CN106625036B - 回转轴对称连续表面树脂基金刚石砂轮超精密磨削方法 - Google Patents

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Abstract

回转轴对称连续表面树脂基金刚石砂轮超精密磨削方法，本发明涉及超硬磨料砂轮超精密磨削方法，本发明是为了获得超光滑光学表面质量，在磨削之前及加工过程中对砂轮进行整形和俢锐，并在磨削过程中进行刀具轨迹补偿，步骤一：单点金刚石修整器和Al2O3棒对金刚石砂轮修整，步骤二：采用MATLAB软件生成所需加工的回转轴对称连续表面的横截面轮廓数据点，然后采用精密磨床刀具轨迹生成系统生成砂轮运动轨迹，步骤三：优化加工，步骤四：改善工件面形精度，本发明用于金刚石砂轮超精密磨削领域。

Description

回转轴对称连续表面树脂基金刚石砂轮超精密磨削方法
技术领域
本发明涉及超硬磨料砂轮超精密磨削方法，具体涉及回转轴对称连续表面树脂基金刚石砂轮超精密磨削方法。
背景技术
在不同的工业领域内，如光学制造，化学及机械工程等领域，光学表面可以用于传输能量和信号。硬脆材料正不断代替传统的模具钢、铝及铜材料应用于制造光学模具中，以满足大批量生产时玻璃模压工艺对模具耐高温和高机械性能的要求。到目前为止，超精密磨削仍然是加工硬脆材料的最主要方法之一。超精密磨削加工过程中，金刚石砂轮的磨损以及不同的误差都将影响加工表面的形状精度，因而砂轮的在位修整及刀具轨迹补偿十分必要。根据文献，砂轮的外形宏观磨损主要包括形状偏差、圆度误差及砂轮钝化，而金刚石磨粒磨损则分为顶部磨平、磨粒破碎及脱落。在超精密磨削加工硬脆材料时，砂轮的微观磨损对工件表面完整性、形状精度、纳米级表面生成具有重要影响。因此，为了获得超光滑光学表面质量，在磨削之前及加工过程中对砂轮进行整形和俢锐十分必要。
平行磨削法已广泛应用于加工球面、非球面及回转对称结构表面。但是该方法所能够加工的零件尺寸仍具有一定限制。作为加工硬脆材料的有效方法之一，Oliveira等认为超精密磨削在工业生产中的一大挑战就是直接加工出能够满足实际使用需求的功能表面，这通常要求工件表面粗糙度Ra<10nm，面形精度PV<1μm，并且还需克服工件尺寸限制。Yamamoto等为了加工大深径比的球面和非球面开发了法向磨削加工(Wheel NormalGrinding)技术，该方法采用尖锐金刚石砂轮边缘与工件的单点接触进行加工，可以有效避免砂轮的磨损及形状误差被引入到工件表面。作为一种特殊的平行磨削工艺，单点金刚石法向磨削不断被用于在硬脆材料表面加工球面和非球面元件。它可以克服砂轮的磨损对工件面形精度的影响。
采用单点金刚石法向磨削方法加工微结构功能表面时，首先需要结合所要加工的表面结构尺寸，正确的选择砂轮型号及尺寸并对其进行精密修整，这也是实现对硬脆材料功能表面进行超精密磨削加工的必要条件。此外，砂轮的磨损及不同的误差源，包括准静态和动态误差，都将降低磨削表面的面形精度。因而，加工过程中需要同时对误差引起刀具轨迹偏差和砂轮磨损导致的工件尺寸偏差进行补偿。例如，Huang等采用沿磨削表面法向的残余误差进行刀具轨迹补偿的方法，有效减小了砂轮形状对非球面工件的形状精度的影响。Chen和Yin等分析了单点金刚石斜轴纳米磨削时的误差产生原因，经过误差补偿成功制备出微小型非球面模芯。
发明内容
本发明是为了获得超光滑光学表面质量，在磨削之前及加工过程中对砂轮进行整形和俢锐，并在磨削过程中进行刀具轨迹补偿，进而提供回转轴对称连续表面树脂基金刚石砂轮超精密磨削方法。
本发明为解决上述问题而采用的技术方案是：
步骤一：单点金刚石修整器和Al2O3棒对树脂基金刚石砂轮修整:将单点金刚石修整器和树脂基金刚石砂轮安转在精密磨床上，先通过单点金刚石修整器对树脂基金刚石砂轮边缘面进行精密整形获得具有特定夹角的尖锐边缘，再将Al2O3棒安装在单点金刚石修整器处，使用Al2O3棒对树脂基金刚石砂轮尖角边缘进行精密修整：树脂基金刚石砂轮的进给通过精密磨床的X轴控制，修整深度采用精密磨床的Z轴控制,所使用的砂轮为1500号树脂结合剂的树脂基金刚石砂轮，金刚石修整器的转速为300RPM，树脂基金刚石砂轮转速为2000RPM，进给速率为0.5mm/min，修整深度为5μm/pass。修整后的树脂基金刚石砂轮边缘的截面为具有一定圆弧的尖锐‘V’字形；
步骤二：采用MATLAB软件生成所需加工的回转轴对称连续表面的横截面轮廓数据点，然后采用精密磨床刀具轨迹生成系统生成树脂基金刚石砂轮运动轨迹：树脂基金刚石砂轮的进给通过精密磨床的X轴控制，磨削深度采用精密磨床的Z轴控制，通过精密磨床的B轴控制树脂基金刚石砂轮中心线与回转对称连续表面磨削点切线垂直，以降低树脂基金刚石砂轮磨损对面形精度的影响，树脂基金刚石砂轮的转速为20000RPM，工件转速为120RPM；
步骤三：优化加工：通过组合树脂基金刚石砂轮的进给速率和磨削深度，其中进给速率依次采用3-0.5-0.1mm/min，相应的磨削深度依次为2-0.5-0.1μm/pass，分阶段对硬脆材料进行磨削加工，改善磨削加工回转对称连续表面的效率及表面粗糙度。
步骤四：改善工件面形精度：步骤三中采用在位测量技术，结合树脂基金刚石砂轮的运动轨迹规划，改善工件中心的面形精度，根据在位测量结果，在离工件中心一定距离处，采用线性插补法对刀具的运动轨迹进行补偿，缓慢改变树脂基金刚石砂轮的轨迹，调整树脂基金刚石砂轮与工件表面的相对位置，减少工件中心的材料去除，从而改善工件面形精度。
附图说明
图1是V形树脂基金刚石砂轮尖锐边缘修整示意图，单点金刚石修整器整形所获得‘V’字形树脂基金刚石砂轮尖锐边缘1、Al2O3棒修整后所获得V形金刚石砂轮圆弧边缘2，图2是回转轴对称连续表面超精密磨削示意图，图中树脂基金刚石砂轮进给方向3、回转轴对称连表面轮廓4、树脂基金刚石磨削位置5、B轴回转控制6、树脂基金刚石磨削位置7，图3是改善工件中心面型精度刀具轨迹补偿方法示意图,工件中心处刀具理论轨迹8、工件中心处刀具线性补偿后轨迹9、对树脂基金刚石砂轮轨迹进行线性补偿起始位置10。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式所述回转轴对称连续表面树脂基金刚石砂轮超精密磨削方法，所述方法是按照以下步骤实现的，步骤一：单点金刚石修整器和Al2O3棒对树脂基金刚石砂轮修整:将单点金刚石修整器和树脂基金刚石砂轮安转在精密磨床上，先通过单点金刚石修整器对树脂基金刚石砂轮边缘面进行精密整形获得具有特定夹角的尖锐边缘，再将Al2O3棒安装在单点金刚石修整器处，使用Al2O3棒对树脂基金刚石砂轮尖角边缘进行精密修整：树脂基金刚石砂轮的进给通过精密磨床的X轴控制，修整深度采用精密磨床的Z轴控制,所使用的砂轮为1500号树脂结合剂的树脂基金刚石砂轮，金刚石修整器的转速为300RPM，树脂基金刚石砂轮转速为2000RPM，进给速率为0.5mm/min，修整深度为5μm/pass。修整后的树脂基金刚石砂轮边缘的截面为具有一定圆弧的尖锐‘V’字形；
步骤二：采用MATLAB软件生成所需加工的回转轴对称连续表面的横截面轮廓数据点，然后采用精密磨床刀具轨迹生成系统生成树脂基金刚石砂轮运动轨迹：树脂基金刚石砂轮的进给通过精密磨床的X轴控制，磨削深度采用精密磨床的Z轴控制，通过精密磨床的B轴控制树脂基金刚石砂轮中心线与回转对称连续表面磨削点切线垂直，以降低树脂基金刚石砂轮磨损对面形精度的影响，树脂基金刚石砂轮的转速为20000RPM，工件转速为120RPM；
步骤三：优化加工：通过组合树脂基金刚石砂轮的进给速率和磨削深度，其中进给速率依次采用3-0.5-0.1mm/min，相应的磨削深度依次为2-0.5-0.1μm/pass，分阶段对硬脆材料进行磨削加工，改善磨削加工回转对称连续表面的效率及表面粗糙度。
步骤四：改善工件面形精度：步骤三中采用在位测量技术，结合树脂基金刚石砂轮的运动轨迹规划，改善工件中心的面形精度，根据在位测量结果，在离工件中心一定距离处，采用线性插补法对刀具的运动轨迹进行补偿，缓慢改变树脂基金刚石砂轮的轨迹，调整树脂基金刚石砂轮与工件表面的相对位置，减少工件中心的材料去除，从而改善工件面形精度。
具体实施方式二：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式所述回转轴对称连续表面树脂基金刚石砂轮超精密磨削方法，步骤三中改善工件面形精度时对刀具轨迹和树脂基金刚石砂轮磨损进行主动补偿，其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式所述回转轴对称连续表面树脂基金刚石砂轮超精密磨削方法，树脂基金刚石砂轮的直径为20mm，且通过修整获得具有特定角度的‘V’形边缘。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式所述回转轴对称连续表面树脂基金刚石砂轮超精密磨削方法，通过精密磨床的B轴控制树脂基金刚石砂轮的截面中心线始终与磨削点切线垂直，以降低树脂基金刚石砂轮磨损的影响，其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式所述回转轴对称连续表面树脂基金刚石砂轮超精密磨削方法，步骤二中采用差动变压器LVDT对加工表面进行在位测量，根据树脂基金刚石砂轮的运动轨迹规划改善工件中心的面形精度，根据在位测量结果，在距离工件中心2mm处，采用线性插补法，缓慢改变树脂基金刚石砂轮的运动轨迹，调整树脂基金刚石砂轮与工件表面的相对位置，减少工件中心的材料去除，从而改善工件面形精度，其它与具体实施方式一相同。

Claims (5)

1.回转轴对称连续表面树脂基金刚石砂轮超精密磨削方法，其特征在于：所述方法是按照以下步骤实现的：
步骤一：单点金刚石修整器和Al2O3棒对树脂基金刚石砂轮修整:将单点金刚石修整器和树脂基金刚石砂轮安转在精密磨床上，先通过单点金刚石修整器对树脂基金刚石砂轮边缘面进行精密整形获得具有特定夹角的尖锐边缘，再将Al2O3棒安装在单点金刚石修整器处，使用Al2O3棒对树脂基金刚石砂轮尖角边缘进行精密修整：树脂基金刚石砂轮的进给通过精密磨床的X轴控制，修整深度采用精密磨床的Z轴控制,所使用的树脂基金刚石砂轮为1500号树脂结合剂的树脂基金刚石砂轮，金刚石修整器的转速为300RPM，树脂基金刚石砂轮转速为2000RPM，进给速率为0.5mm/min，修整深度为5μm/pass，修整后的树脂基金刚石砂轮边缘的截面为具有一定圆弧的尖锐‘V’字形；
步骤二：采用MATLAB软件生成所需加工的回转轴对称连续表面的横截面轮廓数据点，然后采用精密磨床刀具轨迹生成系统生成树脂基金刚石砂轮运动轨迹：树脂基金刚石砂轮的进给通过精密磨床的X轴控制，磨削深度采用精密磨床的Z轴控制，通过精密磨床的B轴控制树脂基金刚石砂轮中心线与回转对称连续表面磨削点切线垂直，以降低树脂基金刚石砂轮磨损对面形精度的影响，树脂基金刚石砂轮的转速为20000RPM，工件转速为120RPM；
步骤三：优化加工：通过组合树脂基金刚石砂轮的进给速率和磨削深度，其中进给速率依次采用3-0.5-0.1mm/min，相应的磨削深度依次为2-0.5-0.1μm/pass，分阶段对硬脆材料进行磨削加工，改善磨削加工回转对称连续表面的效率及表面粗糙度；
步骤四：改善工件面形精度：步骤三中采用在位测量技术，结合树脂基金刚石砂轮的运动轨迹规划，改善工件中心的面形精度，根据在位测量结果，在离工件中心一定距离处，采用线性插补法对刀具的运动轨迹进行补偿，缓慢改变树脂基金刚石砂轮的轨迹，调整树脂基金刚石砂轮与工件表面的相对位置，减少工件中心的材料去除，从而改善工件面形精度。
2.根据权利要求1所述回转轴对称连续表面树脂基金刚石砂轮超精密磨削方法，其特征在于：步骤三中改善工件面形精度时对刀具轨迹和树脂基金刚石砂轮磨损进行主动补偿。
3.根据权利要求1所述回转轴对称连续表面树脂基金刚石砂轮超精密磨削方法，其特征在于：树脂基金刚石砂轮的直径为20mm，且通过修整获得具有特定角度的‘V’形边缘。
4.根据权利要求1所述回转轴对称连续表面树脂基金刚石砂轮超精密磨削方法，其特征在于：通过精密磨床的B轴控制树脂基金刚石砂轮的截面中心线始终与磨削点切线垂直。
5.根据权利要求1所述回转轴对称连续表面树脂基金刚石砂轮超精密磨削方法，其特征在于：步骤二中采用差动变压器LVDT对加工表面进行在位测量，根据树脂基金刚石砂轮的运动轨迹规划改善工件中心的面形精度，根据在位测量结果，在距离工件中心2mm处，采用线性插补法，缓慢改变树脂基金刚石砂轮的运动轨迹，调整树脂基金刚石砂轮与工件表面的相对位置改善工件面形精度。
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