CN110090967A - 基于多自由度振动的高表面质量超精密切削成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多自由度振动的高表面质量超精密切削成形方法，采用振动辅助X‑Z‑C‑B联动车削装置，通过旋转B轴一定的角度，来减小刀具的等效刃口半径，从而实现降低工件表面粗糙度的目的。在不增加切削时间的同时降低表面粗糙度，从而延长刀具使用寿命、提高加工质量。

Description

基于多自由度振动的高表面质量超精密切削成形方法

技术领域

本发明属于超精密加工领域，涉及振动辅助切削技术，尤其是一种基于多自由度振动的高表面质量超精密切削成形方法。

背景技术

超精密加工是现代光学、航空航天、国防等领域中关键器件制造的重要手段，其中单点金刚石车削能够实现亚微米级面形精度与纳米级的表面粗糙度，已经成为光学自由曲面制造的核心方法。高精度、高质量表面的实现需要两个保障：锋利的刀具刃口与精准平稳的运动。对于前者，由于刀具刃口尺度小、随着加工过程不断变化且难以监控，已经在实际生产中成为影响表面质量的重要因素。例如，当被加工材料硬度较高时，刀刃磨损严重。钝化的刃口对于不同的工件材料会导致不同形式的表面质量恶化：切削金属时，将引起材料过度的塑性变形，使加工表面粗糙度远高于理论值；切削脆性材料时则会引起表面碎裂。对于后者，虽然超精密机床自身的导轨与运动控制能够保证准确的定位与运动平稳性，但对于超光滑表面的加工，必须采用很低的进给速率与高主轴转速。这会导致切削路程剧烈增长，加速刀具磨损。因此，在一些情况下除了金刚石车削，还要通过后续的抛光工艺达到最终的表面质量要求，增加了生产成本与周期。

因此，提高金刚石刀具刃口的锋利程度、减小切削力与加工时间具有现实意义。刃口的锋利程度由刃口半径进行量化表征，刃口半径越小、刀具越锋利、切削力越低。该半径直接决定了材料的最小切削量，并进一步影响加工精度与表面粗糙度。刃口半径目前完全取决于刀具修磨技术，在传统的金刚石车削过程中是不可控的。另一方面，在传统金刚石车削中，粗糙度的降低会不可避免地带来加工路程及时间的增长。综上，有必要采用新的加工方法解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种基于多自由度振动的高表面质量超精密切削成形新方法，通过在金刚石车削中引入特定形式的刀具运动，调控刃口半径、提高刀具锋利程度，在不增加切削时间的同时降低表面粗糙度，从而延长刀具使用寿命、提高加工质量。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

一种基于多自由度振动的高表面质量超精密切削成形方法，采用振动辅助X-Z-C-B联动车削装置，通过旋转B轴一定的角度，来减小刀具的等效刃口半径，从而实现降低工件表面粗糙度的目的。

而且，B轴的旋转角度与等效刃口半径之间的关系如下：

其中：r_e为等效刃口半径、f为振动频率、α为B轴转角、A₂为振幅，v_wkp为切削点处工件旋转的线速度，t为时间。

而且，所述的振动辅助X-Z-C-B联动车削装置为二维椭圆超声振动系统。

而且，该方法的具体步骤为：

(1)确定金刚石刀具与加工参数；

(2)安装刀片并调整振动辅助装置位姿，使椭圆轨迹处于Y-Z平面内，此时振动辅助装置的转角α为0°；

(3)旋转B轴特定角度后，开启振动辅助装置并对刀；

(4)按照步骤(1)确定的车削参数，进行超精密车削加工。

而且，所述的参数包括刀鼻半径、主轴转速、进给速率、切削深度、B轴转角、振动频率与幅度。

本发明的优点和积极效果是：

本发明提出了一种提高金刚石超精密车削加工性能的新方法，采用该方法可以实现刀具刃口半径的控制、提高刃口锋利程度，同时降低表面粗糙度与周期性纹理。其中涉及的振动辅助X-Z-C-B轴联动加工技术，能够灵活控制等效刃口半径调整量，并可以采用低自由度振动装置实现高自由度振动轨迹，有效增加了所提加工方法的可行性。

附图说明

图1为传统金刚石超精密切削示意图，其中x为切削方向，z为切削深度方向；

图2为传统金刚石超精密切削的刀具刃口等效圆柱图，其中x为切削方向，y为等效圆柱的轴线方向，z为切削深度方向；

图3为改变切削方向与刃口圆柱轴线的垂直关系，使其呈一个非90°的夹角θ的示意图；

图4为不同加工方法中的等效刃口轮廓图；

图5为车削表面粗糙度示意，其中坐标系与图1、2、3对应；

图6为振动辅助X-Z-C-B联动车削装置示意图；

图7为不同等效刃口半径下的加工表面对比图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

如图1所示，金刚石切削过程中，刀具沿切削方向运动，与工件材料相互作用后形成切屑，实现去除加工。刀具的前刀面与切屑接触，后刀面与已加工表面接触，刃口圆弧是产生实际切削作用的部分，其半径r代表了刀具的锋利程度，即r越小，刀具越锋利。

将刀具刃口部分等效为圆柱体后如图2所示，圆柱半径与刃口半径r相同，其轴线为oo’。在普通超精密车削中，切削方向与等效圆柱的轴线oo’垂直，因此在等效切削截面Σ中，等效刃口半径r_e与真实的物理刃口半径r相同。也就是说，当金刚石刀具修磨完毕后，在传统的加工过程中等效刃口半径不可变。

如果改变切削方向与刃口圆柱轴线的垂直关系，使其呈一个非90°的夹角θ，则等效切削截面Σ将斜截刃口圆柱，如图3所示。此时，截面Σ中的等效刃口轮廓不再是圆，而成为椭圆；等效刃口半径r_e从原先的物理刃口半径r演变为所截椭圆长轴处的曲率半径。图2与3中的刃口圆柱在等效切削截面Σ中的轮廓如图4所示，改变切削方向后的椭圆截线长轴端具有更小的等效刃口半径r_e，提高了金刚石刀具的锋利度。

等效刃口半径r_e可采用以下步骤计算：

在图3所示的椭圆截线中，其短轴为2r，长轴为2a，且有

a＝r/sinθ (1)

进一步根据椭圆长轴端的曲率半径公式，即可得到

r_e＝rsinθ (2)

其中r为物理刃口半径，θ为切削方向与刃口等效圆柱轴线的夹角。

传统金刚石车削不能成为减小等效刃口的技术方案，因为此时只能靠偏转前刀面姿态实现。如图5所示，以常用的圆弧刃金刚石车削为例，表面粗糙度理论值Rt由刀鼻半径R_nose与单圈进给率f决定：

前刀面偏转带来的效果相当于减小R_nose，反而会增加残高Rt。因此，合理的方案是采用振动辅助切削技术。

通过在y方向引入振动，就能够实现图3中的加工状态，改变切削速度方向，减小等效刃口半径。与此同时，刀具在y方向的振动会将图5中车削表面上的高点切平，达到在不改变主轴转速与进给速率、从而不增加切削时间与路程的前提下降低粗糙度Rt的作用。为了获得更好的加工效果，这里采用多自由度振动辅助切削技术。多自由度一方面是指二维或三维椭圆振动装置都可以用来实现上述目标，另一方面是指振动轨迹的形式可以充分扩展，而不单局限在椭圆轨迹，这是与已有相关方法的一个重要区别。

如果使用二维椭圆振动装置，则需要采用图6所示的X-Z-C-B轴联动方式进行加工。工件随主轴C旋转，同时在X导轨带动下做进给运动。刀具安装在椭圆振动装置上，椭圆两个轴向的振幅分别为A₁和A₂。振动装置安装在B轴上，并在Z导轨带动下进行运动。加工时，根据目标面形调整B轴旋转，使加工点处工件表面局部法矢量的X-Z投影与振幅A₂呈一角度α，此时振幅A₁相对于工件不发生改变，而A₂则分解为平行于工件表面(A_2∥)与垂直于工件表面(A_2⊥)的两个分量。其中，振幅分量A_2∥就会导致类似于图3的切削状态，实现等效刃口半径的减小。同时，刀具的这种横向振动可以在一定程度上抹平加工纹理，降低表面粗糙度。这种二维振动装置与B轴协同工作的配置就相当于三维椭圆振动，亦即使用低维的振动装置实现高维的振动轨迹。该方案中的等效刃口半径推导如下：

根据(2)式与图3，等效刃口半径r_e由θ角决定，而θ是切削方向与刃口等效圆柱轴线的夹角。该角度由图3中x、y方向的速度分量v_x、v_y确定，即有

在上述方案中，v_x即为切削点处工件旋转的线速度v_wkp，v_y为平行于工件表面的振动速度分量v_vib//，可基于图6以及振动方程求得。在图6中，平行于工件表面的振幅为

A_2//＝A₂sinα (5)

设振动频率为f，则平行于工件表面的振动可表达为

x_vib//＝A_2//sin(2πft)＝A₂sinαsin(2πft) (6)

对时间t求导即可获得平行于工件表面的振动速度分量

最终，等效刃口半径可表达为

由(8)式可见，增加振动频率f、装置转角α、以及振幅A₂，有利于降低等效刃口半径、提高刀具的锋利程度。

如果使用三维振动装置，特别是在三个方向的振动独立可控时，能够更大程度地扩展振动轨迹形式，而不局限于空间椭圆，甚至在单个周期内可以不封闭。轨迹曲线的无规则性越大、越有利于抑制表面周期性纹理，因为规则的加工纹理会带来光栅效应，影响光学表面的衍射性能。从另一个角度看，无序度较高的刀具振动轨迹与抛光颗粒的运动类似，可以有效去除普通车削表面的纹理凸起。

应用实施例1

本发明中的加工方法适用于平面以及曲面面形，以图6所示的振动辅助X-Z-C-B轴联动平面车削为例的具体实施方式如下：

1.确定金刚石刀具与加工参数，包括刀鼻半径、主轴转速、进给速率、切削深度；刀鼻半径0.5mm，主轴转速50rpm，进给速率0.2mm/min，切削深度5μm，工件材料为模具钢，采用超精密机床加工。

2.安装刀片并调整二维椭圆超声振动装置位姿，使椭圆轨迹处于图6所示Y-Z平面内，此时α为0°；

3.旋转B轴10°后，开启振动辅助装置并对刀；

4.按照上述车削参数，进行超精密车削加工；

5.采用激光共聚焦显微镜测量加工表面形貌与粗糙度。

表面形貌如图7所示。其中“标准位置”是在α为0°下的加工结果，此时为标准的二维椭圆振动切削，由于材料为塑性金属，表面变形起伏十分明显，粗糙度Sz为203nm。当B轴旋转后，等效刃口半径减小、刀具锋利度提高，表面出现清晰的加工纹理，过度的塑性变形被显著抑制，粗糙度Sz降低至78nm。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于多自由度振动的高表面质量超精密切削成形方法，其特征在于：采用振动辅助X-Z-C-B联动车削装置，通过旋转B轴一定的角度，来减小刀具的等效刃口半径，从而实现降低工件表面粗糙度的目的。

2.根据权利要求1所述的基于多自由度振动的高表面质量超精密切削成形方法，其特征在于：B轴的旋转角度与等效刃口半径之间的关系如下：

其中：r_e为等效刃口半径、f为振动频率、α为B轴转角、A₂为振幅，v_wkp为切削点处工件旋转的线速度，t为时间。

3.根据权利要求1所述的基于多自由度振动的高表面质量超精密切削成形方法，其特征在于：所述的振动辅助X-Z-C-B联动车削装置为二维椭圆超声振动系统。

4.根据权利要求1所述的基于多自由度振动的高表面质量超精密切削成形方法，其特征在于：该方法的具体步骤为：

(1)确定金刚石刀具与加工参数；

(2)安装刀片并调整振动辅助装置位姿，使椭圆轨迹处于Y-Z平面内，此时振动辅助装置的转角α为0°；

(3)旋转B轴特定角度后，开启振动辅助装置并对刀；

(4)按照步骤(1)确定的车削参数，进行超精密车削加工。

5.根据权利要求4所述的基于多自由度振动的高表面质量超精密切削成形方法，其特征在于：所述的参数包括刀鼻半径、主轴转速、进给速率、切削深度、B轴转角、振动频率与幅度。