[发明专利]一种脆性材料复杂曲面的加工方法

说明书

本发明涉及一种脆性材料复杂曲面的加工方法，包括：根据待加工面型，选择合适的飞刀主轴回转半径以及合适铣削进给方向，可选择飞刀回转主轴与铣削进给方向平行和飞刀回转主轴与铣削进给方向垂直；根据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，以保证材料单次切削中的去除量控制在塑性去除模式的范围；基于加工参数和刀具几何参数进行飞刀切削和铣削进给的加工路径生成，并在加工前进行路径补偿，补偿后刀具轮廓对该路径遍历后形成加工表面；将待加工工件安装于超精密机床的主轴上，飞刀垂直安装于超精密铣削轴上；对工件进行加工。

技术领域

属于脆性材料复杂曲面制造及超精密加工领域。

背景技术

光学复杂曲面的广泛应用于新能源，航空航天，照明成像，生物工程等多个跨学科领域。对比传统的光学表面，光学复杂曲面具有更优越的性能，其曲面自由度大，更优异视场角，系统所需组件更少，更加轻便，易于装配，调制传递函数高等特点。作为许多光学器件的核心部件，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。半导体材料，光学晶体等脆性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。

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，因此应根据应用需求进行脆性材料的光学器件的光学设计，并结合设计曲面面形进行成型方法的选择和工艺参数设计。因此，实现脆性材料复杂曲面的低损伤甚至无损的高效切削加工，平衡复杂曲面加工表面质量和脆性材料加工性能之间的矛盾，同时减小针对两者的难度，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

本发明提出基于铣削与飞刀运动相结合的高速切削方式实现超精密快速切削，系统解决脆性材料高效低损伤加工。兼顾了切削难加工材料和复杂曲面加工的矛盾，同时降低了两者的困难，很好地保证了复杂曲面的表面质量和光学性能。基于这样的高速离散切削方法的特点，提出该加工工艺，实现连续曲面的高质量高效率的切削加工。技术方案如下：

一种脆性材料复杂曲面的加工方法，包括下列步骤：

(1)搭建铣削与飞刀结合的加工系统；

(2)根据待加工面型，选择合适的飞刀主轴回转半径以及合适铣削进给方向，可选择飞刀回转主轴与铣削进给方向平行和飞刀回转主轴与铣削进给方向垂直；

(3)根据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，以保证材料单次切削中的去除量控制在塑性去除模式的范围；

(4)基于加工参数和刀具几何参数进行飞刀切削和铣削进给的加工路径生成，并在加工前进行路径补偿，补偿后刀具轮廓对该路径遍历后形成加工表面；

(5)将待加工工件安装于超精密机床的主轴上，飞刀垂直安装于超精密铣削轴上；对工件进行加工，随着飞刀回转主轴的高速运动配合机床导轨的直线运动对工件进行间歇切削，此时飞刀切削方向与进给方向垂直，当导轨进给历经工件长度后，机床导轨工件横向平移合适间距，重复上述过程，直至复杂曲面加工完毕。

所述脆性材料可为单晶锗，飞刀主轴转速在4000rpm，回转半径为30mm，刀鼻半径为0.5mm，在铣削主轴纵向进给为F＝2mm/min，切削深度为1μm时，单次去除量控制在～28nm。

本发明针对脆性材料复杂曲面超精密加工时存在的加工精度和表面质量问题，与现有技术相比具有以下优点：