小口径非球面复合精密加工方法

1.一种小口径非球面复合精密加工方法，该方法遵循如下步骤：
一、将工件(5)装夹在精密机床上，并使斜轴镜面磨削装置(1)的砂轮主轴(2)轴线与斜轴磁流变研抛装置(10)的研磨头主轴(9)的轴线平行，且该两条轴线与滑台(4)之间等间距相隔，该两条轴线与工件主轴(6)的轴线依次成夹角∠θ1和∠θ2相交，夹角∠θ1与∠θ2相等，所述∠θ1和∠θ2的角度取值范围均为40～50°；然后，先对工件(5)和微粉砂轮(3)采用光学放大镜进行对心处理，再使微粉砂轮(3)在砂轮主轴(2)的带动下根据设定的磨削加工轨迹对工件(5)的非球面面型进行斜轴磨削加工，加工时，使所述砂轮主轴(2)的轴线与工件主轴(6)的轴线成∠θ3角度相交，所述∠θ3的角度取值范围为；
40～50°；
二、采用检测装置(7)对步骤一所获经过初步加工的工件(5)的形状进行在位测量，根据测量结果判断工件形状精度是否达到加工要求，如果测量结果表明工件形状精度达到加工要求即可结束步骤，如果测量结果表明工件形状精度未达到加工要求，则将测量结果对比初始磨削加工轨迹，由机床系统软件根据对比结果采用常规方法计算出形状误差，并采用快速傅里叶变换和高斯变换方法过滤掉测量系统随机误差之后，根据三次NURBS曲线常规方法拟合出误差补偿曲线、生成补偿加工轨迹，再由微粉砂轮(3)沿该轨迹对工件实施磨削加工，如此循环，直到工件的形状精度达到要求为止；
三、使步骤二所获形状精度达到加工要求的工件(5)的工件主轴(6)沿机床Y轴方向平移400～500mm距离，启动斜轴磁流变研抛装置(10)，使其研磨头(8)在研磨头主轴(9)的带动下对步骤二所获的工件(5)进行研抛加工，加工时，在研磨头上方供给磁流变体，所述研磨头主轴(9)的轴线与工件主轴(6)的轴线成∠θ4角度相交，∠θ4的角度取值范围为：40～50°，使所述研磨头(8)的圆弧角的圆弧法线始终与工件(5)的研抛表面法线重合，而所述工件(5)与磁流变体(11)的接触点始终构成工件(5)研抛区域的法线方向，同时，利用磁场作用将磁流变体(11)吸附在研磨头(8)上，通过磁流变体(11)与工件(5)之间的微细剪切实现对工件(5)的研磨与抛光即得小口径非球面复合精密加工成品。

小口径非球面复合精密加工方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种非球面加工方法，具体涉及一种小口径非球面的复合精密加工方法。\n背景技术\n[0002] 随着光电通讯、光学、汽车、生物工程及航空航天产业的迅速发展，超精密小口径非球面光学元件的需求量急剧增长。这类小口径非球面光学元件的制造，目前主要通过高精度的模具进行玻璃热压成型和光学塑料注射成型而成。而这种模具通常采用超硬合金制成，其模芯的非球面面型要求达到亚微米级的形状精度、纳米级的表面粗糙度和极小的亚表面损伤。\n[0003] 上述小口径非球面面型的加工，一般采用磨削和研抛两道工序，分别在超精密磨床和研抛机两种机床上进行加工。小口径非球面磨削加工时，由于加工口径较小，若砂轮与工件采用垂直方式安装，两者在加工过程中容易产生干涉现象。因此，为避免发生干涉，加工时可将砂轮轴线相对工件轴线倾斜一定角度，采用斜轴磨削的方式进行加工。而为了达到超光滑和高精度表面，采用一种微粉金刚石砂轮对非球面进行镜面磨削。完成加工后将工件取下安装到非球面研抛机床上进行后续研磨抛光，进一步提高表面的形状精度并降低表面粗糙度。采用上述两道工序加工的缺陷是，工件需在两台不同的机床上进行多次装夹，这样会带来安装误差、对刀误差等影响加工精度的后果；同时多次装夹消耗了更多的辅助工时，降低了加工效率。\n发明内容\n[0004] 本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的缺陷，提供一种小口径非球面复合精密加工方法，该方法通过集成超精密斜轴镜面磨削加工与斜轴磁流变研抛加工两种加工工艺递进复合加工的方法，结合在位测量与补偿加工技术，试图减少安装误差、对刀误差以提高加工精度和工作效率，且能防止干涉现象的发生，特别适用于超精密小口径非球面光学元件及其模具的高效制造与稳定生产。\n[0005] 本发明的技术解决方案是，所提供的这种小口径非球面复合精密加工方法，参见附图1，是利用一台配备有斜轴镜面磨削装置和斜轴磁流变研抛装置的精密机床，遵循如下具体操作步骤来加工小口径非球面工件：参见附图1～4，\n[0006] 一、将工件5装夹在精密机床上，并使斜轴镜面磨削装置1的砂轮主轴2轴线与斜轴磁流变研抛装置10的研磨头主轴9的轴线间隔平行，且该两条轴线与滑台4之间等间距相隔。该两条轴线与工件主轴6的轴线依次成夹角∠θ1和∠θ2相交，夹角∠θ1与∠θ2相等。所述∠θ1和∠θ2的角度取值范围均为40～50°；然后，先对工件5和微粉砂轮\n3采用光学放大镜进行对心处理。再使微粉砂轮3在砂轮主轴2的带动下根据设定的磨削加工轨迹对工件5的非球面面型进行斜轴磨削加工。加工时，使所述砂轮主轴2的轴线与工件主轴6的轴线成∠θ3角度相交，所述∠θ3的角度取值范围为；40～50°；\n[0007] 二、采用检测装置7对步骤一所获经过初步加工的工件5的形状进行在位测量，根据测量结果判断工件形状精度是否达到加工要求。如果测量结果表明工件形状精度达到加工要求即可结束本步骤。如果测量结果表明工件形状精度未达到加工要求，则将测量结果对比初始磨削加工轨迹，由机床系统软件根据对比结果采用常规方法计算出形状误差，并采用快速傅里叶变换和高斯变换方法过滤掉测量系统随机误差之后，根据三次NURBS(英文全称Non-UniformRational B-Spline)曲线(中文译名为非均匀有理B样条曲线)常规方法拟合出误差补偿曲线、生成补偿加工轨迹，再由微粉砂轮3沿该轨迹对工件实施磨削加工。如此循环，直到工件的形状精度达到要求为止；\n[0008] 三、使步骤二所获形状精度达到加工要求的工件5的工件主轴6沿机床Y轴方向平移400～500mm距离。启动斜轴磁流变研抛装置10，使其研磨头8在研磨头主轴9的带动下对步骤二所获的工件5进行研抛加工。加工时，在研磨头上方供给磁流变体，所述研磨头主轴9的轴线与工件主轴6的轴线成∠θ4角度相交，∠θ4的角度取值范围为：40～\n50°。使所述研磨头8的圆弧角的圆弧法线始终与工件5的研抛表面法线重合，而所述工件5与磁流变体11的接触点始终构成工件5研抛区域的法线方向。同时，由于研磨头8前端存在磁场，利用磁场作用将磁流变体11吸附在研磨头8上，通过磁流变体11与工件5之间的微细剪切作用来实现对工件5的研磨与抛光即得小口径非球面复合精密加工成品。\n[0009] 本发明的有益效果是：\n[0010] a.在单台机床上集成精密斜轴镜面磨削与斜轴磁流变研抛两种加工装置与工艺，结合在位测量与补偿加工技术，减少了安装误差、对刀误差，同时还减少了辅助加工工时，提高了加工精度和加工效率；\n[0011] b.磨削和研抛加工采用斜轴加工方式，可有效防止干涉现象的发生，特别适用于超精密小口径非球面光学元件及其模具的高效稳定制造；\n[0012] c.加工路径的可控性好，可实施连续加工。\n附图说明\n[0013] 图1为本发明所用精密机床一个具体实施例的结构示意图；\n[0014] 图2为斜轴镜面磨削原理示意图；\n[0015] 图3为斜轴磁流变研抛原理示意图；\n[0016] 图4为斜轴磁流变研抛加工区域示意图。\n[0017] 以上图1～4中的标示为：\n[0018] 1-斜轴镜面磨削装置，\n[0019] 2-砂轮主轴，\n[0020] 3-微粉砂轮，\n[0021] 4-滑台，\n[0022] 5-工件，\n[0023] 6-工件主轴，\n[0024] 7-检测装置，\n[0025] 8-研磨头，\n[0026] 9-研磨头主轴，\n[0027] 10-斜轴磁流变研抛装置，\n[0028] 11-磁流变体。\n具体实施方式：\n[0029] 实施例1：参见附图1～4，\n[0030] 一、将工件5装夹在一由中国湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心微纳制造研究所制造的ULPG型精密机床上，使该机床的斜轴镜面磨削装置1的砂轮主轴2轴线与斜轴磁流变研抛装置10的研磨头主轴9的轴线间隔平行，且该两条轴线与滑台4之间等间距相隔。该两条轴线与工件主轴6的轴线依次成夹角∠θ1和∠θ2相交，夹角∠θ1与∠θ2相等。所述∠θ1和∠θ2的角度均为40°；然后，先对工件5和微粉砂轮3采用光学放大镜进行对心处理。再使微粉砂轮3在砂轮主轴2的带动下根据设定的磨削加工轨迹对工件\n5的非球面面型进行斜轴磨削加工。加工时，使所述砂轮主轴2的轴线与工件主轴6的轴线成40°角度相交；\n[0031] 二、采用检测装置7对步骤一所获经过初步加工的工件5的形状进行在位测量，测量结果表明工件形状精度达到加工要求，结束本步骤；\n[0032] 三、使步骤二所获形状精度达到加工要求的工件5的工件主轴6沿机床Y轴方向平移400mm。启动斜轴磁流变研抛装置10，使其研磨头8在研磨头主轴9的带动下对工件5进行研抛加工。加工时，在研磨头上方供给磁流变体，所述研磨头主轴9的轴线与工件主轴\n6的轴线成40°角度相交。使研磨头8的圆弧角的圆弧法线始终与工件5的研抛表面法线重合。而工件5与磁流变体11的接触点始终构成工件5研抛区域的法线方向。同时，利用研磨头8前端的磁场作用将磁流变体11吸附在研磨头8上，通过磁流变体11与工件5之间的微细剪切作用来实现对工件5的研磨与抛光即得小口径非球面复合精密加工成品。\n[0033] 实施例2：参见附图1～4，\n[0034] 一、将工件5装夹在精密机床上，并使斜轴镜面磨削装置1的砂轮主轴2轴线与斜轴磁流变研抛装置10的研磨头主轴9的轴线间隔平行，且该两条轴线与滑台4之间等间距相隔。该两条轴线与工件主轴6的轴线依次成夹角∠θ1和∠θ2相交，夹角∠θ1与∠θ2相等。所述∠θ1和∠θ2的角度均为50°；然后，先对工件5和微粉砂轮3采用光学放大镜进行对心处理。再使微粉砂轮3在砂轮主轴2的带动下根据设定的磨削加工轨迹对工件\n5的非球面面型进行斜轴磨削加工。加工时，使所述砂轮主轴2的轴线与工件主轴6的轴线成50°角度相交；\n[0035] 二、采用检测装置7对步骤一所获经过初步加工的工件5的形状进行在位测量，测量结果表明工件形状精度未达到加工要求，将测量结果对比初始磨削加工轨迹，由机床系统软件根据对比结果采用常规方法计算出形状误差，并采用快速傅里叶变换和高斯变换方法过滤掉测量系统随机误差之后，根据三次NURBS曲线常规方法拟合出误差补偿曲线、生成补偿加工轨迹，再由微粉砂轮3沿该轨迹对工件实施磨削加工。如此循环，直到工件的形状精度达到要求为止；\n[0036] 三、使步骤二所获形状精度达到加工要求的工件5的工件主轴6沿机床Y轴方向平移500mm。启动斜轴磁流变研抛装置10，使其研磨头8在研磨头主轴9的带动下对步骤二所获经过误差补偿加工的工件5进行研抛加工。加工时，在研磨头上方供给磁流变体，所述研磨头主轴9的轴线与工件主轴6的轴线成50°角度相交。使研磨头8的圆弧角的圆弧法线始终与工件5的研抛表面法线重合。而工件5与磁流变体11的接触点始终构成工件\n5研抛区域的法线方向。同时，利用研磨头8前端的磁场作用将磁流变体11吸附在研磨头\n8上，通过磁流变体11与工件5之间的微细剪切作用来实现对工件5的研磨与抛光即得小口径非球面复合精密加工成品。