余景池单点金刚石车削工艺研究.pdf

余景池余景池 苏州大学现代光学技术研究所苏州大学现代光学技术研究所 2012.9.1 单点金刚石车削工艺研究单点金刚石车削工艺研究 目录：目录： 1. 概述概述 2. 单点金刚石车削刀具位置的校正方法单点金刚石车削刀具位置的校正方法 3. 利用干涉测量结果补偿单点金刚石车削对称误差的方法利用干涉测量结果补偿单点金刚石车削对称误差的方法 4. 大数值孔径高次非球面超精密车削与检测工艺大数值孔径高次非球面超精密车削与检测工艺 5. 自由曲面超精密车削与检测工艺自由曲面超精密车削与检测工艺 6. 超精密车削表面粗糙度与工艺参数之间的关系实验研究超精密车削表面粗糙度与工艺参数之间的关系实验研究 7. 总结与展望总结与展望 1. 概述概述 单点金刚石车削（单点金刚石车削（SPDT）的特点：）的特点： (Single Point Diamond Turning) 加工周期短加工周期短 污染小污染小 产品一致性产品一致性好好 有利于批量生产的质量控制有利于批量生产的质量控制 1. 概述概述 应用背景应用背景 提高了批量提高了批量 生产效率及精度生产效率及精度 国防工业国防工业 航天工业航天工业 民用工业民用工业 导弹红外成像制导反射镜导弹红外成像制导反射镜 红外雷达反射镜红外雷达反射镜 步兵及坦克夜视红外透镜步兵及坦克夜视红外透镜 航空高速多瓣防滑轴承的内滚道航空高速多瓣防滑轴承的内滚道 陀螺仪框架与平台陀螺仪框架与平台 X射线天体望远镜射线天体望远镜 集成电路（集成电路（IC）有关的硅片）有关的硅片 眼镜片批量生产的模具眼镜片批量生产的模具 二元光学元件二元光学元件 提高了武器提高了武器 瞄准跟踪系统的性能瞄准跟踪系统的性能 加快了新型加快了新型 航天系统更新换代航天系统更新换代 u单点金刚石车削工艺中的误差补偿技术在国外的研单点金刚石车削工艺中的误差补偿技术在国外的研 究已经非常深入，但是在其公开发表的文献上，出于工究已经非常深入，但是在其公开发表的文献上，出于工 艺方法的保密，其核心数学模型，无详细的阐述。艺方法的保密，其核心数学模型，无详细的阐述。 u一般单点金刚石车削设备，都配备相应的面形误差一般单点金刚石车削设备，都配备相应的面形误差 补偿软件，并且进行加密，我们只有使用功能，不能查补偿软件，并且进行加密，我们只有使用功能，不能查 看源代码。如果有新的车削要求，软件将无法使用。看源代码。如果有新的车削要求，软件将无法使用。 u在实际工作中，建立自主的刀具调整和误差补偿模在实际工作中，建立自主的刀具调整和误差补偿模 型，特别是针对大相对孔径的高次非球面具有非常重要型，特别是针对大相对孔径的高次非球面具有非常重要 的意义。的意义。 1. 概述概述 2. 单点金刚石车削刀具位置偏差的校正方法单点金刚石车削刀具位置偏差的校正方法 刀具垂直偏置后造成刀具垂直偏置后造成 车削球面半径的变大车削球面半径的变大 刀具水平偏置使实际加工刀具水平偏置使实际加工 轨迹的位置偏离了理论值轨迹的位置偏离了理论值 22 )( xR xx xz = 22 dyROAR+= 单点金刚石车削刀具偏置对车削面形的影响单点金刚石车削刀具偏置对车削面形的影响 2. 单点金刚石车削刀具位置偏差的校正方法单点金刚石车削刀具位置偏差的校正方法 刀具高于主轴廻转中心，零件顶点处刀具高于主轴廻转中心，零件顶点处 将产生锥形缺陷，刀具低于主轴廻转将产生锥形缺陷，刀具低于主轴廻转 中心，零件顶点处将产生柱形缺陷。中心，零件顶点处将产生柱形缺陷。 刀具水平偏置也会造成车削刀具水平偏置也会造成车削 零件顶部缺陷，形状为内锥零件顶部缺陷，形状为内锥 。 。 单点金刚石车削刀具偏置对车削面形的影响单点金刚石车削刀具偏置对车削面形的影响 2. 单点金刚石车削刀具位置偏差的校正方法单点金刚石车削刀具位置偏差的校正方法 单点金刚石车削刀具偏置对面形影响的实验结果单点金刚石车削刀具偏置对面形影响的实验结果 垂直偏置对车削精度的影响垂直偏置对车削精度的影响水平偏置对车削精度的影响水平偏置对车削精度的影响 实验证明：水平偏置对面形的影响很大，垂直偏置对面形的影响实验证明：水平偏置对面形的影响很大，垂直偏置对面形的影响 不大。实验结果与前面理论分析所得到的结论基本一致。不大。实验结果与前面理论分析所得到的结论基本一致。 2. 单点金刚石车削刀具位置偏差的校正方法单点金刚石车削刀具位置偏差的校正方法 刀具垂直位置的精确调整刀具垂直位置的精确调整 利用白光干涉仪或原子力显微镜利用白光干涉仪或原子力显微镜 根据顶点缺陷的尺寸和形状确定根据顶点缺陷的尺寸和形状确定 刀具垂直偏置的大小和高低。刀具垂直偏置的大小和高低。 刀具水平位置的精确调整刀具水平位置的精确调整 通过轮廓仪和干涉仪对面形进行通过轮廓仪和干涉仪对面形进行 检测，根据面形误差进行刀具水检测，根据面形误差进行刀具水 平方向位置的精调检测和调整。平方向位置的精调检测和调整。 2. 单点金刚石车削刀具位置偏差的校正方法单点金刚石车削刀具位置偏差的校正方法 单点金刚石车削刀具水平偏置的计算单点金刚石车削刀具水平偏置的计算 刀具向刀具向x轴正方向偏置量和切轴正方向偏置量和切R 保持不变，当数值孔径分别为保持不变，当数值孔径分别为 NA=0.8，0.7，0.5，0.3，0.1时时 最小二乘法拟合后面形误差的最小二乘法拟合后面形误差的 理论曲线。理论曲线。 2. 单点金刚石车削刀具位置偏差的校正方法单点金刚石车削刀具位置偏差的校正方法 超精密车削刀具水平偏置的计算和实验结果的比较超精密车削刀具水平偏置的计算和实验结果的比较 试切件半径试切件半径R16mm 参与分析口径参与分析口径D10.3mm9.3mm8.3mm 参与分析数值孔径参与分析数值孔径 （sin） 0.320.290.26 干涉仪检测面形干涉仪检测面形 pv值值 1.20m1.07m0.97m 理论数值模拟面形理论数值模拟面形 pv值值 1.16m1.06m0.95m 干涉仪计算刀具干涉仪计算刀具 水平偏置量水平偏置量 14.51m13.50m12.43m 2. 单点金刚石车削刀具位置偏差的校正方法单点金刚石车削刀具位置偏差的校正方法 单点金刚石车削刀具水平偏置的修正实验单点金刚石车削刀具水平偏置的修正实验 刀具刃口圆度及波纹度误差对刀具水平偏置量计算影响的实验刀具刃口圆度及波纹度误差对刀具水平偏置量计算影响的实验 pv=0.65, 刀具水平偏置刀具水平偏置17.33m pv=0.229, 刀具水平偏置刀具水平偏置:0.56m 2. 单点金刚石车削刀具位置偏差的校正方法单点金刚石车削刀具位置偏差的校正方法 一种刀具水平在线校正方法及实验验证一种刀具水平在线校正方法及实验验证 参考标准镜参考标准镜 扩束器扩束器 分光镜分光镜 相移器相移器 激光器激光器 相机相机 光纤光纤 2. 单点金刚石车削刀具位置偏差的校正方法单点金刚石车削刀具位置偏差的校正方法 一种刀具水平在线校正方法及实验验证一种刀具水平在线校正方法及实验验证 存在水平偏置时的在线检测结果（存在水平偏置时的在线检测结果（pv=1.58） 水平偏置调整后的在线检测结果（水平偏置调整后的在线检测结果（ pv=0.16） 3. 利用干涉测量结果补偿单点金刚石车削对称误差的方法利用干涉测量结果补偿单点金刚石车削对称误差的方法 单点金刚石车削的误差源分析单点金刚石车削的误差源分析 刀具刃口不规则误差（可补偿）刀具刃口不规则误差（可补偿） 主轴振动主轴振动 导轨直线型及与主轴垂直度误差 （可补偿）导轨直线型及与主轴垂直度误差 （可补偿） 零件装夹变形零件装夹变形 主轴跳动主轴跳动 3. 利用干涉测量结果补偿单点金刚石车削对称误差的方法利用干涉测量结果补偿单点金刚石车削对称误差的方法 单点金刚石车削的误差源分析单点金刚石车削的误差源分析 车削面形误差检测（案例车削面形误差检测（案例1）车削面形误差检测（案例车削面形误差检测（案例2） 车削面形误差检测（案例车削面形误差检测（案例3） 刀具偏置刀具偏置 主轴振动误差主轴振动误差 机床导轨误差机床导轨误差 刀具波纹度误差刀具波纹度误差 刀具偏置刀具偏置 装卡变形误差装卡变形误差 机床导轨误差机床导轨误差 刀具波纹度误差刀具波纹度误差 机床导轨误差机床导轨误差 刀具波纹度误差刀具波纹度误差 3. 利用干涉测量结果补偿单点金刚石车削对称误差的方法利用干涉测量结果补偿单点金刚石车削对称误差的方法 超精密车削机床导轨倾斜误差的补偿方法超精密车削机床导轨倾斜误差的补偿方法 90度角凹圆锥补偿前的面形检测结果度角凹圆锥补偿前的面形检测结果 90度角凹圆锥导轨倾斜误差补偿后的面形度角凹圆锥导轨倾斜误差补偿后的面形 90度角圆锥度角圆锥 根据车削范围及误差大小，很容易可以根据车削范围及误差大小，很容易可以 计算得到导轨倾斜角度。将倾斜角度叠计算得到导轨倾斜角度。将倾斜角度叠 加到原来的车削加到原来的车削CNC文件中进行补偿。文件中进行补偿。 单点金刚石车削的误差源分析单点金刚石车削的误差源分析 3. 利用干涉测量结果补偿单点金刚石车削对称误差的方法利用干涉测量结果补偿单点金刚石车削对称误差的方法 机床导轨误差除了倾斜误差以外，还有直线性误差，这机床导轨误差除了倾斜误差以外，还有直线性误差，这 样的误差与刀具波纹度误差具有相似的特点，难以用公样的误差与刀具波纹度误差具有相似的特点，难以用公 式表达，但具有轴对称性，此两种误差可以综合补偿。式表达，但具有轴对称性，此两种误差可以综合补偿。 补偿方法的基本思想是，根据其车削后面形的补偿方法的基本思想是，根据其车削后面形的 轮廓检测，重新规划刃口圆弧中心的轨迹就可轮廓检测，重新规划刃口圆弧中心的轨迹就可 以实现对刀具刃口误差及机床系统误差的补偿 。以实现对刀具刃口误差及机床系统误差的补偿 。 单点金刚石车削的误差源分析单点金刚石车削的误差源分析 轮廓测量结果轮廓测量结果 误差信息只有加工零件的一条母线误差信息只有加工零件的一条母线 由于测量时间较长，易受环境影响由于测量时间较长，易受环境影响 对于大数值孔径的表面，传统的轮对于大数值孔径的表面，传统的轮 廓测量方式，在边缘斜率较大的廓测量方式，在边缘斜率较大的 地方测量精度明显下降地方测量精度明显下降 3. 利用干涉测量结果补偿单点金刚石车削对称误差的方法利用干涉测量结果补偿单点金刚石车削对称误差的方法 轮廓测量补偿法轮廓测量补偿法 测量结果会包含高频误差和非对称测量结果会包含高频误差和非对称 误差时补偿极为困难误差时补偿极为困难 3. 利用干涉测量结果补偿单点金刚石车削对称误差的方法利用干涉测量结果补偿单点金刚石车削对称误差的方法 对称误差的干涉补偿法对称误差的干涉补偿法 由于刀具刃口波纹度误差和导轨直线性误差在工件面形误由于刀具刃口波纹度误差和导轨直线性误差在工件面形误 差上的表现为回转对称误差，而干涉计量结果进行泽尼克多项差上的表现为回转对称误差，而干涉计量结果进行泽尼克多项 式拟合结果具有回转对称性的误差为初级及高级球差项，只要式拟合结果具有回转对称性的误差为初级及高级球差项，只要 将其进行反馈反馈给机床即可达到补偿车削误差的目的 。将其进行反馈反馈给机床即可达到补偿车削误差的目的 。 2 , =L L x CIIIxdxcxbxa+=+)( 25169 8 1 6 1 4 1 2 1 += 2 916251 ) 2 ()20126(TTTa += 4 916251 ) 2 ()90306(TTTb = 6 9161 ) 2 ()14020(TTc = 8 91 ) 2 (70Td + + = 8642 22 2 ) 1 )(1(11 ) 1 ( )(xdxcxbxa x r k x r xg 22 2 ) 1 (11 ) 1 ( )( x r x r xf + = ) 166 ( 24 99 +=TI ) 1123020( 246 1616 +=TI ) 1209014070( 2468 2525 +=TI 3. 利用干涉测量结果补偿单点金刚石车削对称误差的方法利用干涉测量结果补偿单点金刚石车削对称误差的方法 泽尼克多项式系数泽尼克多项式系数 误差曲线的计算机模拟误差曲线的计算机模拟 补偿前干涉仪面形测量结果补偿前干涉仪面形测量结果 (pv=1.677) 补偿后面形测量结果补偿后面形测量结果 (pv=0.137) 对称误差的干涉补偿法对称误差的干涉补偿法 3. 利用干涉测量结果补偿单点金刚石车削对称误差的方法利用干涉测量结果补偿单点金刚石车削对称误差的方法 国产刀具（波纹度国产刀具（波纹度0.2m）首次车削后面形误差）首次车削后面形误差(pv=1.066) 国产刀具（波纹度国产刀具（波纹度0.2m）第二次车削后面形误差）第二次车削后面形误差(pv=0.745) 最终面形检测结果最终面形检测结果(pv=0.24) 根据根据Zernike多项式系数（加入第多项式系数（加入第36 项高级球差）进行误差曲线的计算机项高级球差）进行误差曲线的计算机 模拟模拟(第二次补偿后第二次补偿后) 根据根据Zernike多项式系数进行误差曲线多项式系数进行误差曲线 的计算机模拟的计算机模拟(第二次补偿后第二次补偿后) 对称误差的干涉补偿法对称误差的干涉补偿法 4. 大数值孔径高次非球面超精密车削与检测工艺大数值孔径高次非球面超精密车削与检测工艺 常规轮廓测量设备的测量原理常规轮廓测量设备的测量原理 常规接触式轮廓仪的工作示意图常规接触式轮廓仪的工作示意图 传统的测量方法测量头在两个方向上有移动，传统的测量方法测量头在两个方向上有移动， 测头沿母线的平移方向和被测非球面光轴方向测头沿母线的平移方向和被测非球面光轴方向 常规的测量方法受其运动方式和测头移动精度常规的测量方法受其运动方式和测头移动精度 的影响，对大数值孔径高次非球面检测的误差的影响，对大数值孔径高次非球面检测的误差 很大，尤其是边缘斜率较大的非球面测量很大，尤其是边缘斜率较大的非球面测量 4. 大数值孔径高次非球面超精密车削与检测工艺大数值孔径高次非球面超精密车削与检测工艺 基于微差原理的轮廓测量仪的测量原理基于微差原理的轮廓测量仪的测量原理 在极坐标系中计算出非球面不同部在极坐标系中计算出非球面不同部 位对应于最接近球面球心的距离与位对应于最接近球面球心的距离与 最接近球面半径的差值，将其与实最接近球面半径的差值，将其与实 测值比较得出非球面的误差值。测值比较得出非球面的误差值。 比较传统测量方法直接测量被测非球比较传统测量方法直接测量被测非球 面的绝对矢高，精度要高，尤其适用面的绝对矢高，精度要高，尤其适用 于大数值孔径高次非球面的检测于大数值孔径高次非球面的检测 4. 大数值孔径高次非球面超精密车削与检测工艺大数值孔径高次非球面超精密车削与检测工艺 基于微差原理的轮廓测量仪基于微差原理的轮廓测量仪 测量软件界面测量软件界面 测量仪测量重测量仪测量重 复性实验结果复性实验结果 Ra0.05微米微米 与与Taylor轮廓仪轮廓仪 测量结果比对相测量结果比对相 差小于差小于0.15微米微米 4. 大数值孔径高次非球面超精密车削与检测工艺大数值孔径高次非球面超精密车削与检测工艺 10 10 8 8 6 6 4 4 2 2 22 2 ) 1(11 )(xAxAxAxAxA xck xc xy+ + = 091. 0046.11/1/1=Rc 753209. 0=k 0 2 =A 5 4 100550969 . 2 =A 8 6 10629697. 2 =A 10 8 10416305. 1 =A 13 10 106238236. 6 =A += 10 10 8 8 6 6 4 4 2 2 )(xAxAxAxAxAxf 该该高次非球高次非球面与其面与其最接近球最接近球面的面的偏偏离量离量超超 过过1mm，边缘边缘切切线斜线斜率接近率接近60度，形度，形状陡状陡 峭峭，属属于于典型典型的的大数值孔径高次非球大数值孔径高次非球面。面。 基基于于微微差差原理原理的的轮廓轮廓测量测量仪仪的加工的加工和和测量实验测量实验 4. 大数值孔径高次非球面超精密车削与检测工艺大数值孔径高次非球面超精密车削与检测工艺 微差原理轮廓测量仪测量高次非球面微差原理轮廓测量仪测量高次非球面 1. 以相近数值孔径球面试切件调整刀具水以相近数值孔径球面试切件调整刀具水 平偏置。平偏置。 2. 对高次非球面进行首次车削。对高次非球面进行首次车削。 3. 利用基于微差原理的接触式轮廓仪对首次利用基于微差原理的接触式轮廓仪对首次 车削后的高次非球面进行检测。车削后的高次非球面进行检测。 4. 以最小二乘法拟合求得误差的多项式系数。以最小二乘法拟合求得误差的多项式系数。 5. 将拟合得到的非球面误差系数反号后与高将拟合得到的非球面误差系数反号后与高 次非球面理论方程中的高次项系数叠加。次非球面理论方程中的高次项系数叠加。 6. 以新的非球面方程，通过机床以新的非球面方程，通过机床TPG（Tool Path Generator）生成）生成CNC文件。文件。 7. 完成补偿后的加工，继续检测，进行新一完成补偿后的加工，继续检测，进行新一 轮补偿加工循环，直到误差无法收敛。轮补偿加工循环，直到误差无法收敛。 基于微差原理的轮廓测量仪的加工和测量实验基于微差原理的轮廓测量仪的加工和测量实验 4. 大数值孔径高次非球面超精密车削与检测工艺大数值孔径高次非球面超精密车削与检测工艺 首次车削后测量结果首次车削后测量结果pv=22m 最终面形检测结果（最终面形检测结果（pv=0.48m） 大数值孔径高次非球面的实物大数值孔径高次非球面的实物 二次车削后测量结果二次车削后测量结果pv=5.2m 三次车削后测量结果三次车削后测量结果pv=1.7m 基于微差原理的轮廓测量仪的加工和测量实验基于微差原理的轮廓测量仪的加工和测量实验 5.自自由曲面超精密车削与检测工艺由曲面超精密车削与检测工艺 Moore UPL250三轴单点金刚石车床三轴单点金刚石车床 自由曲面车削有两种形式：慢刀伺服（刀具运动的频率通常低于自由曲面车削有两种形式：慢刀伺服（刀具运动的频率通常低于2赫兹）赫兹） 快刀伺服（刀具运动的频率通常可达快刀伺服（刀具运动的频率通常可达200赫兹）赫兹） 自行开发的自行开发的DJC350三轴单点金刚石车床三轴单点金刚石车床 5.自由曲面超精密车削与检测工艺自由曲面超精密车削与检测工艺 自由曲面加工的流程自由曲面加工的流程 自由曲面慢刀伺服车削示意图自由曲面慢刀伺服车削示意图 自由曲面车削工艺流程图自由曲面车削工艺流程图 自由曲面构造自由曲面构造 （拟合，（拟合，CAD，方程），方程） 加工路径生成（螺旋线）加工路径生成（螺旋线） 刀具半径补偿刀具半径补偿,数据插值，数据插值， CNC文件生成文件生成 超精密车削超精密车削 面形检测（三坐标测量）面形检测（三坐标测量） 面形误差三维数据点文件面形误差三维数据点文件 达到面形精度达到面形精度 要求要求 完成加工完成加工 YESNO 5.自由曲面超精密车削与检测工艺自由曲面超精密车削与检测工艺 自由曲面刀具曲率半径补偿自由曲面刀具曲率半径补偿 自由曲面刀具半径补偿示意图自由曲面刀具半径补偿示意图 ) 1 ,/,/(dydfdxdfn = )0 ,cos,sin(ccnt= 切削点切削点p),( 000 zyx 的法线矢量的法线矢量 刀具切削面的法向矢量为刀具切削面的法向矢量为 刀具切削点沿切削面方向的法向矢量刀具切削点沿切削面方向的法向矢量 p n 刀具半径补偿后的坐标刀具半径补偿后的坐标 rnnnnzyxzyx ttttt )(),(),( 000 += 5.自由曲面超精密车削与检测工艺自由曲面超精密车削与检测工艺 自由曲面数据拟合方法自由曲面数据拟合方法 CBxAxyxf+= 2 ),( 与点与点(x,y)最接近的最接近的9个点 进行曲面拟合，以确定个点 进行曲面拟合，以确定A,B,C BAxyxf x += 2),(2),(ByAyxfy+= 我们提出采用矩形域最小二乘曲面对其进行区域拟合我们提出采用矩形域最小二乘曲面对其进行区域拟合 矩形域最小二乘曲面拟合方法与传统的泽尼克多项式拟合相比较：矩形域最小二乘曲面拟合方法与传统的泽尼克多项式拟合相比较： u不需要对数据进行圆域正交对称处理，对形状较为复杂的自由曲面数据处理精度要高。不需要对数据进行圆域正交对称处理，对形状较为复杂的自由曲面数据处理精度要高。 u但对于边缘的矩形域的测量数据空白区域须作数据处理：方法是采用二元一次线性插但对于边缘的矩形域的测量数据空白区域须作数据处理：方法是采用二元一次线性插 值的方法补充数据，或提高测量数据点密度，将边缘失真分析结果去除。值的方法补充数据，或提高测量数据点密度，将边缘失真分析结果去除。 自由曲面三坐标测量仪自由曲面三坐标测量仪 5.自由曲面超精密车削与检测工艺自由曲面超精密车削与检测工艺 自由曲面车削实例一自由曲面车削实例一: 椭圆形自由曲面椭圆形自由曲面 0 222 =+fzdxzczbyax 5 1056548859. 2 =a 5 1038823529. 3 =b 7 1072532986. 7 =c 5 1037711078. 3 =d 3 1089529716 . 6 =f 首次车削结果（首次车削结果（pv=6.8m） 第一次补偿后结果（第一次补偿后结果（pv=2.5m） 第二次补偿后结果（第二次补偿后结果（pv=0.9m） 椭圆形自由曲面实物椭圆形自由曲面实物 自由曲面自由曲面CNC加工轨迹加工轨迹 5.自由曲面超精密车削与检测工艺自由曲面超精密车削与检测工艺 自由曲面车削实例二自由曲面车削实例二: 轮胎面轮胎面 子午方向半径子午方向半径72.48mm，弧矢方向半径，弧矢方向半径94.64mm，口径，口径66mm 轮胎面的轮胎面的CAD建模建模 轮胎面车削数据轮胎面车削数据 轮胎面的实物轮胎面的实物 首次车削后面形（首次车削后面形（pv=4.9m）第一次补偿后面形（第一次补偿后面形（pv=2.5m） 第二次补偿后面形（第二次补偿后面形（pv=1.2m） 对于形状很陡的离轴抛物面，采用慢刀伺服车削对于形状很陡的离轴抛物面，采用慢刀伺服车削 除了要考虑离轴量对机床加工能力的影响，还要除了要考虑离轴量对机床加工能力的影响，还要 考虑相同半径的矢高差对加工效率的影响，甚至考虑相同半径的矢高差对加工效率的影响，甚至 高陡度的零件与刀具后角可能发生干涉。高陡度的零件与刀具后角可能发生干涉。 5.自由曲面超精密车削与检测工艺自由曲面超精密车削与检测工艺 自由曲面车削实例三自由曲面车削实例三: 我们提出采用坐标系旋转的我们提出采用坐标系旋转的 方法将高陡度的离轴抛物面方法将高陡度的离轴抛物面 进行旋转放平，这样可以提进行旋转放平，这样可以提 高慢刀伺服的车削效率高慢刀伺服的车削效率 离轴抛物面的离轴抛物面的CAD建模建模 离轴抛物面的计算机建模离轴抛物面的计算机建模 坐标系变换后的离轴坐标系变换后的离轴 抛物面的计算机建模抛物面的计算机建模 离轴抛物镜离轴抛物镜 5.自由曲面超精密车削与检测工艺自由曲面超精密车削与检测工艺 自由曲面车削实例三自由曲面车削实例三: 离轴抛物面干涉检测光路示意图离轴抛物面干涉检测光路示意图 坐标系旋转后离轴抛物面检测结果坐标系旋转后离轴抛物面检测结果 离轴抛物面实物离轴抛物面实物 离轴抛物镜离轴抛物镜 5.自由曲面超精密车削与检测工艺自由曲面超精密车削与检测工艺 自由曲面车削实例四自由曲面车削实例四: 改型高次自由曲面改型高次自由曲面 Z=AijXiYj 其中其中i和和j分别为分别为0,1,5 5.自由曲面超精密车削与检测工艺自由曲面超精密车削与检测工艺 自由曲面车削实例五自由曲面车削实例五: 自由曲面光学头盔自由曲面光学头盔 加工后的实物加工后的实物 表面粗糙度检测结果表面粗糙度检测结果 零件图零件图 由于零件的严重失对称，解决加工中由于零件的严重失对称，解决加工中 的动平衡即成为关键问题。首先计算的动平衡即成为关键问题。首先计算 出加工件的重心，设计夹具时使其与出加工件的重心，设计夹具时使其与 主轴重合，然后做坐标形成加工文件。主轴重合，然后做坐标形成加工文件。 6.超精密车削表面粗糙度与工艺参数之间的关系实验超精密车削表面粗糙度与工艺参数之间的关系实验 加工设备加工设备Moore Nanonech250（Import from USA） 检测设备（粗糙度）检测设备（粗糙度）Taylor surf PGI635 工件材料工件材料Al（6061，Import ） 工件半径工件半径50mm 工件口径工件口径20mm 金刚石刀具半径金刚石刀具半径r0.032mm,0.25mm,0.5mm,0.65mm,1.04mm (Import from Contour UK) 刀具前角刀具前角0 刀头圆弧幅角刀头圆弧幅角120 设备、材料参数设备、材料参数 6.超精密车削表面粗糙度与工艺参数之间的关系实验超精密车削表面粗糙度与工艺参数之间的关系实验 进给量对表面粗糙度的影响进给量对表面粗糙度的影响 结论：在转速与切削深度相同时，对应于结论：在转速与切削深度相同时，对应于 某种切削材料可找到一个最适当的某种切削材料可找到一个最适当的 进给量，使车削表面的粗糙度最小进给量，使车削表面的粗糙度最小 金刚石车床主轴转速金刚石车床主轴转速s=2000rpm/min，切，切 削深度削深度d=2m,刀具半径刀具半径R=0.5mm,改变进改变进 给量分别为给量分别为f=1m ，2m，4m，8m， 16m，24m R f h 8 2 = 车削表面车削表面理论理论粗糙粗糙度可以表度可以表示示为为： R为为刀具圆弧刃口的刀具圆弧刃口的半径半径，f为进给量为进给量 刀具刀具进给量进给量与表面与表面粗糙粗糙度的度的关关系系 6.超精密车削表面粗糙度与工艺参数之间的关系实验超精密车削表面粗糙度与工艺参数之间的关系实验 主轴转速对表面粗糙度的影响主轴转速对表面粗糙度的影响 金刚石车刀切削深度金刚石车刀切削深度d=2m，进给速，进给速 度度F=10mm/min，改变主轴速度，对加，改变主轴速度，对加 工后工件的表面粗糙度进行检测工后工件的表面粗糙度进行检测 主轴速度与表面粗糙度的关系主轴速度与表面粗糙度的关系 主轴转速较小时，符合理论公式，主轴转速越主轴转速较小时，符合理论公式，主轴转速越 小，进给量越大，粗糙度越大小，进给量越大，粗糙度越大 主轴转速太大，则摩擦热产生的时间就短主轴转速太大，则摩擦热产生的时间就短,摩擦摩擦 热来不及刀具内部传导热来不及刀具内部传导,从而使切削温度升高，从而使切削温度升高， 使刀具磨损加快，反而会使表面粗糙度增大使刀具磨损加快，反而会使表面粗糙度增大 此外主轴转速太大，其动平衡误差将对表面此外主轴转速太大，其动平衡误差将对表面 粗糙度产生影响粗糙度产生影响 6.超精密车削表面粗糙度与工艺参数之间的关系实验超精密车削表面粗糙度与工艺参数之间的关系实验 主轴转速保持不变主轴转速保持不变2000rpm/min， 刀具进给速度刀具进给速度F=10mm/min， 车削深度对表面粗糙度的影响车削深度对表面粗糙度的影响 车削深度与表面粗糙度的关系车削深度与表面粗糙度的关系 切削深度越大，在已加工表面形成的残留切削深度越大，在已加工表面形成的残留 高度越大，表面粗糙度越差高度越大，表面粗糙度越差 切削深度过小，有效切削值越小，工件材切削深度过小，有效切削值越小，工件材 料抵抗塑性变形的能力越强，工件表面的料抵抗塑性变形的能力越强，工件表面的 粗糙度值反而增大粗糙度值反而增大 切削厚度小于“临界切深”，金刚石刀具刃口切削厚度小于“临界切深”，金刚石刀具刃口 对工件的挤压和摩擦迅速加大，切削接触有效对工件的挤压和摩擦迅速加大，切削接触有效 范围内单位面积的应力加大