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余景池苏州大学现代光学技术研究所2012.9.1单点金刚石车削工艺研究目录：1.概述2.单点金刚石车削刀具位置的校正方法3.利用干涉测量结果补偿单点金刚石车削对称误差的方法4.大数值孔径高次非球面超精密车削与检测工艺5.自由曲面超精密车削与检测工艺6.超精密车削表面粗糙度与工艺参数之间的关系实验研究7.总结与展望1.概述单点金刚石车削（SPDT）的特点：(SinglePointDiamondTurning)ü加工周期短ü污染小ü产品一致性好ü有利于批量生产的质量控制1.概述应用背景提高了批量生产效率及精度国防工业航天工业民用工业导弹红外成像制导反射镜红外雷达反射镜步兵及坦克夜视红外透镜航空高速多瓣防滑轴承的内滚道陀螺仪框架与平台X射线天体望远镜集成电路（IC）有关的硅片眼镜片批量生产的模具二元光学元件提高了武器瞄准跟踪系统的性能加快了新型航天系统更新换代u单点金刚石车削工艺中的误差补偿技术在国外的研究已经非常深入，但是在其公开发表的文献上，出于工艺方法的保密，其核心数学模型，无详细的阐述。u一般单点金刚石车削设备，都配备相应的面形误差补偿软件，并且进行加密，我们只有使用功能，不能查看源代码。如果有新的车削要求，软件将无法使用。u在实际工作中，建立自主的刀具调整和误差补偿模型，特别是针对大相对孔径的高次非球面具有非常重要的意义。1.概述2.单点金刚石车削刀具位置偏差的校正方法刀具垂直偏置后造成车削球面半径的变大刀具水平偏置使实际加工轨迹的位置偏离了理论值22)(xRxxxz-Δ⋅-=Δ22''dyROAR+==单点金刚石车削刀具偏置对车削面形的影响2.单点金刚石车削刀具位置偏差的校正方法刀具高于主轴廻转中心，零件顶点处将产生锥形缺陷，刀具低于主轴廻转中心，零件顶点处将产生柱形缺陷。刀具水平偏置也会造成车削零件顶部缺陷，形状为内锥。单点金刚石车削刀具偏置对车削面形的影响2.单点金刚石车削刀具位置偏差的校正方法单点金刚石车削刀具偏置对面形影响的实验结果垂直偏置对车削精度的影响水平偏置对车削精度的影响实验证明：水平偏置对面形的影响很大，垂直偏置对面形的影响不大。实验结果与前面理论分析所得到的结论基本一致。2.单点金刚石车削刀具位置偏差的校正方法刀具垂直位置的精确调整利用白光干涉仪或原子力显微镜根据顶点缺陷的尺寸和形状确定刀具垂直偏置的大小和高低。刀具水平位置的精确调整通过轮廓仪和干涉仪对面形进行检测，根据面形误差进行刀具水平方向位置的精调检测和调整。2.单点金刚石车削刀具位置偏差的校正方法单点金刚石车削刀具水平偏置的计算刀具向x轴正方向偏置量和切R保持不变，当数值孔径分别为NA=0.8，0.7，0.5，0.3，0.1时最小二乘法拟合后面形误差的理论曲线。2.单点金刚石车削刀具位置偏差的校正方法超精密车削刀具水平偏置的计算和实验结果的比较试切件半径R16mm参与分析口径D10.3mm9.3mm8.3mm参与分析数值孔径（sinθ）0.320.290.26干涉仪检测面形pv值1.20μm1.07μm0.97μm理论数值模拟面形pv值1.16μm1.06μm0.95μm干涉仪计算刀具水平偏置量14.51μm13.50μm12.43μm2.单点金刚石车削刀具位置偏差的校正方法单点金刚石车削刀具水平偏置的修正实验刀具刃口圆度及波纹度误差对刀具水平偏置量计算影响的实验pv=0.65λ,刀具水平偏置17.33μmpv=0.229λ,刀具水平偏置:0.56μm2.单点金刚石车削刀具位置偏差的校正方法一种刀具水平在线校正方法及实验验证参考标准镜扩束器分光镜相移器激光器相机光纤2.单点金刚石车削刀具位置偏差的校正方法一种刀具水平在线校正方法及实验验证存在水平偏置时的在线检测结果（pv=1.58λ）水平偏置调整后的在线检测结果（pv=0.16λ）3.利用干涉测量结果补偿单点金刚石车削对称误差的方法单点金刚石车削的误差源分析刀具刃口不规则误差（可补偿）主轴振动导轨直线型及与主轴垂直度误差（可补偿）零件装夹变形主轴跳动3.利用干涉测量结果补偿单点金刚石车削对称误差的方法单点金刚石车削的误差源分析车削面形误差检测（案例1）车削面形误差检测（案例2）车削面形误差检测（案例3）刀具偏置主轴振动误差机床导轨误差刀具波纹度误差刀具偏置装卡变形误差机床导轨误差刀具波纹度误差机床导轨误差刀具波纹度误差3.利用干涉测量结果补偿单点金刚石车削对称误差的方法超精密车削机床导轨倾斜误差的补偿方法90度角凹圆锥补偿前的面形检测结果90度角凹圆锥导轨倾斜误差补偿后的面形90度角圆锥根据车削范围及误差大小，很容易可以计算得到导轨倾斜角度。将倾斜角度叠加到原来的车削CNC文件中进行补偿。单点金刚石车削的误差源分析3.利用干涉测量结果补偿单点金刚石车削对称误差的方法机床导轨误差除了倾斜误差以外，还有直线性误差，这样的误差与刀具波纹度误差具有相似的特点，难以用公式表达，但具有轴对称性，此两种误差可以综合补偿。补偿方法的基本思想是，根据其车削后面形的轮廓检测，重新规划刃口圆弧中心的轨迹就可以实现对刀具刃口误差及机床系统误差的补偿。单点金刚石车削的误差源分析轮廓测量结果误差信息只有加工零件的一条母线由于测量时间较长，易受环境影响对于大数值孔径的表面，传统的轮廓测量方式，，在边缘斜率较大的地方测量精度明显下降3.利用干涉测量结果补偿单点金刚石车削对称误差的方法轮廓测量补偿法测量结果会包含高频误差和非对称误差时补偿极为困难3.利用干涉测量结果补偿单点金刚石车削对称误差的方法对称误差的干涉补偿法由于刀具刃口波纹度误差和导轨直线性误差在工件面形误差上的表现为回转对称误差，而干涉计量结果进行泽尼克多项式拟合结果具有回转对称性的误差为初级及高级球差项，只要将其进行反馈反馈给机床即可达到补偿车削误差的目的。2,fr==LLxCIIIxdxcxbxa-⋅++=⋅+⋅+⋅+⋅l)(2516981614121lf⋅⋅⋅-⋅+⋅-=2916251)2()20126(TTTalf⋅⋅⋅+⋅-⋅=4916251)2()90306(TTTblf⋅⋅⋅-⋅=69161)2()14020(TTclf⋅⋅⋅=891)2(70Td…+⋅+⋅+⋅+⋅++-+⋅=8642222)1)(1(11)1()(xdxcxbxaxrkxrxg222)1(11)1()(xrxrxf-+⋅=)166(2499+⋅-⋅×=rrTI)1123020(2461616-⋅+⋅-⋅×=rrrTI)1209014070(24682525+⋅-⋅+⋅-⋅×=rrrrTI3.利用干涉测量结果补偿单点金刚石车削对称误差的方法泽尼克多项式系数误差曲线的计算机模拟补偿前干涉仪面形测量结果(pv=1.677λ)补偿后面形测量结果(pv=0.137λ)对称误差的干涉补偿法3.利用干涉测量结果补偿单点金刚石车削对称误差的方法国产刀具（波纹度0.2μm）首次车削后面形误差(pv=1.066λ)国产刀具（波纹度0.2μm）第二次车削后面形误差(pv=0.745λ)最终面形检测结果(pv=0.24λ)根据Zernike多项式系数（加入第36项高级球差）进行误差曲线的计算机模拟(第二次补偿后)根据Zernike多项式系数进行误差曲线的计算机模拟(第二次补偿后)对称误差的干涉补偿法4.大数值孔径高次非球面超精密车削与检测工艺常规轮廓测量设备的测量原理常规接触式轮廓仪的工作示意图传统的测量方法测量头在两个方向上有移动，测头沿母线的平移方向和被测非球面光轴方向常规的测量方法受其运动方式和测头移动精度的影响，对大数值孔径高次非球面检测的误差很大，尤其是边缘斜率较大的非球面测量4.大数值孔径高次非球面超精密车削与检测工艺基于微差原理的轮廓测量仪的测量原理在极坐标系中计算出非球面不同部位对应于最接近球面球心的距离与最接近球面半径的差值，将其与实测值比较得出非球面的误差值。比较传统测量方法直接测量被测非球面的绝对矢高，精度要高，尤其适用于大数值孔径高次非球面的检测4.大数值孔径高次非球面超精密车削与检测工艺基于微差原理的轮廓测量仪测量软件界面测量仪测量重复性实验结果Ra≤0.05微米与Taylor轮廓仪测量结果比对相差小于0.15微米4.大数值孔径高次非球面超精密车削与检测工艺101088664422222)1(11)(xAxAxAxAxAxckxcxy⋅+⋅+⋅+⋅+⋅+⋅⋅+-+⋅=091.0046.11/1/1===Rc753209.0-=k02=A54100550969.2-×=A8610629697.2-×=A10810416305.1-×=A1310106238236.6-×-=A…+⋅+⋅+⋅+⋅+⋅=101088664422)(xAxAxAxAxAxf该高次非球面与其最接近球面的偏离量超过1mm，边缘切线斜率接近60度，形状陡峭，属于典型的大数值孔径高次非球面。基于微差原理的轮廓测量仪的加工和测量实验4.大数值孔径高次非球面超精密车削与检测工艺微差原理轮廓测量仪测量高次非球面1.以相近数值孔径球面试切件调整刀具水平偏置。2.对高次非球面进行首次车削。3.利用基于微差原理的接触式轮廓仪对首次车削后的高次非球面进行检测。4.以最小二乘法拟合求得误差的多项式系数。5.将拟合得到的非球面误差系数反号后与高次非球面理论方程中的高次项系数叠加。6.以新的非球面方程，通过机床TPG（ToolPathGenerator）生成CNC文件。7.完成补偿后的加工，继续检测，进行新一轮补偿加工循环，直到误差无法收敛。基于微差原理的轮廓测量仪的加工和测量实验4.大数值孔径高次非球面超精密车削与检测工艺首次车削后测量结果pv=22μm最终面形检测结果（pv=0.48μm）大数值孔径高次非球面的实物二次车削后测量结果pv=5.2μm三次车削后测量结果pv=1.7μm基于微差原理的轮廓测量仪的加工和测量实验5.自由曲面超精密车削与检测工艺MooreUPL250三轴单点金刚石车床自由曲面车削有两种形式：慢刀伺服（刀具运动的频率通常低于2赫兹）快刀伺服（刀具运动的频率通常可达200赫兹）自行开发的DJC350三轴单点金刚石车床5.自由曲面超精密车削与检测工艺自由曲面加工的流程自由曲面慢刀伺服车削示意图自由曲面车削工艺流程图自由曲面构造（拟合，CAD，方程）加工路径生成（螺旋线）刀具半径补偿,数据插值，CNC文件生成超精密车削面形检测（三坐标测量）面形误差三维数据点文件达到面形精度要求完成加工YESNO5.自由曲面超精密车削与检测工艺自由曲面刀具曲率半径补偿自由曲面刀具半径补偿示意图)1,/,/(dydfdxdfn=)0,cos,sin(ccnt-=切削点p),,(000zyx的法线矢量刀具切削面的法向矢量为刀具切削点沿切削面方向的法向矢量pn刀具半径补偿后的坐标rnnnnzyxzyxttttt])([),,(),,(000⋅-+=5.自由曲面超精密车削与检测工艺自由曲面数据拟合方法CBxAxyxf++=2),(与点(x,y)最接近的9个点进行曲面拟合，以确定A,B,CBAxyxfx+=2),(''2),(ByAyxfy+=我们提出采用矩形域最小二乘曲面对其进行区域拟合矩形域最小二乘曲面拟合方法与传统的泽尼克多项式拟合相比较：u不需要对数据进行圆域正交对称处理，对形状较为复杂的自由曲面数据处理精度要高。u但对于边缘的矩形域的测量数据空白区域须作数据处理：方法是采用二元一次线性插值的方法补充数据，或提高测量数据点密度，将边缘失真分析结果去除。自由曲面三坐标测量仪5.自由曲面超精密车削与检测工艺自由曲面车削实例一:椭圆形自由曲面0222=++++fzdxzczbyax51056548859.2-×-=a51038823529.3-×-=b71072532986.7-×=c51037711078.3-×-=d31089529716.6-×=f首次车削结果（pv=6.8μm）第一次补偿后结果（pv=2.5μm）第二次补偿后结果（pv=0.9μm）椭圆形自由曲面实物自由曲面CNC加工轨迹5.自由曲面超精密车削与检