给率、主轴转速和加工深度； 

⑤根据待加工工件的面型和倾斜后面型，确定工件原始坐标系和工件倾斜坐标系； 

⑥通过二个坐标系的转换和具体加工设备的加工坐标系编写加工程序，程序校验符合要求后，将待加工工件通过所述的倾斜基准板和定位夹持夹具置于单点金刚石车床上，启动单点金刚石车床，对待加工工件进行加工。 

与现有技术相比，本发明的有益效果是扩大了单点金刚石车床快刀伺服模块加工产品的种类和范围、提高了该种加工方式的加工精度。 

附图说明

图1是本发明方法示意图 

图2a是本发明方法实施例1离轴抛物面镜结构示意图 

图2b是图2a中B-B的剖视图 

图3是本发明方法实施例1离轴抛物面镜中心点标示图 

图4是本发明方法实施例1离轴抛物面镜工件底部定位销孔位置图 

图5a是本发明方法实施例1斜面基准板和与机床主轴相连接的底座结构图 

图5b是本发明方法实施例1斜面基准板和与机床主轴相连接的底座俯视图 

图6是本发明天然单晶金刚石刀具示意图 

图7是本发明方法实施例1离轴抛物面镜坐标转换前后点阵面型对比干涉图，其中（a）为坐标转换前点阵面型图，(b)为坐标转换后点阵面型图 

图8为加工仿真截图。 

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。 

先请参阅图2，图2是本发明方法实施例离轴抛物面镜结构示意图，由图可见，以外圆口径为500mm、离轴量为258mm、焦距为448mm的离轴抛物面镜为例说明本发明方法，该离轴抛物面镜如图2所示：本发明单点金刚石车床用快刀伺服加工非对称大矢高落差工件的方法，包括下列步骤： 

一、通过方程模拟计算工件面型轮廓并进行加工分析，找出其面型矢高平衡点 

1.通过图纸给出参数和标准方程计算出工件矢高落差。 

如图2所示该工件为一个离轴抛物面镜。一般的标准抛物面方程为 

$Z=\frac{R^2}{4f}$

R²＝X²+Y²

式中：X和Y分别为以抛物面顶点为原点的工件俯视方向为平面的笛卡尔坐标系中X方向和Y方向的坐标。由于该工件为离轴抛物面镜是非回转工件，所以X方程坐标和Y方向坐标有着一定方向性和区间。X坐标的区间为A-0.5D至A+0.5D，Y坐标的区间为B-0.5D至B+0.5D，D为该工件的外圆直径、A为该工件在X方向的离轴量、B为该工件在Y方向的离轴量。Z为工件矢高方向坐标，R为3维方程化为2维方程的复合参数，f为该抛物面的焦距。 

离轴抛物面镜的面型计算表达式为： 

$Z=\frac{X^2+Y^2}{4\×f}(A-0.5D\≤X\≥A+0.5D)(B-0.5D\≤Y\≥B+0.5D)$

由于该抛物面为单向离轴抛物面所以其A值为0，B值为图纸所标258。将具体数值带入表达式如下： 

$Z=\frac{X^2+Y^2}{1790}(-250\≤X\≥250)(-508\≤Y\≥-8)$

根据抛物面的特性，该面的矢高的最高点和最低点分别在其Y轴上的区间极限点：（0，-508）、（0，-8）将2坐标点带入表达式得出该面矢高最高点和最低点的具体数值如下： 

$Z_{\max }=\frac{Y_{\min }^2+0}{1790}=\mathrm{144.169832,4}\mathrm{mm}$

$Z_{\min }=\frac{Y_{\max }^2+0}{1790}=0.03575419\mathrm{mm}$

根据矢高的最高点和最低点，该面的边缘矢高落差ESR（Edge Sag Range）为： 

ESR=Z_max-Z_min=144.1340782mm。 

2、对于计算出的边缘矢高落差进行实际加工分析： 

对于常规SPDT来说144mm这个加工行程就是整个机床轴向位移轴的加工行程量的大部分行程，甚至已经超过了一些小型机床其加工行程。从机床加工参数的角度来说加工边缘矢高落差为144mm的工件，就意味着车床主轴每转一圈其Z方向（主轴轴向方向）位移要达到144mm相当于C轴（主轴旋转分度轴），每转1°Z方向的位移量ΔZ为： 

正常3轴联动加工位移轴的极限速度不会超过100mm/min。由此推导在最外圈C轴每转1°最低时间为： 

$T_{\min }=\frac{\mathrm{\ΔZ}}{F_{\max }}*60s=0.240223s$

其中，F_max为3轴联动加工位移轴的极限速度100mm/min。 

由此可推算出在最外圈时C轴最快转速为： 

对于STS车削加工来说，采用CXZ三轴联动加工模式，X轴控制工件径向的位移，Z轴控制工件轴向和ESR的复合位移C轴控制工件回转分度位移。转速为0.7rpm（每分钟C轴旋转0.7转）这样的回转速没有达到正常车削运动的最低要求转速，对于刀具来说的切削力过大无法进行切削且相当于硬挤压，对于刀具的使用寿命会造成严重影响，加工出来的工件表面质量也将非常差。实际上是无法进行正常加工的。而对于FTS车削加工来说，不采用CXZ三轴联动加工模式，而是采用CXZ+W的 2.5+1轴联动的加工模式。其中C轴只是起到定位Z轴和W轴之间定位基准作用，不直接参与联动，所以算半轴，X轴控制工件径向的位移，Z轴控制加工工件轴向位移，W轴控制工件ESR的位移。对于SPDT本身来说，只负责XZ2轴联动的控制，C轴不直接参与联动，主轴不用分度为常动状态，故没有最快转速0.7rpm的限制，其转速的快慢取决于工件的大小与回转平衡情况。W轴是独立于SPDT机床控制系统的，由FTS模块终端电脑直接控制，其加工方向与机床Z轴一致为主轴轴向运动，与Z轴的定位精度是由C轴在工件外轮廓设立的一个定位点控制，加工速度F_W是根据机床主轴转速和工件ESR来控制的，公式为： 

F_W=ESR*amm/min 

其中a为机床主轴转速。 

从数据的角度来说，FST加工没有工件尺寸的限制，实际上其W轴的位移行程只有±3mm的行程，换言之只能加工ESR≤6mm的工件。这一限制大大缩小了其加工工件的范围，而在ESR6mm范围内与STS相比也仅仅是加工速度高这一优点。 

像图2这个工件ESR达到144mm，根据上面计算实际不可能用STS加工而要用FTS加工，其ESR必须缩小到6mm之内。 

二、确定待加工工件的面型矢高平衡点并计算出其最佳倾斜角度： 

1、确定其面型矢高平衡点 

如图2所示，该离轴抛物面镜的离轴量为258mm，从光学设计的角度，离轴量的定义是该离轴抛物面镜的中心点与该抛物面顶点之间的径向距离。也就是说离轴抛物面的中心点在表达式中的坐标为0,-258,37.187(X,Y,Z)，如图3所示。 

由于该离轴抛物面的外部沦落为一个直径500mm的整圆，所以该圆的圆心也就是面型矢高平衡点。将矢高平衡点设为坐标系原点进行坐标转换后，该面型表达式变更为： 

$Z=\frac{{(X-{X_0}^2+(Y-Y_0))}^2}{1790}-Z_0(-250-X_0\≤X\≥250)(-250+Y_0\≤Y\≥250+Y_0)$

其中X₀Y₀Z₀为离轴抛物面的中心点在原始表达式中的坐标0,-258,37.187将具体坐标带入公式如下： 

$Z=\frac{X^2+{(Y-258)}^2}{1790}-37.187(-250\≤X\≥250)(-250\≤Y\≥250)$

由以上表达式所得出的外轮廓4个象限点的坐标分别为： 

（0,250,-37.15124581）、（250,0,34.9157933）、（0,-250,106.9828324）和 （-250,0,34.9157933）； 

2、计算出工件最佳倾斜角度 

作为整圆工件的ESR，一般都在4个象限点中的最大值和最小值之间的差值。只有将工件倾斜才能使得ESR值变小。而倾斜角度的取值根据方程来倒推。从方程的角度来说，需要复合2个倾斜角度，即X和Y两个方向。推导公式： 

$Z=\frac{X^2+{(Y-258)}^2}{1790}-37.187+\mathrm{JX}+\mathrm{KY}(-250\≤X\≥250)(-250\≤Y\≥250)$

其中：J为工件X方向的倾斜率，K为Y方向的倾斜率，由于图2离轴抛物面镜为单方向离轴，X方向还是对称面型，故X方向无倾斜，则J值为0。理想状态下K值的取值原则应为： 

${\mathrm{KY}}_{\max }=\frac{\mathrm{ESR}}{2}$

即： 

$K=\frac{\mathrm{ESR}}{2Y_{\max }}$

将之前得出ESR=144.134mmY_max=250mm带入公式： 

$K=\frac{144.134}{2*250}$

由此得出K值为0.28825706； 

当K值求出后，Y方向的倾斜角度为： 

β=ATAN K 

由此得出：Y方向的倾斜角度β=16.08° 

三、设计、加工一块与倾斜平衡角度相同的倾斜基准板和定位夹持夹具： 

1、设计定位机构。 

在工件底部打3个销孔用来插放销钉。根据步骤一中得出的倾斜平衡点的具体坐标方位为工件外圆中心，以此点作为销钉基圆的圆心，具体位置如图4所示。 

2、制作一个根据步骤二中得出的倾斜角度的相符的倾斜基准板和与机床主轴相连接的底座： 

基准板和机床主轴链接底座采用一体式加工类似于法兰盘式加工。工件顶部为斜面基准板部分为一个角度与倾斜角度相同的倾斜平面。下面部分为与机床主轴链接板。其螺纹孔分布必须与所要加工的机床主轴孔相一直才能起到连接作用。 

具体的加工精度和公差等级，根据所要加工工件的实际面型与装配精度而定，精度要求越高倾斜基准板的角度、平面度、定位销孔的位置度、尺寸精度要求越高。 

四、根据具体加工工件面型轮廓制定加工参数：加工刀具选择、进给率、主轴转速、加工深度； 

1、加工刀具的选择。 

一般SPDT使用的刀具为天然单晶金刚石，该类刀具轮廓参数主要有2个参数：刀具圆弧值（R）和刀具圆弧张角（θ）。精度参数主要有刀具刃口表面轮廓度（PV），一般来说，相同加工参数刀具，圆弧值越大加工工件的表面质量越好且更耐磨。由于加工的工件口径较大致使整个加工行程较大，所以选择使用R为1mm的金刚石刀具。刀具张角（θ）的选择取决于所要加工表面的陡度(slope)，该离轴抛物面镜在倾斜后的陡度为15.323°，则选择张角为50°的金刚石刀具。一般来说刀具刃口表面轮廓度PV的精度越高加工出工件的PV也越高，理论上刀具有效刃口的PV≤所要加工出工件表面的PV。我们选择的刀具PV为0.3μm，如图6所示。 

2、切削进给率、主轴转速、加工深度的选择： 

理论上来说天然单晶金刚石加工工件的表面粗糙度和面型轮廓精度与切削进给率F、主轴转速A和刀具圆弧值R的大小有关，具体公式如下： 

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{rms}}\≅\frac{{\left(\frac{F}{A}\right)}^2}{R}$

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{rms}}\≅0.03738\mathrm{PV}$

具体加工大口径且非对称工件的动平衡控制将非常难，一般主轴转速在200rpm～500rpm之间，具体看动平衡调解情况。而切削进给率为了保证生产效率则随着粗-半精-精加工依次递减。加工深度一般取决于刀具圆弧值和圆弧张角，如果超过其最大加工深度将不是圆弧刃切削工件造成，侧刃干涉工件表面质量将大大下降，轮廓度也无法保证。加工深度的具体公式如下: 

D_max=R(1-cosθ) 

其中，θ为刀具张角 

将实际数值带入公式： 

D_max=1mm*(1-cos50°) 

根据选择的刀具最大加工深度不能超过-0.3572124mm，为了保证生产效率则随着粗- 半精-精加工依次递减。 

五、根据具体加工面型和倾斜后面型具体情况，确定工件原始坐标系和工件倾斜坐标系 

1、原始坐标系和工件倾斜坐标系之间基准点的确定： 

由于之前公式的计算已将表达式原点设在倾斜平衡点上，从物理的角度来说该离轴抛物面镜是绕着倾斜平衡点做角度为16.08°的旋转运动。故2个坐标系的原点不曾发生改变可作为基准点。根据步骤一中所得到的2个方程： 

原始坐标系方程： 

$Z=\frac{X^2+{(Y-258)}^2}{1790}-37.187(-250\≤X\≥250)(-250\≤Y\≥250)$

倾斜坐标系方程： 

2、根据方程生成数据： 

分别将2个坐标系作矩阵数列运算，数据精度主要取决于加工工件的面型精度要求。图7是由2个面的数据点形成的点阵面型图。 

六、通过二个坐标系的转换和具体加工设备的加工坐标系编写加工程序与程序校验，并进行实际加工。 

1、将数据导入加工软件 

将倾斜后的坐标点数据导入DIFFSYS3.4专业光学编程软件，对该工件进行程序绘制和数据校验； 

2、分配加工程序数据精度 

根据所选加工刀具分别编写粗、半精、精加工程序，数据精度依次增密； 

3、对于加工程序进行模拟仿真校验。 

利用DIFFSYS3.4的后处理加工仿真模块校验所编程序。图8为加工仿真截图。 

4、对工件进行加工 

根据加工刀路程序、加工工艺参数加工工件；我们采用的是美国摩尔公司的Nanoth350SPDT机床和相应配套的快刀伺服位移加工模块加工该离轴抛物面镜。 

Claims (1)

1.一种单点金刚石车床用快刀伺服加工非对称大矢高落差工件的方法，其特征在于，该方法是利用倾斜工件的加工方法，包括下列步骤：

①计算待加工工件的面型轮廓并进行加工分析：

②找出待加工工件的面型矢高平衡点和最佳倾斜角度：所述的最佳倾斜角度是在所述的待加工工件的面型矢高平衡点倾斜工件表面具有矢高落差最小的角度；

③设计、制作一块与待加工工件的倾斜平衡角度相同的倾斜基准板和定位夹持夹具；

④根据待加工工件的面型轮廓制定加工参数：加工刀具选择、切削进给率、主轴转速和加工深度；

⑤根据待加工工件的面型和倾斜后面型，确定工件原始坐标系和工件倾斜坐标系；

⑥通过二个坐标系的转换和具体加工设备的加工坐标系编写加工程序，程序校验符合要求后，将待加工工件通过所述的倾斜基准板和定位夹持夹具置于单点金刚石车床上，启动单点金刚石车床，对待加工工件进行加工。

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