[发明专利]基于多自由度振动的切削成形方法

说明书

本发明涉及一种基于多自由度振动的高表面质量超精密切削成形方法，采用振动辅助X‑Z‑C‑B联动车削装置，通过旋转B轴一定的角度，来减小刀具的等效刃口半径，从而实现降低工件表面粗糙度的目的。在不增加切削时间的同时降低表面粗糙度，从而延长刀具使用寿命、提高加工质量。

技术领域

本发明属于超精密加工领域，涉及振动辅助切削技术，尤其是一种基于多自由度振动的切削成形方法。

背景技术

超精密加工是现代光学、航空航天、国防等领域中关键器件制造的重要手段，其中单点金刚石车削能够实现亚微米级面形精度与纳米级的表面粗糙度，已经成为光学自由曲面制造的核心方法。高精度、高质量表面的实现需要两个保障：锋利的刀具刃口与精准平稳的运动。对于前者，由于刀具刃口尺度小、随着加工过程不断变化且难以监控，已经在实际生产中成为影响表面质量的重要因素。例如，当被加工材料硬度较高时，刀刃磨损严重。钝化的刃口对于不同的工件材料会导致不同形式的表面质量恶化：切削金属时，将引起材料过度的塑性变形，使加工表面粗糙度远高于理论值；切削脆性材料时则会引起表面碎裂。对于后者，虽然超精密机床自身的导轨与运动控制能够保证准确的定位与运动平稳性，但对于超光滑表面的加工，必须采用很低的进给速率与高主轴转速。这会导致切削路程剧烈增长，加速刀具磨损。因此，在一些情况下除了金刚石车削，还要通过后续的抛光工艺达到最终的表面质量要求，增加了生产成本与周期。

因此，提高金刚石刀具刃口的锋利程度、减小切削力与加工时间具有现实意义。刃口的锋利程度由刃口半径进行量化表征，刃口半径越小、刀具越锋利、切削力越低。该半径直接决定了材料的最小切削量，并进一步影响加工精度与表面粗糙度。刃口半径目前完全取决于刀具修磨技术，在传统的金刚石车削过程中是不可控的。另一方面，在传统金刚石车削中，粗糙度的降低会不可避免地带来加工路程及时间的增长。综上，有必要采用新的加工方法解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种基于多自由度振动的切削成形新方法，通过在金刚石车削中引入特定形式的刀具运动，调控刃口半径、提高刀具锋利程度，在不增加切削时间的同时降低表面粗糙度，从而延长刀具使用寿命、提高加工质量。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

一种基于多自由度振动的切削成形方法，采用振动辅助X-Z-C-B联动车削装置，通过旋转B轴一定的角度，来减小刀具的等效刃口半径，从而实现降低工件表面粗糙度的目的。

而且，B轴的旋转角度与等效刃口半径之间的关系如下：

其中：r_e为等效刃口半径、f为振动频率、α为B轴转角、A₂为振幅，v_wkp为切削点处工件旋转的线速度，t为时间。

而且，所述的振动辅助X-Z-C-B联动车削装置为二维椭圆超声振动系统。

而且，该方法的具体步骤为：

(1)确定金刚石刀具与加工参数；

(2)安装刀片并调整振动辅助装置位姿，使椭圆轨迹处于Y-Z平面内，此时振动辅助装置的转角α为0°；

(3)旋转B轴特定角度后，开启振动辅助装置并对刀；

(4)按照步骤(1)确定的车削参数，进行超精密车削加工。

而且，所述的参数包括刀鼻半径、主轴转速、进给速率、切削深度、B轴转角、振动频率与幅度。

本发明的优点和积极效果是：