技术领域
背景技术
[0002] 光学复杂曲面是表面自由变化的非回转对称光学曲面。光学复杂曲面的应用领域极为广泛，涵盖新
能源、航空航天、照明成像、
生物工程等多个跨学科领域。对比传统光学表面，光学复杂曲面具有更优越的性能，其曲面
自由度大可以对光线传播进行有效控制，可有利于扩大视场
角和减小相差和畸变，同时对于多光学器件系统，加入复杂曲面能减少系统体积和重量，同时提高系统的成像
质量。
[0003] 脆性材料(如
半导体材料、光学晶体材料等)，具有优越的紫外或红外透过率、高损伤
阈值、高折射率等特性，其复杂曲面应用需求在逐渐增加，然而受到材料特性的限制，实现脆性材料加工仍然存在众多困难。由于光学晶体具有脆性大，因此断裂强度和
屈服强度较为接近，目前，一般超精密磨削是加工脆性材料复杂曲面的重要方法。然而，磨削加工方法是借助微小
磨料颗粒反复磨削光学器件成型，其加工效率较低，并且对于软脆材料，磨料易嵌入其内部形成杂质和
缺陷，进而造成光学功能的失效。而超精密切削加工方法是通过金刚石单点加工，特别适合对复杂曲面光学器件进行稳定而可控的加工。而脆性材料在切削过程中，材料易收到应
力而产生脆性断裂等表面损伤。为保证切削过程中材料在无脆裂条件下进行，需要控制单次去除量在材料的脆塑转变深度范围之内。对于脆性材料复杂曲面来说，需在高速车削过程中控制单次切削去除量。因此，研究脆性材料超精密复杂曲面高速车削成型方法，对于推进脆性材料光学复杂曲面的深入应用具有重要的现实意义。
发明内容
[0004] 本发明提供一种可避免过度自由的面形设计同时最大限度保证光学性能的脆性材料复杂曲面超精密车削成型方法。技术方案如下：
[0005] 一种脆性材料复杂曲面超精密车削成型方法，包括下列步骤：
[0006] 1)依据光学性能最优原则优化设计脆性材料近回转复杂曲面，设计中对非对称项的系数进行数值限定约束，从而限制曲面变化的自由度；
[0007] 2)对设计曲面按照回转部分和非回转部分进行面形分解，计算分解获得的非回转面的非回转度，确定该指标在快刀伺服加工能力范围内；
[0008] 3)搭建快刀伺服车削加工系统，将加工刀具安装在快速伺服机构上形成快刀伺服机构；
[0009] 4)根据快刀伺服车削加工过程特性和材料的切削性能，设计合适切削参数和刀具几何参数，以保证加工表面质量；
[0010] 5)基于加工参数和刀具几何参数进行回转部分和非回转部分加工路径生成，并在加工前进行路径补偿，补偿后刀具轮廓历经该路径后形成加工表面；
[0011] 6)将被加工
工件装配于机床
主轴，进行快刀伺服车削加工，加工时，主轴旋转带动工件旋转，机床的
导轨提供横向和切深方向进给并结合快刀伺服机构产生小尺寸的高频往复运动，形成复杂曲面面形。
[0012] 所述脆性材料可以为单晶锗，步骤2)所确定的非回转度的范围为[-27.841,27.839]μm，处于快刀伺服加工能力范围内。所设计的切削参数和刀具几何参数如下：主轴转速为2500rpm，刀鼻半径为0.5mm，在刀具横向方向进给速率为1mm/min，背吃刀量为1μm时，单次去除量控制在30nm以下，以达到单晶锗的脆塑转变范围内进行去除。
[0013] 本发明采用快刀伺服车削加工方式实现脆性材料复杂曲面的加工，避免了切削脆性材料过程中易脆裂的问题，实现高效率，高表面质量加工。与
现有技术相比具有以下优点：
[0014] (1)通过刀具的快速伺服往复运动与超精密车削方式耦合，实现对材料快速稳定的切削，兼顾了切削脆性材料和复杂曲面加工的矛盾，同时降低了两者的困难，很好地保证了脆性材料复杂曲面的表面质量和光学性能。
[0015] (2)采用了近回转面的设计思路，可以采用平滑复杂曲面或者是含有微结构的曲面。该方法除了适于切削脆性材料之外，也同样能
高速加工其他材料。回转切削的方式并不仅可以加工圆形口径的复杂曲面，同样适用于加工其他形状口径的复杂曲面。
附图说明
[0016] 图1快速刀具伺服运动辅助车削示意图
[0017] 图2近回转复杂曲面构成及非回转度示意图
[0018] 图3实际切削厚度示意图
[0019] 图4刀具几何形状补偿关系图
具体实施方式
[0020] 针对脆性材料复杂曲面加工成型问题，本发明提出快刀伺服车削方法，在传统车削
基础上添加快速伺服运动，为刀具运动增加一维快速运动，即刀具可沿着矢高方向(Z向)进行小行程的高频往复运动，这种方式也称为快刀伺服。在车削过程中加入快刀伺服辅助加工，可以在回转曲面加工基础上添加相应非回转量，从而生成具有非回转对称性的复杂曲面。当快刀伺服系统具有较高频响的情况下，可以适应高速主轴转速，从而保证复杂曲面的快速切削成型。
[0021] 具体实施方式如下：
[0022] 1.依据光学性能最优原则优化设计脆性材料近回转复杂曲面，设计中对非对称项的系数进行数值限定约束，从而限制曲面变化的自由度；
[0023] 2.对设计曲面按照回转部分和非回转部分进行面形分解，计算分解获得的非回转面的非回转度，确定该指标在快刀伺服加工能力范围内；
[0024] 3.搭建快刀伺服车削加工系统，包括车削主轴，横向进给导轨，切削深度进给导轨，将加工刀具安装在快速伺服机构上形成快刀伺服机构；
[0025] 4.根据快刀伺服车削加工过程特性和材料的切削性能，设计合适切削参数和刀具几何参数，以保证加工表面质量；
[0026] 5.基于加工参数和刀具几何参数进行回转部分和非回转部分加工路径生成，并在加工前进行路径补偿，补偿后刀具轮廓历经该路径后形成加工表面；
[0027] 6.将被加工工件装配于机床主轴，进行快刀伺服车削加工。加工时，主轴旋转带动工件旋转，机床的导轨提供横向和切深方向进给并结合快刀伺服机构产生小尺寸的高频往复运动，形成复杂曲面面形。
[0028] 具体加工方式如图1所示：脆性材料工件安装于超精密
车床的主轴(C轴)上，主轴旋
转轴和复杂曲面面形中心同轴。加工过程中主轴旋转一周，金刚石刀具在快速运动控制系统伺服控制下，在不同旋转角度时根据表面半径变化进行Z'方向的运动控制。因此，在整个复杂曲面上进行连续切削，其切削厚度由刀具几何形状以及沿车削半径方向上的刀具轮廓间距所确定。每加工一周刀具在X轴控制下进行进给，实现整个复杂曲面的螺旋线加工，直至表面加工完整。这种加工方式利用了回转切削的优点，将复杂曲面分解成一个回转对称表面和一个非回转面，如图2所示。采用机床的X轴和Z轴遍历回转对称表面，而快刀伺服机构提供的往复运动通过耦合机床本身的主轴旋转和导轨直线运动遍历非回转面，因此，可以实现对复杂曲面连续地快速切削，加工效率高并且加工质量好。
[0029] 在设计中考虑到快速伺服刀具行程和频响，进行了近回转面复杂曲面设计，该曲面曲面采用XY多项式表达，方程式如下所示，
[0030]
[0031] 其中c，k分别为非球面的
曲率和圆锥系数，Amn为多项式系数。按照上述分析，该表达式应该为在回转对称的曲面(此处为一非球面)上添加很小的变化量形成的，即[0032] z(x,y)＝zrot(r)+δ(r,θ) (2)
[0033] 其中，δ(r,θ)是在回转对称曲面上添加的很小的变化量，(2)式中的回转部分来源于(1)式中的二次曲线表达式以及多项式中的回转对称部分，而变化量δ(r,θ)在弧矢方向提供矢高的微小变化，从而最终成为非回转成分，最终获得近回转曲面。
[0034] 在具体
实施例中，以典型脆性材料单晶锗的连续复杂曲面的加工为例。进行近回转面复杂曲面设计后的XY多项式曲面表达式(1)中的参数如表1所示。其回转曲面由偶次非球面表达，即
[0035]
[0036] 具体参数如表2所示。对应的非回转面的表达为单纯的XY多项式，即[0037]
[0038] 具体参数如表3所示。非回转度的范围为[-27.841,27.839]μm由于采用了近回转面，快刀伺服车削加工中可保证车削主轴的较高转速，有利于实现脆性材料高效低损伤加工。
[0039] 以上加工过程中需关注加工参数选择问题，即选择合适的主轴转速、进给速率以及刀具几何形状，因为对于所加工的脆性材料而言，其车削参数下对应的实际切削厚度应处于该材料的脆塑转变厚度以下，切削厚度的大小如图3所示。具体实施例中主轴转速在2500rpm，刀鼻半径为0.5mm，在刀具X方向进给速率为1mm/min，背吃刀量为1μm时，单次去除量控制在30nm以下，可达到单晶锗的脆塑转变范围内进行去除，保证了该脆性材料无碎裂加工。
[0040] 为保证刀具运动的各
位置最低点与理想表面相切，需在生成刀具加工的运动路径时，需要对刀具的几何形状进行补偿，刀具位置的补偿如图4所示。对于圆弧刃刀具，当刀具位于工件沿给定方向的径向轮廓线f(r)上时，在加工路径补偿前，刀具中心P0位于轮廓线上，此时需要将刀具沿Z轴移动特定距离，该距离应等于轮廓线与刀具轮廓矢高差的最大值，即
[0041] Δz＝max{Li} (5)
[0042] 补偿后，刀具中心位于Pt，刀具轮廓与表面沿半径方向的轮廓线相切，切点为Pc，改点也是实际切削点。此时，通过对刀具几何形状的补偿，有效避免实际加工中的过切现象。实际在选取合适的加工参数和路径补偿后，理想的加工表面应为刀具轮廓线沿加工路径运动后所形成的表面。
[0043] 表1实施例中近回转复杂曲面参数
[0044]
[0045] 表2实施例中近回转复杂曲面回转面部分参数
[0046]
[0047] 表3实施例中近回转复杂曲面非回转面部分参数
[0048]
[0049]
