[发明专利]离轴非球面反射镜的砂轮原位自动整形铣磨加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及空间光学系统先进制造技术领域，具体涉及一种离轴非球面反射镜的砂轮原位自动整形铣磨加工方法。

背景技术

空间相机是指环绕地球轨道运行并担负对地侦测、深空探测等任务的航天光学成像遥感器，其核心元件是多片超高精度反射镜，碳化硅（SiC）是制作反射镜的理想材料，与微晶玻璃（Zerodur）、零膨胀玻璃（ULE）等反射镜材料相比，随着反射镜口径的不断增大，碳化硅（SiC）的性能优势愈加明显，有望成为未来空间相机反射镜的首选材料。但碳化硅（SiC）是仅次于金刚石和立方氮化硼（CBN）的超硬脆性材料，采用传统铣磨设备和工艺加工碳化硅（SiC）时，材料去除率低，砂轮磨损剧烈导致工件面形误差大、表面质量差，砂轮频繁停机修整导致加工效率低。

砂轮在线修整技术（ELID）可以实现砂轮的在线修锐，但很难完成复杂型面砂轮的在线整形。公开号为CN101310927的中国专利公开了一种非导电性结合剂金刚石砂轮的电火花修整方法，在金刚石砂轮表面紧贴一种有粘性的电刷，金刚石砂轮磨削该电刷时，电刷在金刚石表面均匀涂覆一层导电粉末薄膜，在金刚石砂轮表面合成导电层，从而建立电火花修整砂轮的放电条件，实现电火花修整非导电性结合剂金刚石砂轮。

一种非球面超精密单点磨削与形状误差补偿技术（[J]机械工程学报，第46卷第23期，186-191）公开了一种非球面模具的单点斜轴磨削方法，如图1所示，圆盘状砂轮在沿x轴方向进给的同时，还绕磨削点在xOz平面内摆动，使工件表面法向量与圆盘状砂轮轴线始终保持固定角度（45°），无论工件表面如何变化，磨削点都被牢牢控制在圆盘状砂轮的棱边，可以获得大陡度高次曲面的铣磨精度，但是该方法中圆盘状砂轮磨损集中，凭借原位测量与误差补偿可消除一小部分面形误差，然而加工经验表明，随工件口径的增大，误差补偿加工的次数也相应增多，当加工1米口径碳化硅反射镜时，需多次补偿加工，加工效率降低；当按工件最接近球面进行铣磨加工时，获得的面形误差PV值将大于1200μm，这样大的误差量必须依靠后续精密研磨去除，增大了工作量，严重降低了加工效率。

发明内容

为了解决现有单点斜轴磨削方法存在的加工效率较低的问题，本发明提供一种离轴非球面反射镜的砂轮原位自动整形铣磨加工方法。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

离轴非球面反射镜的砂轮原位自动整形铣磨加工方法，在具有超声波振动辅助加工功能的五轴联动机床上实现，该方法的条件和步骤如下：

步骤一、采用三维制图软件建立离轴非球面反射镜的CAD解析模型；

步骤二、根据工件表面的面形数据、弧面砂轮面形参数和加工路径，求解弧面砂轮轴线的当前空间位姿和Z轴当前跟随坐标，再通过加工驻留时间算法和加工路径规划计算弧面砂轮表面当前磨削点的加工驻留时间；

步骤三、将原位测量的工件表面的面形数据与从CAD解析模型中提取的点云数据进行比对，通过加工驻留时间人工智能分配法选取合适的加工路径；

步骤四、按照设定的弧面砂轮的摆动速度和范围，通过机床主轴带动弧面砂轮实现摆动加工，计算弧面砂轮表面当前磨削点变化引起的弧面砂轮Z轴当前跟随坐标在Z轴方向的变化量，并将该变化量反馈到上述的加工路径文件中；

步骤五、制作五轴联动机床的后置处理程序文件，并将其转化为五轴联动数控加工程序；

步骤六、将工件固定在五轴联动机床转台的中心处，其表面的几何中心与转台的旋转中心重合，按照五轴联动数控加工程序进行加工，同时采用超声波振动辅助弧面砂轮实现摆动铣磨加工，加工过程中随时调整工件表面磨削点处的法线与弧面砂轮的轴线之间的角度，并采用水基冷却液进行浇注式冷却。

所述五轴联动机床采用德国德马吉公司生产的一种具有45度倾斜摆头的非正交机床。

所述工件为预加工的离轴非球面反射镜，所述离轴非球面反射镜的材料为反应烧结碳化硅。

所述弧面砂轮是通过将大直径盘状树脂结合剂砂轮的侧面整形成椭圆形或抛物线形弧面后得到的。

步骤五中，所述后置处理程序文件的制作和五轴联动数控加工程序的生成是采用ICAM公司的后置处理软件ICAM-POST实现的。

在进行步骤六之前，还包括以下步骤：采用数控模拟仿真软件VERICUT建立数控虚拟加工环境，对所编制的五轴联动数控加工程序进行虚拟加工仿真，实现过切和欠切检查，防止机床碰撞、超行程事故的发生。

本发明的有益效果是：