CN108381331A - 一种平面零件全局修形加工装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面零件全局修形加工装置和方法，所述的装置包括表面车平机构、表面沟槽车削机构和工具盘机构。所述的方法，包括以下步骤：获得完整工具盘下平面零件材料去除率；确定工具盘沟槽参数以及修形加工时间；加工环形沟槽；平面零件修形加工。由于本发明通过采用沟槽工具盘的设计，改变工件表面材料去除率，实现了确定性可控修形，便于实现自动化生产，提高加工效率；由于本发明通过表面车平机构进行工具盘平面加工，提高了工具盘精度，减小了由于工具盘面形精度恶化导致平面零件面形恶化，从而保证了工件加工精度；由于本发明通过采用工件表面实际材料去除率预测，实现了采用符合修形零件材料特性的工具盘，提高加工效率和精度。

Description

一种平面零件全局修形加工装置和方法

技术领域

本发明涉及研磨抛光技术领域，具体涉及一种平面零件全局修形加工装置和方法。

背景技术

高精度平面光学元件是现代光学系统的重要组成部分，其表面加工精度对系统的光束质量具有重要影响。自20世纪90年代以来，先进军事、空间光学系统、激光核聚变以及大型天文望远镜等重要技术的高速发展使光学元件的需求不断增加，并且对该类元件的制造效率提出了更高的要求。因此，研究高精度、高效率的光学表面加工技术对于光学技术的发展具有重要的意义。

传统平面光学元件的加工包括磨削、研磨、抛光和环抛等工艺流程，对于更高精度的平面元件，还需进行逐点可控修形加工，如磁流变加工或离子束加工等。由于每种工艺具有不同的效率和精度特性，可以将多种工艺进行组合来获得所需精度，同时尽量提高加工效率。然而，由于前端研磨、抛光和环抛工艺属于所谓的非确定性加工方法，高度依赖人工经验，加工过程可控性低，使得整个加工过程的效率下降，自动化程度低，难以实现大批量光学元件的稳定高效加工。

理论上，使用一个高面形精度的硬工具盘可以加工出高面形精度的平面零件。然而，对于采用铸铁研磨盘、复合铁盘等工具的研磨工艺，一旦加工时间过长，工具盘的面形会被破坏，从而导致平面零件面形精度恶化。另外，即使加工出满足后续逐点修形加工要求的面形精度，由于硬工具盘研磨加工零件的表面损伤层厚，必须在逐点修形加工前增加抛光工序。而抛光过程采用软垫，在去除平面零件表面损伤层的同时也会导致面形恶化。这是一个非常难以准确控制的过程。沥青盘环抛工艺利用沥青材料的粘弹性特性，可实现工具盘的在线修平，获得很高的平面零件表面平面度。但其材料去除率极低，一般需要和研磨抛光工艺组合实现。如果能够采用软质的工具盘实现材料去除分布特性可控的抛光加工，则可以控制损伤层深度，又可以获得较高的面形精度，最终实现高精度平面元件的高效加工。

传统的环形抛光技术，属于非确定性加工，无法控制平面零件表面材料去除率；对于工具盘磨损问题，无法车平修整，导致平面零件面形精度变差。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能提高修形精度和修形效率的平面零件全局修形加工装置和方法。

为了实现上述目的，本发明的基本思路是：在传统研磨或是抛光机床上增加工具盘表面车平机构和表面沟槽车削机构，通过工具盘表面车平机构和表面沟槽车削机构加工出具有高平面度及沟槽结构的工具盘，而工具盘环形沟槽的数量、位置和尺寸根据待加工平面零件初始形貌设计，进而控制平面零件表面的材料去除率分布函数，由此工具盘对零件进行研磨抛光加工，实现平面零件的全局修形加工。

本发明的技术方案如下：一种平面零件全局修形加工装置，包括表面车平机构、表面沟槽车削机构和工具盘机构，所述的工具盘机构位于表面车平机构和表面沟槽车削机构之间，所述的表面车平机构、表面沟槽车削机构和工具盘机构均固定在基座上；

所述的表面车平机构采用电动推杆控制车刀在工具盘径向方向运动；在电动推杆的端部安装车平竖直手动进给机构和车平车刀；加工前通过车平竖直手动进给机构调节车平车刀在垂直方向的位置并固定，确定修整加工时的车削深度；在工具盘表面车平过程中，工具盘绕其轴线旋转，车平车刀在电动推杆的驱动下在工具盘径向方向做进给运动，以设定的车削深度车削工具盘表面材料，实现工具盘面形的修整。

所述的表面沟槽车削机构通过垂直叠加的车槽水平进给机构和车槽竖直进给机构控制车槽车刀沿工具盘径向进给运动和垂直于工具盘表面Z方向的进给运动；车槽水平进给机构和车槽竖直进给机构由两轴数控系统控制，实现两轴联动，加工出不同截面形状的沟槽结构；在沟槽车削过程中，工具盘绕其轴线旋转，车槽车刀在车槽水平进给机构和车槽竖直进给机构的驱动下沿工具盘径向和垂直于工具盘表面方向做进给运动，实现沟槽的加工。

一种平面零件全局修形加工方法，包括以下步骤：

A、获得完整工具盘下平面零件材料去除率：使用完整工具盘加工平面零件，通过平面零件加工前后表面轮廓差值获得材料去除率分布函数；

B、确定工具盘沟槽参数以及修形加工时间：根据平面零件在修形前的表面轮廓及其在完整工具盘上的去除率函数分布，采用沟槽设计方法确定工具盘沟槽参数以及修形加工时间；

C、加工环形沟槽：采用表面沟槽车削机构加工出设计的环形沟槽结构；

D、平面零件修形加工；采用与完整工具盘同样的工艺参数对平面零件进行修形加工，所述的工艺参数包括平面零件和工具盘各自的转速、抛光液成分、抛光液供应位置、抛光液流速和抛光载荷；

E、测量平面零件表面：加工后测量平面零件面形参数，判断加工结果是否符合要求；如果不符合，转步骤A，直至获得符合要求的高精度平面光学零件的表面。

进一步地，步骤B所述的沟槽设计方法包括以下步骤：

B1、标定Preston系数K(r)：获得平面零件在完整工具盘上加工产生的平面零件表面材料去除率分布函数，标定Preston系数K(r)；

B2、获得沟槽工具盘下平面零件表面材料去除率：基于研磨抛光过程中Preston系数不变的假设，根据平面零件在完整工具盘和沟槽工具盘上压力分布的差异，通过平面零件在完整工具盘上加工得到的平面零件表面材料去除率分布函数计算其在沟槽工具盘上加工得到的平面零件表面材料去除率分布函数；

B3、优化加工时间及面形预测：根据加工前平面零件表面轮廓数据及计算得到的材料去除率，在最少去除余量的目标函数下，优化使用带沟槽工具盘进行修形加工所需的加工时间t，并预测加工后平面零件的表面轮廓；

B4、选取最优结构：通过预测并比较具有不同沟槽形式的工具盘获得的平面零件面形精度，选取最优的沟槽结构参数。

进一步地，步骤B1所述的标定Preston系数K(r)的方法如下：

设：基于普林斯顿方程计算材料去除率模型如下：

MRR(r)＝K(r)·P(r)·V(r)

通过在使用完整工具盘实际加工过程中平面零件表面材料去除分布函数，同时结合加工过程中使用的压力转速工艺参数，获得平面零件径向每一点的普林斯顿系数K(r)，作为沟槽工具盘上平面零件径向上每点的普林斯顿系数K(r)。标定试验中各点的抛光压力P(r)采用平均压力P。加工过程中，工具盘和平面零件的转速保持一致，在这样的条件下计算得到的每个位置平面零件和工具盘的相对运动速度V(r)均相同，其值为V。

步骤B2所述的获得沟槽工具盘下平面零件表面材料去除率的方法如下：

先计算采用沟槽工具盘时的有效接触长度和接触压力；

将整个工具盘表面分成若干个环形区域，其中每个环形区域都设置为沟槽。当工具盘表面任意一个环形区域被设置为沟槽后，平面零件上点与工具盘之间的接触状态发生改变，平面零件表面材料的去除率分布函数也随之发生变化。工具盘径向的第i个沟槽的内外边界的半径分别为R_0i和R_1i，i＝1、2、……、M，M表示工具盘上环形区域被设置为沟槽的数量。

在计算平面零件表面半径为r处的圆周和沟槽抛光垫的有效接触长度时，首先将该圆周等间距地划分N个点，其中第j点在以平面零件中心为原点的极坐标系下的角度坐标θ为2(j-1)π/N，该点距离工具盘中心的距离l按照公式(1)计算：

l²＝e²+r²-2·e·r·cos(π-θ) (1)

其中e表示平面零件中心至工具盘中心的距离。

若R_0i<l<R_1i，第j点在沟槽上方，无有效材料去除。计算得到的所有在沟槽上方的点的数量为N_e。通过N_e和N值计算获得平面零件上半径为r的圆周与沟槽抛光垫的有效接触周长百分比α(r)，如式(2)所示。

所以平面零件表面半径为r的圆周与沟槽工具盘的有效接触长度为

L_e＝2πrα(r)

通过平面零件和沟槽工具盘的有效接触长度计算得到的两者间的有效接触面积，进而计算出平均接触压力P_g：

其中F_g为平面零件受到的总的下压力，R_w为平面零件半径。

再计算使用沟槽工具盘加工得到的平面零件材料去除率；

通过式(4)计算得到沟槽工具盘的平面零件材料去除率：

步骤B3所述的优化加工时间及面形预测的方法如下：

根据沟槽工具盘得到的平面零件材料去除率优化时间t并预测加工后的平面零件面形函数H(r)；

根据使用沟槽工具盘得到的平面零件材料去除率，以加工后平面零件面形精度最优为目标进行优化设计，选择合适的加工时间t。根据平面零件加工前的原始面形函数h(r)得到修形过程的最小去除余量HR，如式(5)所示。

HR＝max(h(r))-min(h(r)) (5)

在实际加工中理想去除余量HRO是在最小去除余量HR与一个常数K的和，即HRO＝HR+K，满足这个条件才能保证良好的修形效果。因此，需要优化加工时间t使得平面零件表面各点处材料去除量与理想去除余量HRO之间的差值的绝对值的和最小，采用的优化目标函数f(x)如式(6)所示。

其中x＝[x₁,x₂]，x₁为加工时间t，x₂为常数K。优化过程的约束条件为x₁>0，x₂>0。

通过优化得到的加工时间为t，加工后平面零件的面形函数H(r)由式(7)计算。

H(r)＝h(r)-MRR(r)·t (7)

步骤B4所述的选取最优结构的方法如下：将工具盘划分为若干个环形区域，计算若干环形区域中的1-3个环形区域作为沟槽区的所有组合情况，获得最优面形的沟槽结构。

根据式(1)-(3)计算工具盘上分别设计1-3个环形沟槽三种情况下的工具盘得到的面形函数H(r)。根据预测得到的H(r)计算面形函数的PV值即峰谷值得到加工面形的平面度，取三种情况中平面度最小的一种沟槽形式作为最优工具盘沟槽形式并用于全局修形加工。

进一步地，所述的若干个环形区域为5-20个环形区域。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、由于本发明通过采用沟槽工具盘的设计，改变工件表面材料去除率，实现了确定性可控修形，便于实现自动化生产，提高加工效率；

2、由于本发明通过表面车平机构进行工具盘平面加工，提高了工具盘精度，减小了由于工具盘面形精度恶化导致平面零件面形恶化，从而保证了工件加工精度；

3、由于本发明通过采用工件表面实际材料去除率预测，实现了采用符合修形零件材料特性的工具盘，提高加工效率和精度。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图。

图2是图1的轴测图。

图3是工具盘机构示意图。

图4是修形加工流程图。

图中：1、表面车平机构，2、表面沟槽车削机构，3、工具盘机构，4、基座，11、电动推杆，12、车平竖直手动进给机构，13、车平车刀，21、车槽水平进给机构，22、车槽竖直进给机构，23、车槽车刀，31、工具盘底座，32、工具盘，33、工件夹持器，34、平面零件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方法对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种平面零件34全局修形加工装置和方法，能够实现平面零件34的确定性修形加工。本发明首先通过表面车平机构1获得高精度的完整工具盘表面。通过使用完整工具盘对平面零件34进行抛光加工，可以获得平面零件34在完整工具盘上的实际加工材料去除率，根据该去除率可以设计工具盘32表面环形沟槽参数和获得预测加工时间，并预测对应的材料去除率以及加工后的平面零件34面形。使用工具盘32沟槽车削机构可以在工具盘32表面加工出优化的沟槽结构，并对平面零件34进行修形加工，获得高精度的平面零件34面形。

如图1-2所示，本发明的修形装置包括表面车平机构1、表面沟槽车削机构2和工具盘机构3，加工时工件夹持器33向下运动，使得待修形平面零件34与工具盘32接触，并保持恒定的接触压力；表面车平机构1安装在基座4上，车平车刀13在电动推杆11的控制下沿工具盘32径向做水平进给运动，车平车刀13竖直方向位置由车平竖直手动进给机构12确定，并调整车平车刀13在垂直工具盘32方向的位置，以确定车平修整切深量；表面沟槽车削机构2安装在基座4上，其车槽水平进给机构21控制车槽车刀23沿工具盘32径向的水平进给运动，在车槽水平进给机构21上安装有车槽竖直进给机构22，车槽竖直进给机构22控制车槽车刀23在垂直于工具盘32表面方向的运动，用于车槽车刀23在车槽水平进给机构21和车槽竖直进给机构22的控制下可以进行两个方向的联动。

图3所示为工具盘机构3示意图，工具盘机构3包括：由电机驱动旋转的工具盘底座31、安装在在工具盘底座31上的工具盘32、位于工具盘32上方的由电机驱动旋转的工件夹持器33、以及安放在工件夹持器33下的待修形平面零件34，待修形平面零件34随着工件夹持器33旋转；加工时待修形平面零件34与工具盘32保持恒定接触，从而对平面零件34修形加工。

图4所示为修形流程图，主要包括以下步骤：

步骤1：通过平面零件34材料去除率以及零件表面形貌轮廓值，获得工具盘32沟槽加工参数，修形装置加工沟槽，进行平面零件34修形加工；

步骤2：判断是否满足加工精度要求，满足，则停止加工；

步骤3：不满足，继续循环步骤1。

根据本发明的实施案例，待加工平面零件34为直径为Φ100mm的平面零件34，以及Φ380mm工具盘32。

如图3所示，本发明的实施案例的具体过程如下：

1、将工具盘32安装在直径为380mm的工具盘底座31上，将工具盘底座31安装到修形装置的主轴上，采用表面车平机构1进行完整工具盘表面加工。

2、使用平面度测量仪器测量待修形平面零件34的表面形貌。在完整工具盘上对平面零件34进行抛光加工。使用平面度测量仪器测量加工后平面零件34的表面形貌。根据平面零件34在加工前和加工后的表面形貌，计算由完整工具盘得到的平面零件34的材料去除率。通过平面零件34的在完整工具盘上加工的材料去除率，以及现有平面零件34的表面形貌，使用沟槽设计模型进行沟槽结构的优化设计，获得待加工沟槽工具盘的沟槽参数。

3、使用表面沟槽车削机构2按照沟槽设计参数在工具盘32表面加工出沟槽结构。工具盘32获得沟槽结构加工流程如下：修形装置主轴电机驱动工具盘32旋转，通过表面车平机构1的电动推杆11沿工具盘32径向进刀，车平工具盘32表面；通过表面沟槽车削机构2的车槽竖直进给机构22调整车刀在垂直于工具盘32表面方向的位置，确定车削深度。然后，车槽车刀23在车槽水平进给机构21的驱动下沿工具盘32径向运动，与此同时工具盘32绕其中心轴线旋转，车槽车刀23相对于工具盘32进行螺旋运动，加工出设计沟槽结构。

4、使用获得的沟槽工具盘对平面零件34进行修形加工，按照修形加工流程图4，最终实现平面零件34高效率加工，获得高精度修形平面零件34表面。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种平面零件全局修形加工装置，其特征在于：包括表面车平机构(1)、表面沟槽车削机构(2)和工具盘机构(3)，所述的工具盘机构(3)位于表面车平机构(1)和表面沟槽车削机构(2)之间，所述的表面车平机构(1)、表面沟槽车削机构(2)和工具盘机构(3)均固定在基座(4)上；

所述的表面车平机构(1)采用电动推杆(11)控制车刀在工具盘(32)径向方向运动；在电动推杆(11)的端部安装车平竖直手动进给机构(12)和车平车刀(13)；加工前通过车平竖直手动进给机构(12)调节车平车刀(13)在垂直方向的位置并固定，确定修整加工时的车削深度；在工具盘(32)表面车平过程中，工具盘(32)绕其轴线旋转，车平车刀(13)在电动推杆(11)的驱动下在工具盘(32)径向方向做进给运动，以设定的车削深度车削工具盘(32)表面材料，实现工具盘(32)面形的修整；

所述的表面沟槽车削机构(2)通过垂直叠加的车槽水平进给机构(21)和车槽竖直进给机构(22)控制车槽车刀(23)沿工具盘(32)径向进给运动和垂直于工具盘(32)表面Z方向的进给运动；车槽水平进给机构(21)和车槽竖直进给机构(22)由两轴数控系统控制，实现两轴联动，加工出不同截面形状的沟槽结构；在沟槽车削过程中，工具盘(32)绕其轴线旋转，车槽车刀(23)在车槽水平进给机构(21)和车槽竖直进给机构(22)的驱动下沿工具盘(32)径向和垂直于工具盘(32)表面方向做进给运动，实现沟槽的加工。

2.一种平面零件全局修形加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、获得完整工具盘下平面零件(34)材料去除率：使用完整工具盘加工平面零件(34)，通过平面零件(34)加工前后表面轮廓差值获得材料去除率分布函数；

B、确定工具盘(32)沟槽参数以及修形加工时间：根据平面零件(34)在修形前的表面轮廓及其在完整工具盘上的去除率函数分布，采用沟槽设计方法确定工具盘(32)沟槽参数以及修形加工时间；

C、加工环形沟槽：采用表面沟槽车削机构(2)加工出设计的环形沟槽结构；

D、平面零件(34)修形加工；采用与完整工具盘同样的工艺参数对平面零件(34)进行修形加工，所述的工艺参数包括平面零件(34)和工具盘(32)各自的转速、抛光液成分、抛光液供应位置、抛光液流速和抛光载荷；

E、测量平面零件(34)表面：加工后测量平面零件(34)面形参数，判断加工结果是否符合要求；如果不符合，转步骤A，直至获得符合要求的高精度平面光学零件的表面。

3.根据权利要求1所述的一种平面零件全局修形加工方法，其特征在于：步骤B所述的沟槽设计方法包括以下步骤：

B1、标定Preston系数K(r)：获得平面零件(34)在完整工具盘上加工产生的平面零件(34)表面材料去除率分布函数，标定Preston系数K(r)；

B2、获得沟槽工具盘下平面零件(34)表面材料去除率：基于研磨抛光过程中Preston系数不变的假设，根据平面零件(34)在完整工具盘和沟槽工具盘上压力分布的差异，通过平面零件(34)在完整工具盘上加工得到的平面零件(34)表面材料去除率分布函数计算其在沟槽工具盘上加工得到的平面零件(34)表面材料去除率分布函数；

B3、优化加工时间及面形预测：根据加工前平面零件(34)表面轮廓数据及计算得到的材料去除率，在最少去除余量的目标函数下，优化使用带沟槽工具盘进行修形加工所需的加工时间t，并预测加工后平面零件(34)的表面轮廓；

B4、选取最优结构：通过预测并比较具有不同沟槽形式的工具盘(32)获得的平面零件(34)面形精度，选取最优的沟槽结构参数。

4.根据权利要求2所述的一种平面零件全局修形加工方法，其特征在于：步骤B1所述的标定Preston系数K(r)的方法如下：

设：基于普林斯顿方程计算材料去除率模型如下：

MRR(r)＝K(r)·P(r)·V(r)

通过在使用完整工具盘实际加工过程中平面零件(34)表面材料去除分布函数，同时结合加工过程中使用的压力转速工艺参数，获得平面零件(34)径向每一点的普林斯顿系数K(r)，作为沟槽工具盘上平面零件(34)径向上每点的普林斯顿系数K(r)；标定试验中各点的抛光压力P(r)采用平均压力P；加工过程中，工具盘(32)和平面零件(34)的转速保持一致，在这样的条件下计算得到的每个位置平面零件(34)和工具盘(32)的相对运动速度V(r)均相同，其值为V；

步骤B2所述的获得沟槽工具盘下平面零件(34)表面材料去除率的方法如下：

先计算采用沟槽工具盘时的有效接触长度和接触压力；

将整个工具盘(32)表面分成若干个环形区域，其中每个环形区域都设置为沟槽；当工具盘(32)表面任意一个环形区域被设置为沟槽后，平面零件(34)上点与工具盘(32)之间的接触状态发生改变，平面零件(34)表面材料的去除率分布函数也随之发生变化；工具盘(32)径向的第i个沟槽的内外边界的半径分别为R_0i和R_1i，i＝1、2、……、M，M表示工具盘(32)上环形区域被设置为沟槽的数量；

在计算平面零件(34)表面半径为r处的圆周和沟槽抛光垫的有效接触长度时，首先将该圆周等间距地划分N个点，其中第j点在以平面零件(34)中心为原点的极坐标系下的角度坐标θ为2(j-1)π/N，该点距离工具盘(32)中心的距离l按照公式(1)计算：

l²＝e²+r²-2·e·r·cos(π-θ) (1)

其中e表示平面零件(34)中心至工具盘(32)中心的距离；

若R_0i<l<R_1i，第j点在沟槽上方，无有效材料去除；计算得到的所有在沟槽上方的点的数量为N_e；通过N_e和N值计算获得平面零件(34)上半径为r的圆周与沟槽抛光垫的有效接触周长百分比α(r)，如式(2)所示；

所以，平面零件(34)表面半径为r的圆周与沟槽工具盘的有效接触长度为

L_e＝2πrα(r)

通过平面零件(34)和沟槽工具盘的有效接触长度计算得到的两者间的有效接触面积，进而计算出平均接触压力P_g：

其中F_g为平面零件(34)受到的总的下压力，Rw为平面零件(34)半径；

再计算使用沟槽工具盘加工得到的平面零件(34)材料去除率；

通过式(4)计算得到沟槽工具盘的平面零件(34)材料去除率：

步骤B3所述的优化加工时间及面形预测的方法如下：

根据沟槽工具盘得到的平面零件(34)材料去除率优化时间t并预测加工后的平面零件(34)面形函数H(r)；

根据使用沟槽工具盘得到的平面零件(34)材料去除率，以加工后平面零件(34)面形精度最优为目标进行优化设计，选择合适的加工时间t；根据平面零件(34)加工前的原始面形函数h(r)得到修形过程的最小去除余量HR，如式(5)所示；

HR＝max(h(r))-min(h(r)) (5)

在实际加工中理想去除余量HRO是在最小去除余量HR与一个常数K的和，即HRO＝HR+K，满足这个条件才能保证良好的修形效果；因此，需要优化加工时间t使得平面零件(34)表面各点处材料去除量与理想去除余量HRO之间的差值的绝对值的和最小，采用的优化目标函数f(x)如式(6)所示；

其中x＝[x₁,x₂]，x₁为加工时间t，x₂为常数K；优化过程的约束条件为x₁>0，x₂>0；

通过优化得到的加工时间为t，加工后平面零件(34)的面形函数H(r)由式(7)计算；

H(r)＝h(r)-MRR(r)·t (7)

步骤B4所述的选取最优结构的方法如下：将工具盘(32)划分为若干个环形区域，计算若干环形区域中的1-3个环形区域作为沟槽区的所有组合情况，获得最优面形的沟槽结构；

根据式(1)-(3)计算工具盘(32)上分别设计1-3个环形沟槽三种情况下的工具盘(32)得到的面形函数H(r)；根据预测得到的H(r)计算面形函数的PV值即峰谷值得到加工面形的平面度，取三种情况中平面度最小的一种沟槽形式作为最优工具盘(32)沟槽形式并用于全局修形加工。

5.根据权利要求3所述的一种平面零件全局修形加工方法，其特征在于：所述的若干个环形区域为5-20个环形区域。