CN105234429A - 一种等刀纹间距恒线速度单点金刚石车削方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等刀纹间距恒线速度单点金刚石车削方法，包括以下步骤：采用等刀纹间距方式，以得到预设要求表面粗糙度的加工参数车削红外材料表面，应用表面微观形貌测试设备测试各个环带的表面粗糙度微观形貌，找出粗糙度最小的环带，记录刀纹间距并计算该位置的线速度值V_r，保存该线速度值作为最优线速度值；以得到的最优线速度值V_r为基础，匹配对应的工件转速和刀具进给速度，设定在等刀纹间距f_r的前提下，以恒线速度V_r切削，计算得到每个环带的实际加工参数；以计算得到的实际加工参数为依据，由机床代码转换程序生成单点金刚石车削程序代码，在金刚石车床上实施加工。本发明通用性强，易于实现，操作简单方便。

Description

一种等刀纹间距恒线速度单点金刚石车削方法

技术领域

本发明属于微纳加工与超精密加工领域，涉及一种等刀纹间距恒线速度单点金刚石车削方法。

背景技术

由于具备高效制造平面、球面、非球面和自由曲面等多种类型表面，并能够获得纳米级表面粗糙度和亚微米级面形精度的加工精度等优点，单点金刚石车削技术已经广泛应用于光学表面以及其它的超精密加工领域，尤其是在红外光学零件加工方面，已经成为不可或缺的技术之一。

单点金刚石车削表面的面形精度往往依靠机床本身精度保证，而表面粗糙度等微观形貌除依赖机床精度外，更取决于实际切削参数。基于此，依据单点金刚石车削材料去除机理，科研人员建立了单点金刚石车削粗糙度理论模型，表明在刀具参数固定的情况下，被车削表面的表面粗糙度只与刀纹间距fr(每转进给量，FederateperRevolution)有关，遵循此原则，在红外光学零件单点金刚石车削过程中一直采用等刀纹间距的车削方式，即车削过程中保持工件的转速恒定，同时保持刀具进给速度恒定，由此来获得恒定的fr，以期得到均匀的表面粗糙度。但是在实际加工过程中，被加工表面的粗糙度还与被加工材料特性、车削速度等有很大关系，尤其是对硬脆的红外晶体材料来说，因零件车削速度的差异，往往导致工件表面各个环带的粗糙度不尽相同，影响到光学零件的表面质量，很难满足高精度光学系统的需求。

如何合理的设置车削参数，以获得粗糙度指标等微观形貌均匀的表面质量，已成为红外光学零件车削过程中的关键技术之一。因此，有必要开发一种简单有效地，能够获得均匀表面质量的红外材料单点金刚石车削方法。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：提供一种红外光学零件等刀纹间距恒线速度单点金刚石车削方法，应用该方法车削红外光学零件，以获得粗糙度指标等微观形貌更为均匀的表面质量。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种等刀纹间距恒线速度单点金刚石车削方法，其包括以下步骤：

步骤a：采用等刀纹间距方式，以得到预设要求表面粗糙度的加工参数车削红外材料表面，应用表面微观形貌测试设备测试各个环带的表面粗糙度微观形貌，找出粗糙度最小的环带，记录刀纹间距并计算该位置的线速度值V_r，保存该线速度值作为最优线速度值；

步骤b：以得到的最优线速度值V_r为基础，匹配对应的工件转速和刀具进给速度，设定在等刀纹间距f_r的前提下，以恒线速度V_r切削，计算得到每个环带的实际加工参数；

步骤c：以计算得到的实际加工参数为依据，由机床代码转换程序生成单点金刚石车削程序代码，在金刚石车床上实施加工。

其中，所述步骤b中，最优线速度值V_r、工件转速和刀具进给速度之间的关系满足：

$V_r=\sqrt{V^2+F^2},$ V＝ωR

其中，ω为工件转速，R为环带半径，V为R环带线速度，F为刀具进给速度。

进一步地，所采用的表面微观形貌测试设备为轮廓仪或者白光干涉仪等测试设备。

其中，所述步骤b中，实际加工参数的计算过程为：

以步骤a中得到的最优线速度值V_r为基础，设置理论计算的边界条件为

匹配工件转速和刀具进给速度，得到各个环带r上的工件转速ω_r和刀具进给速度F_r为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_r=V_r/\sqrt{f_r^2+r^2}\\ F_r=f_{r}Vr/\sqrt{f_r^2+r^2}\end{array}\right.$

同时，工件的最高转速ω_max需满足ω_max≤ω_max0，ω_max0为机床允许的最高转速ω_max0。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的等刀纹间距恒线速度单点金刚石车削方法，在设计车削参数时兼顾了车削刀纹间距和车削速度两重影响被车削表面微观质量的因素，是对现行通用单点金刚石车削方式的一种补充；本发明的车削方法不局限于加工红外材料，也可以推广到其它可以单点金刚石车削的材料，具有较强的通用性；本发明车削方法的计算和编程，在电脑程序上易于实现，无需在单点金刚石车削设备上额外增加硬件设施，对单点金刚石车削设备也没有高性能的特殊要求，操作简单方便。

附图说明

附图1为本发明提到的等刀纹间距恒线速度车削流程图。

附图2为本发明金刚石车削示意图。

附图3为本发明方法中加工参数曲线图，其中图a为工件转速与工件半径的关系图，图b为刀具进给速度与工件半径的关系图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

如图1和图2所示，本发明的红外材料单点金刚石车削过程采用的技术方案包括如下步骤：

步骤a：采用等刀纹间距方式，以能够得到预设要求的小表面粗糙度的加工参数车削红外材料表面，应用轮廓仪或者白光干涉仪测试各个环带的表面粗糙度等微观形貌，找出粗糙度最小的环带，记录刀纹间距并计算该位置的线速度值V_r，保存该线速度值，作为最优线速度值；

步骤b：以得到的最优线速度值V_r为基础，匹配加工参数，主要为工件转速和刀具进给速度，设定在等刀纹间距f_r的前提下，以恒线速度V_r切削，计算得到每个环带的实际加工参数；

步骤c：以计算得到的实际加工参数为依据，由机床代码转换程序生成单点金刚石车削程序代码，在金刚石车床上实施加工。

进一步地，在理论计算和实际编程加工过程中，要考虑所用单点金刚石车床的极限运动参数，工件转速和刀具进给速度均应在各自的极限范围内设置，并依据实际设定最高数值。

下面仅以一块待车削的Ф100mm的CVDZnS平面光学零件为实例，对实现本发明方法具体实施步骤描述如下：

步骤a：通过现有能得到最优表面质量的等刀纹间距方式的参数车削该零件表面，主要的车削参数为，

工件转速ω＝2000rpm，刀具进给速度F＝5mm/min，此时刀纹间距fr＝0.0025mm。

车削完成后，利用表面微观形貌测试设备测试得到最小粗糙度的环带位置，经测量在半径R为35mm左右的环带上表面粗糙度最小。按照速度计算公式，切削速度V_r为刀具进给速度F和R环带线速度V的合成速度，即

$V_r=\sqrt{V^2+F^2}---\left(1\right)$

其中，V＝ωR。

按照式(1)计算，此时的切削速度线速度V_r约为7.3m/s，作为最优线速度值，记录该线速度值和对应的刀纹间距值，作为今后车削该材料时的参考值。

进一步地，所采用的表面微观形貌测试设备为轮廓仪或者白光干涉仪等测试设备。

步骤b：以步骤a中得到的最优线速度值V_r为基础，设置理论计算的边界条件为

匹配工件转速和刀具进给速度等加工参数，得到各个环带r上的工件转速ω_r和刀具进给速度F_r为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_r=V_r/\sqrt{f_r^2+r^2}\\ F_r=f_{r}Vr/\sqrt{f_r^2+r^2}\end{array}\right.---\left(3\right)$

实际计算中，应用理论公式计算出的工件转速ω_r和刀具进给速度F_r会随着r的减小而增大，尤其是工件转速ω_r的数值在工件回转中心区域时将会超出机床允许的最高转速ω_max0，在此区域时，编程限定工件的最高转速为ω_max，满足

ω_max≤ω_max0(4)

在本实施例中，所采用单点金刚石车床的极限转速约为ω_max0＝10000rpm，编程时限定工件的最高转速为ω_max＝9000rpm。

在此区域内，将采用等刀纹间距式车削，加工参数为

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ω}={\mathrm{\ω}}_{\max }\\ F=\mathrm{\ω}fr\end{array}\right.---\left(5\right)$

相应的在此区域内的加工参数为ω＝9000rpm，刀具进给速度F＝22.5mm/min

步骤c：以计算得到的加工参数为依据，通过计算机编程得到具体的加工参数，参数与工件半径的关系如附图3所示，并由机床代码转换程序生成单点金刚石车削程序代码，在金刚石车床上加工零件表面。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种等刀纹间距恒线速度单点金刚石车削方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a：采用等刀纹间距方式，以得到预设要求表面粗糙度的加工参数车削红外材料表面，应用表面微观形貌测试设备测试各个环带的表面粗糙度微观形貌，找出粗糙度最小的环带，记录刀纹间距并计算该位置的线速度值V_r，保存该线速度值作为最优线速度值；

步骤b：以得到的最优线速度值V_r为基础，匹配对应的工件转速和刀具进给速度，设定在等刀纹间距f_r的前提下，以恒线速度V_r切削，计算得到每个环带的实际加工参数；

步骤c：以计算得到的实际加工参数为依据，由机床代码转换程序生成单点金刚石车削程序代码，在金刚石车床上实施加工。

2.如权利要求1所述的等刀纹间距恒线速度单点金刚石车削方法，其特征在于，所述步骤b中，最优线速度值V_r、工件转速和刀具进给速度之间的关系满足：

$V_r=\sqrt{V^2+F^2},V=\mathrm{\ω}R$

其中，ω为工件转速，R为环带半径，V为R环带线速度，F为刀具进给速度。

进一步地，所采用的表面微观形貌测试设备为轮廓仪或者白光干涉仪等测试设备。

3.如权利要求2所述的等刀纹间距恒线速度单点金刚石车削方法，其特征在于，所述步骤b中，实际加工参数的计算过程为：

以步骤a中得到的最优线速度值V_r为基础，设置理论计算的边界条件为

匹配工件转速和刀具进给速度，得到各个环带r上的工件转速ω_r和刀具进给速度F_r为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_r=V_r/\sqrt{{f_r}^2+r^2}\\ F_r=f_{r}Vr/\sqrt{{f_r}^2+r^2}\end{array}\right.$

同时，工件的最高转速ω_max需满足ω_max≤ω_max0，ω_max0为机床允许的最高转速ω_max0。