[发明专利]圆弧刃金刚石刀具精密车削高陡度非球面方法

说明书

技术领域

本发明属于机械制造及自动化技术领域，涉及一种采用圆弧刃金刚石刀具车削方法，用于高陡度光学反射镜车削加工(保形光学、反射光学、空间光学)。

背景技术

高精度、大陡度轴对称非球曲面由于其子午剖面曲线上各点的曲率半径值变化相对较大，导致加工制造十分困难。直接采用现有的XZ两轴联动CNC车床编程进行数控加工会产生刀具干涉，如图1所示。因此，目前这种大陡度非球曲面的数控车削加工常采用带扩展B轴的T形布局机床来完成，如图2所示，其运动轨迹的形成是通过XYB插补的方式来实现，子午剖面曲线上各点的曲率变化通过扩展的B轴来补偿，以B轴的旋转来保证加工过程中刀具与工件子午剖面曲线相切，避免刀具干涉。

在原有的XZ两轴联动的基础上增加一个运动B轴，必然会引入单轴安装和控制误差以及多轴联动的协调误差，这对加工工件的表面质量是不利的。同时由于增加了运动B轴，使得机床的制造成本大大增加，进而增加了高陡度非球面的加工成本。

发明内容

本发明的目的是针对高精度、大陡度轴对称非球曲面的金刚石车削问题，提供了一种圆弧刃金刚石刀具精密车削高陡度非球面方法，通过给定的加工指标，计算插补分段数及插补点个数，优化插补弦长，确定刀心的运动轨迹，以保证车削过程中刀具圆弧刃与工件子午剖面曲线在插补点处相切，即在不增加B轴的条件下解决了加工高精度、大陡度非球曲面的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种圆弧刃金刚石刀具精密车削高陡度非球面方法，包括如下步骤：

一、插补点计算

1、假设工件子午剖面曲线端点A、B的坐标(z_A,x_A)、(z_B,x_B)为已知，首先根据工件的表面形状精度、表面粗糙度等加工指标计算出满足误差要求的插补弦长，然后将沿Z方向等分成n-1个插补段，计算出n个插补点坐标:

则，插补弦长的计算公式为:

2、在第i个插补直线段，作斜率为k_Mi＝(x_i+1-x_i)/(z_i+1-z_i)且与工件子午剖面曲线相切于点M_i的直线，令k_Mi＝x′_Mi可推出每一个插补直线段的M_i点坐标(z_Mi,x_Mi)，则过点M_i的法线方程为：

3、过M_i点法线与第i段插补步长ΔL_i相交于点N_i，则N_i点坐标计算公式为：

4、由M_i和N_i点的坐标可计算出第i插补段的逼近误差，计算公式为：

5、将各个插补直线段的逼近误差δ_i比较后得出最大逼近误差δ_max，当δ_max小于要求的表面形状误差时，即可确定粗插补分段的数目n。

二、插补弦长的优化

在满足工件表面形状误差要求的前提下，令各个插补直线段具有相等的弦长δL＝mFT≤ΔL_min，其中，ΔL_min为ΔL_i中的最小值，F(mm/min)为机床的进给速度，T(s)为插补周期，m为整数，插补点坐标计算公式为：

三、刀具运动轨迹计算

假设刀具圆弧半径为r_d，刀具圆弧中心点的坐标为(z_di,x_di)，过工件子午剖面曲线上插补点P_i(z_i,x_i)的法线交Z轴于ξ_i点，令ρ_i＝P_iξ_i，θ_i＝∠P_iξ_iZ，则：

1、过P_i(z_i,x_i)点的法线在z轴上的截距的计算公式如下：

ξ_i＝z_i+x_ix′_i。