CN113695645A - 一种微径金刚石球头铣刀竖直偏置校正方法 - Google Patents

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CN113695645A CN202111030706.9A CN202111030706A CN113695645A CN 113695645 A CN113695645 A CN 113695645A CN 202111030706 A CN202111030706 A CN 202111030706A CN 113695645 A CN113695645 A CN 113695645A
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Abstract

本发明公开了一种微径金刚石球头铣刀竖直偏置校正方法，涉及铣刀竖直偏置校正的技术领域，为了解决现有技术中竖直偏置校正方法存在精度不足的问题，本发明的步骤包括方形对刀块的粗加工、刀具水平偏置的粗略校正、刀具竖直偏置的粗略校正、方形对刀块的两轴联动超精密铣削加工、方形对刀块任一端面上下边沿X轴方向差值的试切标定、刀具Y向偏置方向及偏置量的计算、刀具Y向偏置量的校正和偏置校正后的试切验证；本发明的校正方法可以对超精密金刚石球头铣刀的竖直偏置进行精密校正，校正后铣刀竖直偏置误差可小于0.5μm，有助于推动我国多轴超精密铣削加工技术的发展。

Description

一种微径金刚石球头铣刀竖直偏置校正方法
技术领域
本发明涉及铣刀竖直偏置校正的技术领域，更具体的是涉及一种微径金刚石球头铣刀竖直偏置校正方法技术领域。
背景技术
近些年来，超精密加工技术迅速发展，面向微小复杂形状零件及各种微透镜阵列的超精密加工，超精密铣削加工技术在超精密加工技术领域中扮演着至关重要的角色，超精密铣削加工利用金刚石铣刀高速旋转实现材料去除，与超精密车削相比，其在保持较低表面粗糙度的前提下，可以加工各种形状的复杂结构零件，如球面、非球面微透镜阵列及复杂的自由曲面零件。
超精密铣削所加工的微小形状零件通常面向光学应用领域，对面型精度要求很高。超精密铣削加工时，机床轴系运动精度、铣刀制造精度以及铣刀定位精度等都会对超精密铣削加工的零件面型精度产生显著影响。铣刀竖直偏置误差是铣刀定位误差的重要因素之一，对非回转零件，铣刀竖直偏置误差会对零件几何特征的形位精度产生显著影响。
目前，有多种方法可以用于对铣刀竖直偏置进行校正，光学对刀仪在位观测方法是一种成熟的铣刀竖直偏置校正方法，其主要原理是事先对光学对刀仪的焦点高度进行精密标定，在实际工作中，调节对刀仪高度使其焦点与刀具前刀面对齐，则可直接确定刀具在机床坐标系中的位置，该方法方便高效，但精度不高，通常5-10μm；圆柱端面试切方法是一种对铣刀竖直偏置进行校正的高精度方法，该方法通过回转运动在圆柱端面试切出微圆，并在竖直坐标零位试切一条直线，利用读数显微镜离线观察试切图形，从而确定刀具竖直偏置，其精度较高，通常可以达到2μm；然而，当零件面型精度达到亚微米量级时，现有的竖直偏置校正方法存在精度不足的问题，不能满足加工要求。
为了解决现有技术中竖直偏置校正方法存在精度不足的问题，我们特征提出了一种微径金刚石球头铣刀竖直偏置校正方法。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决现有技术中竖直偏置校正方法存在精度不足的问题，本发明提供一种微径金刚石球头铣刀竖直偏置校正方法，采用独特的回转运动和直线运动的两轴联动加工平面，通过上下试切方法对金刚石球头铣刀的竖直偏置进行精密校正，利用球头铣刀切痕识别实现了铣刀竖直偏置误差的放大，从而显著提高了铣刀竖直偏置误差识别精度。
本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
一种微径金刚石球头铣刀竖直偏置校正方法，包括以下步骤：
步骤一：方形对刀件的粗加工，将毛坯件安装于机床的C轴上，然后在机床的铣削轴上安装硬质合金端铣刀，通过平面端铣的方式将毛坯加工制成截面为正方形的方形对刀件；其中，方形对刀块的有效长度为8-10mm，方形对刀块的截面边长为5-6mm。
步骤二：刀具水平偏置的粗略校正，分别测量方形对刀块两对相对面之间的距离，将测量结果取平均值得到方形对刀块的截面边长a，在机床铣削轴上安装微径金刚石球头铣刀，利用表面试切的方法确定刀心的X轴位置，并对刀具水平偏置进行粗略校正；
步骤二中，利用表面试切的方法确定刀心X轴位置的具体过程如下：将工件任意一端面摆动至与微径金刚石球头铣刀回转轴线垂直，并在工件端面上涂上油墨，移动机床的X轴，使微径金刚石球头铣刀接近工件表面后，保持机床的Y轴上下往复运动，移动机床的X轴直至铣刀在工件表面加工出细痕，根据方形对刀块的截面边长a及刀具回转半径r，确定刀具在机床坐标系下的X坐标为a/2+r，并在机床系统中进行记录；
铣刀的转速为20000-30000r/min，以单次0.2μm的进给移动X轴直至铣刀在工件表面加工出细痕。
步骤三：刀具竖直偏置的粗略校正，将刀具移动至Y轴的中心点，在机床系统中设定Y轴的中心点为零；步骤三中，利用微径金刚石球头铣刀侧刃分别试切方形对刀块的上下两相对平面，记录两位置对应的竖直方向坐标Y1和Y2，计算得到Y轴的中心点坐标为(Y1+Y2)/2。
步骤四：方形对刀块的两轴联动超精密铣削加工，固定机床Y轴，编制利用X轴、C轴两轴联动实现方形对刀块超精密铣削加工的数控程序，对方形对刀块进行多次铣削加工直至方形对刀块四个平面均被完全切到为止；
其中，利用X轴、C两轴联动实现对方形对刀块超精密铣削加工的数控程序编制为：将需要加工的方形对刀块端面按角度θ划分，在0-360°范围内，每0.05-0.1°取一个划分点，设走刀控制点对应的角度为θi，则对每一角度可计算铣刀刀心点X轴向的位置为：
X＝(a+2r)/(2cosθi)
其中，a为方形对刀块的截面边长，r为铣刀的回转半径；
步骤四中，对方形对刀块的加工距离为3-4mm，每层切削深度为5-10μm，走刀步距为5-8μm。
步骤五：方形对刀块任意一个端面上下边沿X轴方向差值的试切标定，控制C轴转动至两轴联动铣削方形对刀块时的编程零位，移动X轴以使刀具逐渐靠近方形对刀块的端面，往复移动Y轴，并通过X轴多次进给以试切方形对刀块端面，确定方形对刀块端面上下边沿X轴方向的差值εx；
步骤六：刀具Y向偏置方向及偏置量的计算，根据步骤五试切得到的对刀块端面上下边沿X轴方向差值εx，确定刀具Y轴向偏置的方向并计算Y轴向偏置量δ；
步骤六中确定铣刀Y向偏置方向的方法为：若加工方形对刀块的上边沿高于下边沿，则铣刀Y向偏置向下，刀具轴线低于C轴轴线；若加工方形对刀块的下边沿高于上边沿，则铣刀Y向偏置向上，刀具轴线高于C轴轴线。
步骤六中，确定铣刀Y向偏置量δ计算公式为：
δ＝1.414εx
其中，εx为方形对刀块端面上下边沿X轴方向的差值；
步骤六中，刀具Y轴向偏置量的设定值为小于0.5μm。
步骤七：刀具Y向偏置量的校正，根据步骤六中计算得到的Y轴向偏置量δ调整刀具位置使刀具回转轴线与C轴轴线平齐，并将该刀具位置设定Y坐标为零；
步骤八：刀具Y向偏置量校正后的验证，重复步骤四中的过程对方形对刀块进行两轴联动超精密铣削加工，然后继续进行步骤五中的过程，若刀具Y轴向偏置量小于设定值，则校正完成，否则重复步骤四、步骤五和步骤六的过程对刀具Y轴向偏置进行进一步校正。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明中通过上下试切方法对金刚石球头铣刀的竖直偏置进行精密校正，利用球头铣刀切痕识别实现了铣刀竖直偏置误差的放大，从而显著提高了铣刀竖直偏置误差识别精度。
(2)本发明中操作简单，成本低，可以将铣刀竖直偏置误差校正至小于0.5μm，满足了加工高精度复杂曲面零件的要求。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明超精密五轴机床粗加工铣削方形对刀块的立体结构简图；
图3为本发明利用X轴和C轴两轴联动铣削加工平面的编程方法示意图；
图4为本发明利用X轴和C轴两轴联动超精密加工方形对刀块的立体结构简图；
图5为本发明上下试切加工方形对刀块后表面切痕的示意图；
图6为本发明不同Y向偏置方向加工后的平面轮廓示意图；
附图标记：1方形对刀块，2铣削轴，3微径金刚石球头铣刀。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
如图1-图2和图4所示，本实施例提供一种微径金刚石球头铣刀竖直偏置校正方法，包括以下步骤：
步骤一：方形对刀件的粗加工，将圆柱形有色金属毛坯件安装于超精密五轴机床的C轴上，然后在机床的铣削轴上安装硬质合金端铣刀，通过平面端铣的方式将毛坯加工制成截面为正方形的方形对刀件；其中，方形对刀块的有效长度为8mm，方形对刀块的截面边长为5mm。
步骤二：刀具水平偏置的粗略校正，利用螺旋测微仪分别测量方形对刀块两对相对面之间的距离，将测量结果取平均值得到方形对刀块的截面边长a，在机床铣削轴上安装微径金刚石球头铣刀，利用表面试切的方法确定刀心的X轴位置，并对刀具水平偏置进行粗略校正；
步骤二中，利用表面试切的方法确定刀心X轴位置的具体过程如下：将工件任意一端面摆动至与微径金刚石球头铣刀回转轴线垂直，利用记号笔在端面上涂上油墨，微径金刚石球头铣刀高速旋转，转速为20000r/min，利用手轮移动X轴，使微径金刚石球头铣刀靠近方形对刀块表面，在即将接触方形对刀块表面时，保持Y轴上下往复运动，利用手轮以单次0.2μm的进给移动X轴直至微径金刚石球头铣刀在方形对刀块表面加工出一条微弱的细痕，根据方形对刀块的截面边长a及刀具回转半径r，确定刀具此时在机床坐标系下的X坐标a/2+r，并在机床系统中进行记录。
步骤三：刀具竖直偏置的粗略校正，利用微径金刚石球头铣刀侧刃分别试切方形对刀块的上下两相对平面，记录两位置对应的竖直方向坐标Y1和Y2，计算得到中心点Y坐标为(Y1+Y2)/2，将刀具移动至该位置，在机床系统中设定该位置Y坐标为零。
步骤四：方形对刀块的两轴联动超精密铣削加工，固定机床Y轴，编制仅利用X轴、C轴两轴联动实现方形对刀块超精密铣削加工的数控程序，设定加工距离为3mm，每层切削深度5μm，走刀步距5μm，铣削轴转速20000r/min，对方形对刀块进行多次铣削加工直至方形对刀块四个平面均被完全切到为止；
其中，如图3所示，利用X轴、C两轴联动实现对方形对刀块超精密铣削加工的数控程序编制为：将需要加工的方形对刀块端面按角度θ划分，在0-360°范围内，每0.05°取一个划分点，设走刀控制点对应的角度为θi，则对每一角度可计算铣刀刀心点X轴向的位置为：
X＝(a+2r)/(2cosθi)
其中，a为方形对刀块的截面边长，r为铣刀的回转半径；
图3中的半圆代表铣刀，以C轴角度θ从0°变化至45°为例，铣刀刀心点X对应坐标从xs变化至xd，根据C轴和X轴的坐标关系，对Z轴方向的每一位置都可以计算得到C轴回转一周对应的X轴走刀坐标，从而可以实现在固定Y轴的前提下，仅通过X轴、C轴两轴联动实现方形对刀块的加工，该程序利用大多数常规主流编程软件均可编制。
步骤五：方形对刀块任意一个端面上下边沿X轴方向差值的试切标定，控制C轴转动至两轴联动铣削方形对刀块时的编程零位，移动X轴以使刀具逐渐靠近方形对刀块的端面，设定X向单次进给量为0.2μm，往复移动Y轴，并通过X轴多次进给以试切方形对刀块端面，得到的方形对刀块端面表面切痕如图5所示，从图5可以看到，方形对刀块的上边沿先被切到，此时对应X坐标为x1，对刀块的下边沿后被切到，此时对应X的坐标为x2，据此可以确定方形对刀块端面上下边沿X轴方向差值εx；
步骤六：刀具Y向偏置方向及偏置量的计算，根据步骤五试切得到的对刀块端面上下边沿X轴方向差值εx，确定刀具Y轴向偏置的方向并计算Y轴向偏置量δ；
其中，确定铣刀Y向偏置方向的方法为：若加工方形对刀块的上边沿高于下边沿，则铣刀Y向偏置向下，刀具轴线低于C轴轴线；若加工方形对刀块的下边沿高于上边沿，则铣刀Y向偏置向上，刀具轴线高于C轴轴线；比如，设当铣刀Y向偏置向下，大小为5μm时，加工得到的边长6mm的方台端面形状如图6实曲线所示，上边沿高于下边沿，因此，在试切方台端面时，若方块上边沿先切到，下边沿后切到，则刀具轴线低于C轴轴线；当铣刀Y向偏置向上，大小为5μm时，加工得到的方台端面形状如图6虚曲线所示，下边沿高于上边沿，因此，在试切方台端面时，若方块下边沿先切到，上边沿后切到，则刀具轴线高于C轴轴线。
步骤六中，确定铣刀Y向偏置量δ计算公式为：
δ＝1.414εx
其中，εx为方形对刀块端面上下边沿X轴方向的差值；
步骤七：刀具Y向偏置量的校正，根据步骤六中计算得到的Y轴向偏置量δ调整刀具位置使刀具回转轴线与C轴轴线平齐，并将该刀具位置设定Y坐标为零；
步骤八：刀具Y向偏置量校正后的验证，重复步骤四中的过程对方形对刀块进行两轴联动超精密铣削加工，然后继续进行步骤五中的过程，若刀具Y向偏置量小于0.5μm，则校正完成，否则重复步骤四、步骤五和步骤六的过程对刀具Y轴向偏置进行进一步校正。
实施例2
如图1-图2和图4所示，本实施例提供一种微径金刚石球头铣刀竖直偏置校正方法，包括以下步骤：
步骤一：方形对刀件的粗加工，将圆柱形有色金属毛坯件安装于超精密五轴机床的C轴上，然后在机床的铣削轴上安装硬质合金端铣刀，通过平面端铣的方式将毛坯加工制成截面为正方形的方形对刀件；其中，方形对刀块的有效长度为10mm，方形对刀块的截面边长为6mm。
步骤二：刀具水平偏置的粗略校正，利用螺旋测微仪分别测量方形对刀块两对相对面之间的距离，将测量结果取平均值得到方形对刀块的截面边长a，在机床铣削轴上安装微径金刚石球头铣刀，利用表面试切的方法确定刀心的X轴位置，并对刀具水平偏置进行粗略校正；
步骤二中，利用表面试切的方法确定刀心X轴位置的具体过程如下：将工件任意一端面摆动至与微径金刚石球头铣刀回转轴线垂直，利用记号笔在端面上涂上油墨，微径金刚石球头铣刀高速旋转，转速为30000r/min，利用手轮移动X轴，使微径金刚石球头铣刀靠近方形对刀块表面，在即将接触方形对刀块表面时，保持Y轴上下往复运动，利用手轮以单次0.2μm的进给移动X轴直至微径金刚石球头铣刀在方形对刀块表面加工出一条微弱的细痕，根据方形对刀块的截面边长a及刀具回转半径r，确定刀具此时在机床坐标系下的X坐标a/2+r，并在机床系统中进行记录。
步骤三：刀具竖直偏置的粗略校正，利用微径金刚石球头铣刀侧刃分别试切方形对刀块的上下两相对平面，记录两位置对应的竖直方向坐标Y1和Y2，计算得到中心点Y坐标为(Y1+Y2)/2，将刀具移动至该位置，在机床系统中设定该位置Y坐标为零。
步骤四：方形对刀块的两轴联动超精密铣削加工，固定机床Y轴，编制仅利用X轴、C轴两轴联动实现方形对刀块超精密铣削加工的数控程序，设定加工距离为4mm，每层切削深度10μm，走刀步距8μm，铣削轴转速30000r/min，对方形对刀块进行多次铣削加工直至方形对刀块四个平面均被完全切到为止；
其中，如图3所示，利用X轴、C两轴联动实现对方形对刀块超精密铣削加工的数控程序编制为：将需要加工的方形对刀块端面按角度θ划分，在0-360°范围内，每0.1°取一个划分点，设走刀控制点对应的角度为θi，则对每一角度可计算铣刀刀心点X轴向的位置为：
X＝(a+2r)/(2cosθi)
其中，a为方形对刀块的截面边长，r为铣刀的回转半径；
图3中的半圆代表铣刀，以C轴角度θ从0°变化至45°为例，铣刀刀心点X对应坐标从xs变化至xd，根据C轴和X轴的坐标关系，对Z轴方向的每一位置都可以计算得到C轴回转一周对应的X轴走刀坐标，从而可以实现在固定Y轴的前提下，仅通过X轴、C轴两轴联动实现方形对刀块的加工，该程序利用大多数常规主流编程软件均可编制。
步骤五：方形对刀块任意一个端面上下边沿X轴方向差值的试切标定，控制C轴转动至两轴联动铣削方形对刀块时的编程零位，移动X轴以使刀具逐渐靠近方形对刀块的端面，设定X向单次进给量为0.2μm，往复移动Y轴，并通过X轴多次进给以试切方形对刀块端面，得到的方形对刀块端面表面切痕如图5所示，从图5可以看到，方形对刀块的上边沿先被切到，此时对应X坐标为x1，对刀块的下边沿后被切到，此时对应X的坐标为x2，据此可以确定方形对刀块端面上下边沿X轴方向差值εx；
步骤六：刀具Y向偏置方向及偏置量的计算，根据步骤五试切得到的对刀块端面上下边沿X轴方向差值εx，确定刀具Y轴向偏置的方向并计算Y轴向偏置量δ；
其中，确定铣刀Y向偏置方向的方法为：若加工方形对刀块的上边沿高于下边沿，则铣刀Y向偏置向下，刀具轴线低于C轴轴线；若加工方形对刀块的下边沿高于上边沿，则铣刀Y向偏置向上，刀具轴线高于C轴轴线；比如，设当铣刀Y向偏置向下，大小为5μm时，加工得到的边长6mm的方台端面形状如图6实曲线所示，上边沿高于下边沿，因此，在试切方台端面时，若方块上边沿先切到，下边沿后切到，则刀具轴线低于C轴轴线；当铣刀Y向偏置向上，大小为5μm时，加工得到的方台端面形状如图6虚曲线所示，下边沿高于上边沿，因此，在试切方台端面时，若方块下边沿先切到，上边沿后切到，则刀具轴线高于C轴轴线。
步骤六中，确定铣刀Y向偏置量δ计算公式为：
δ＝1.414εx
其中，εx为方形对刀块端面上下边沿X轴方向的差值；
步骤七：刀具Y向偏置量的校正，根据步骤六中计算得到的Y轴向偏置量δ调整刀具位置使刀具回转轴线与C轴轴线平齐，并将该刀具位置设定Y坐标为零；
步骤八：刀具Y向偏置量校正后的验证，重复步骤四中的过程对方形对刀块进行两轴联动超精密铣削加工，然后继续进行步骤五中的过程，若刀具Y向偏置量小于0.5μm，则校正完成，否则重复步骤四、步骤五和步骤六的过程对刀具Y轴向偏置进行进一步校正。
实施例3
如图1-图2和图4所示，本实施例提供一种微径金刚石球头铣刀竖直偏置校正方法，包括以下步骤：
步骤一：方形对刀件的粗加工，将圆柱形有色金属毛坯件安装于超精密五轴机床的C轴上，然后在机床的铣削轴上安装硬质合金端铣刀，通过平面端铣的方式将纯铝毛坯加工制成截面为正方形的方形对刀件；其中，方形对刀块的有效长度为9mm，方形对刀块的截面边长为5.5mm。
步骤二：刀具水平偏置的粗略校正，利用螺旋测微仪分别测量方形对刀块两对相对面之间的距离，将测量结果取平均值得到方形对刀块的截面边长a，在机床铣削轴上安装微径金刚石球头铣刀，利用表面试切的方法确定刀心的X轴位置，并对刀具水平偏置进行粗略校正；
步骤二中，利用表面试切的方法确定刀心X轴位置的具体过程如下：将工件任意一端面摆动至与微径金刚石球头铣刀回转轴线垂直，利用记号笔在端面上涂上油墨，微径金刚石球头铣刀高速旋转，转速为25000r/min，利用手轮移动X轴，使微径金刚石球头铣刀靠近方形对刀块表面，在即将接触方形对刀块表面时，保持Y轴上下往复运动，利用手轮以单次0.2μm的进给移动X轴直至微径金刚石球头铣刀在方形对刀块表面加工出一条微弱的细痕，根据方形对刀块的截面边长a及刀具回转半径r，确定刀具此时在机床坐标系下的X坐标a/2+r，并在机床系统中进行记录。
步骤三：刀具竖直偏置的粗略校正，利用微径金刚石球头铣刀侧刃分别试切方形对刀块的上下两相对平面，记录两位置对应的竖直方向坐标Y1和Y2，计算得到中心点Y坐标为(Y1+Y2)/2，将刀具移动至该位置，在机床系统中设定该位置Y坐标为零。
步骤四：方形对刀块的两轴联动超精密铣削加工，固定机床Y轴，编制仅利用X轴、C轴两轴联动实现方形对刀块超精密铣削加工的数控程序，设定加工距离为3.5mm，每层切削深度7.5μm，走刀步距6.5μm，铣削轴转速25000r/min，对方形对刀块进行多次铣削加工直至方形对刀块四个平面均被完全切到为止；
其中，如图3所示，利用X轴、C两轴联动实现对方形对刀块超精密铣削加工的数控程序编制为：将需要加工的方形对刀块端面按角度θ划分，在0-360°范围内，每0.075°取一个划分点，设走刀控制点对应的角度为θi，则对每一角度可计算铣刀刀心点X轴向的位置为：
X＝(a+2r)/(2cosθi)
其中，a为方形对刀块的截面边长，r为铣刀的回转半径；
图3中的半圆代表铣刀，以C轴角度θ从0°变化至45°为例，铣刀刀心点X对应坐标从xs变化至xd，根据C轴和X轴的坐标关系，对Z轴方向的每一位置都可以计算得到C轴回转一周对应的X轴走刀坐标，从而可以实现在固定Y轴的前提下，仅通过X轴、C轴两轴联动实现方形对刀块的加工，该程序利用大多数常规主流编程软件均可编制。
步骤五：方形对刀块任意一个端面上下边沿X轴方向差值的试切标定，控制C轴转动至两轴联动铣削方形对刀块时的编程零位，移动X轴以使刀具逐渐靠近方形对刀块的端面，设定X向单次进给量为0.2μm，往复移动Y轴，并通过X轴多次进给以试切方形对刀块端面，得到的方形对刀块端面表面切痕如图5所示，从图5可以看到，方形对刀块的上边沿先被切到，此时对应X坐标为x1，对刀块的下边沿后被切到，此时对应X的坐标为x2，据此可以确定方形对刀块端面上下边沿X轴方向差值εx；
步骤六：刀具Y向偏置方向及偏置量的计算，根据步骤五试切得到的对刀块端面上下边沿X轴方向差值εx，确定刀具Y轴向偏置的方向并计算Y轴向偏置量δ；
其中，确定铣刀Y向偏置方向的方法为：若加工方形对刀块的上边沿高于下边沿，则铣刀Y向偏置向下，刀具轴线低于C轴轴线；若加工方形对刀块的下边沿高于上边沿，则铣刀Y向偏置向上，刀具轴线高于C轴轴线；比如，设当铣刀Y向偏置向下，大小为5μm时，加工得到的边长6mm的方台端面形状如图6实曲线所示，图6中，横坐标是x向坐标，纵坐标是y向坐标，两条曲线就是平面的实际带误差的轮廓图，中间的竖线是理想轮廓，数值的单位均是mm，上边沿高于下边沿，因此，在试切方台端面时，若方块上边沿先切到，下边沿后切到，则刀具轴线低于C轴轴线；当铣刀Y向偏置向上，大小为5μm时，加工得到的方台端面形状如图6虚曲线所示，下边沿高于上边沿，因此，在试切方台端面时，若方块下边沿先切到，上边沿后切到，则刀具轴线高于C轴轴线。
步骤六中，确定铣刀Y向偏置量δ计算公式为：
δ＝1.414εx
其中，εx为方形对刀块端面上下边沿X轴方向的差值；
步骤七：刀具Y向偏置量的校正，根据步骤六中计算得到的Y轴向偏置量δ调整刀具位置使刀具回转轴线与C轴轴线平齐，并将该刀具位置设定Y坐标为零；
步骤八：刀具Y向偏置量校正后的验证，重复步骤四中的过程对方形对刀块进行两轴联动超精密铣削加工，然后继续进行步骤五中的过程，若刀具Y向偏置量小于0.5μm，则校正完成，否则重复步骤四、步骤五和步骤六的过程对刀具Y轴向偏置进行进一步校正。
本申请中提到的刀具均指微径金刚石球头铣刀，通过上述实施例，可知本发明主要采用试切方法，利用独特的C轴和X轴两轴联动加工平面，并通过上下试切实现对铣刀竖直偏置误差的精密识别，从而实现对金刚石球头铣刀竖直偏置的精密校正，本发明围绕微径金刚石球头铣刀竖直偏置的校正方法，提出了具体的偏置误差识别与补偿方法，主要步骤包括：方形对刀块的粗加工、刀具水平偏置的粗略校正、刀具竖直偏置的粗略校正、方形对刀块的两轴联动超精密铣削加工、方形对刀块任一端面上下边沿X轴方向差值的试切标定、刀具Y向偏置方向及偏置量的计算、刀具Y向偏置量的校正和偏置校正后的试切验证；本发明的校正方法可以对超精密金刚石球头铣刀的竖直偏置进行精密校正，校正后铣刀竖直偏置误差可小于0.5μm，有助于推动我国多轴超精密铣削加工技术的发展。

Claims (10)

1.一种微径金刚石球头铣刀竖直偏置校正方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：方形对刀件的粗加工，将毛坯件安装于机床的C轴上，然后在机床的铣削轴上安装硬质合金端铣刀，通过平面端铣的方式将毛坯加工制成截面为正方形的方形对刀件；
步骤二：刀具水平偏置的粗略校正，分别测量方形对刀块两对相对面之间的距离，将测量结果取平均值得到方形对刀块的截面边长a，在机床铣削轴上安装微径金刚石球头铣刀，利用表面试切的方法确定刀心的X轴位置，并对刀具水平偏置进行粗略校正；
步骤三：刀具竖直偏置的粗略校正，将刀具移动至Y轴的中心点，在机床系统中设定Y轴的中心点为零；
步骤四：方形对刀块的两轴联动超精密铣削加工，固定机床Y轴，编制利用X轴、C轴两轴联动实现方形对刀块超精密铣削加工的数控程序，对方形对刀块进行多次铣削加工直至方形对刀块四个平面均被完全切到为止；
步骤五：方形对刀块任意一个端面上下边沿X轴方向差值的试切标定，控制C轴转动至两轴联动铣削方形对刀块时的编程零位，移动X轴以使刀具逐渐靠近方形对刀块的端面，往复移动Y轴，并通过X轴多次进给以试切方形对刀块端面，确定方形对刀块端面上下边沿X轴方向的差值εx；
步骤六：刀具Y向偏置方向及偏置量的计算，根据步骤五试切得到的对刀块端面上下边沿X轴方向差值εx，确定刀具Y轴向偏置的方向并计算Y轴向偏置量δ；
步骤七：刀具Y向偏置量的校正，根据步骤六中计算得到的Y轴向偏置量δ调整刀具位置使刀具回转轴线与C轴轴线平齐，并将该刀具位置设定Y坐标为零；
步骤八：刀具Y向偏置量校正后的验证，重复步骤四中的过程对方形对刀块进行两轴联动超精密铣削加工，然后继续进行步骤五中的过程，若刀具Y轴向偏置量小于设定值，则校正完成，否则重复步骤四、步骤五和步骤六的过程对刀具Y轴向偏置进行进一步校正。
2.根据权利要求1所述的一种微径金刚石球头铣刀竖直偏置校正方法，其特征在于：步骤一中，方形对刀块的有效长度为8-10mm，方形对刀块的截面边长为5-6mm。
3.根据权利要求1所述的一种微径金刚石球头铣刀竖直偏置校正方法，其特征在于：步骤二中利用表面试切的方法确定刀心X轴位置的具体过程如下：将工件任意一端面摆动至与微径金刚石球头铣刀回转轴线垂直，并在工件端面上涂上油墨，移动机床的X轴，使微径金刚石球头铣刀接近工件表面后，保持机床的Y轴上下往复运动，移动机床的X轴直至铣刀在工件表面加工出细痕，根据方形对刀块的截面边长a及刀具回转半径r，确定刀具在机床坐标系下的X坐标为a/2+r，并在机床系统中进行记录。
4.根据权利要求3所述的一种微径金刚石球头铣刀竖直偏置校正方法，其特征在于：铣刀的转速为20000-30000r/min，以单次0.2μm的进给移动X轴直至铣刀在工件表面加工出细痕。
5.根据权利要求1所述的一种微径金刚石球头铣刀竖直偏置校正方法，其特征在于：步骤三中利用微径金刚石球头铣刀侧刃分别试切方形对刀块的上下两相对平面，记录两位置对应的竖直方向坐标Y1和Y2，计算得到Y轴的中心点坐标为(Y1+Y2)/2。
6.根据权利要求1所述的一种微径金刚石球头铣刀竖直偏置校正方法，其特征在于：步骤四中，利用X轴、C两轴联动实现对方形对刀块超精密铣削加工的数控程序编制为：将需要加工的方形对刀块端面按角度θ划分，在0-360°范围内，每0.05-0.1°取一个划分点，设走刀控制点对应的角度为θi，则对每一角度可计算铣刀刀心点X轴向的位置为：
X＝(a+2r)/(2cosθi)
其中，a为方形对刀块的截面边长，r为铣刀的回转半径。
7.根据权利要求6所述的一种微径金刚石球头铣刀竖直偏置校正方法，其特征在于：步骤四中，对方形对刀块的加工距离为3-4mm，每层切削深度为5-10μm，走刀步距为5-8μm。
8.根据权利要求1所述的一种微径金刚石球头铣刀竖直偏置校正方法，其特征在于：步骤六中确定铣刀Y向偏置方向的方法为：若加工方形对刀块的上边沿高于下边沿，则铣刀Y向偏置向下，刀具轴线低于C轴轴线；若加工方形对刀块的下边沿高于上边沿，则铣刀Y向偏置向上，刀具轴线高于C轴轴线。
9.根据权利要求1所述的一种微径金刚石球头铣刀竖直偏置校正方法，其特征在于：步骤六中，确定铣刀Y向偏置量δ计算公式为：
δ＝1.414εx
其中，εx为方形对刀块端面上下边沿X轴方向的差值。
10.根据权利要求1所述的一种微径金刚石球头铣刀竖直偏置校正方法，其特征在于：步骤六中，刀具Y轴向偏置量的设定值为小于0.5μm。
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