离轴非球面反射镜的砂轮原位自动整形铣磨加工方法

摘要

离轴非球面反射镜的砂轮原位自动整形铣磨加工方法，涉及空间光学系统先进制造领域，解决了现有单点斜轴磨削方法存在的加工效率较低的问题，该方法为：建立离轴非球面反射镜CAD解析模型；计算弧面砂轮表面当前磨削点的加工驻留时间和加工路径；计算砂轮表面当前磨削点变化引起的弧面砂轮Z轴当前跟随坐标在Z轴方向的变化量；制作后置处理程序文件并转化为五轴联动数控加工程序；将工件固定在五轴联动机床转台的中心处，按五轴联动数控加工程序用超声波振动辅助弧面砂轮摆动加工。本发明通过弧面砂轮低速往复摆动，使砂轮表面各点均参与磨削，砂轮磨损总量均化到整个砂轮弧面，实现了弧面砂轮原位自动整形和保形功能，且成本低、加工周期短。

说明书

技术领域

本发明涉及空间光学系统先进制造技术领域，具体涉及一种离轴非球面反 射镜的砂轮原位自动整形铣磨加工方法。

背景技术

空间相机是指环绕地球轨道运行并担负对地侦测、深空探测等任务的航天 光学成像遥感器，其核心元件是多片超高精度反射镜，碳化硅（SiC）是制作反 射镜的理想材料，与微晶玻璃（Zerodur）、零膨胀玻璃（ULE）等反射镜材料相 比，随着反射镜口径的不断增大，碳化硅（SiC）的性能优势愈加明显，有望成 为未来空间相机反射镜的首选材料。但碳化硅（SiC）是仅次于金刚石和立方氮 化硼（CBN）的超硬脆性材料，采用传统铣磨设备和工艺加工碳化硅（SiC）时， 材料去除率低，砂轮磨损剧烈导致工件面形误差大、表面质量差，砂轮频繁停 机修整导致加工效率低。

砂轮在线修整技术（ELID）可以实现砂轮的在线修锐，但很难完成复杂型 面砂轮的在线整形。公开号为CN101310927的中国专利公开了一种非导电性结 合剂金刚石砂轮的电火花修整方法，在金刚石砂轮表面紧贴一种有粘性的电刷， 金刚石砂轮磨削该电刷时，电刷在金刚石表面均匀涂覆一层导电粉末薄膜，在 金刚石砂轮表面合成导电层，从而建立电火花修整砂轮的放电条件，实现电火 花修整非导电性结合剂金刚石砂轮。

一种非球面超精密单点磨削与形状误差补偿技术（[J]机械工程学报，第46 卷第23期，186-191）公开了一种非球面模具的单点斜轴磨削方法，如图1所示， 圆盘状砂轮在沿x轴方向进给的同时，还绕磨削点在xOz平面内摆动，使工件 表面法向量与圆盘状砂轮轴线始终保持固定角度（45°），无论工件表面如何变 化，磨削点都被牢牢控制在圆盘状砂轮的棱边，可以获得大陡度高次曲面的铣 磨精度，但是该方法中圆盘状砂轮磨损集中，凭借原位测量与误差补偿可消除 一小部分面形误差，然而加工经验表明，随工件口径的增大，误差补偿加工的 次数也相应增多，当加工1米口径碳化硅反射镜时，需多次补偿加工，加工效 率降低；当按工件最接近球面进行铣磨加工时，获得的面形误差PV值将大于 1200μm，这样大的误差量必须依靠后续精密研磨去除，增大了工作量，严重降 低了加工效率。

发明内容

为了解决现有单点斜轴磨削方法存在的加工效率较低的问题，本发明提供 一种离轴非球面反射镜的砂轮原位自动整形铣磨加工方法。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

离轴非球面反射镜的砂轮原位自动整形铣磨加工方法，在具有超声波振动 辅助加工功能的五轴联动机床上实现，该方法的条件和步骤如下：

步骤一、采用三维制图软件建立离轴非球面反射镜的CAD解析模型；

步骤二、根据工件表面的面形数据、弧面砂轮面形参数和加工路径，求解 弧面砂轮轴线的当前空间位姿和Z轴当前跟随坐标，再通过加工驻留时间算法 和加工路径规划计算弧面砂轮表面当前磨削点的加工驻留时间；

步骤三、将原位测量的工件表面的面形数据与从CAD解析模型中提取的点 云数据进行比对，通过加工驻留时间人工智能分配法选取合适的加工路径；

步骤四、按照设定的弧面砂轮的摆动速度和范围，通过机床主轴带动弧面 砂轮实现摆动加工，计算弧面砂轮表面当前磨削点变化引起的弧面砂轮Z轴当 前跟随坐标在Z轴方向的变化量，并将该变化量反馈到上述的加工路径文件中；

步骤五、制作五轴联动机床的后置处理程序文件，并将其转化为五轴联动 数控加工程序；

步骤六、将工件固定在五轴联动机床转台的中心处，其表面的几何中心与 转台的旋转中心重合，按照五轴联动数控加工程序进行加工，同时采用超声波 振动辅助弧面砂轮实现摆动铣磨加工，加工过程中随时调整工件表面磨削点处 的法线与弧面砂轮的轴线之间的角度，并采用水基冷却液进行浇注式冷却。

所述五轴联动机床采用德国德马吉公司生产的一种具有45度倾斜摆头的非 正交机床。

所述工件为预加工的离轴非球面反射镜，所述离轴非球面反射镜的材料为 反应烧结碳化硅。

所述弧面砂轮是通过将大直径盘状树脂结合剂砂轮的侧面整形成椭圆形或 抛物线形弧面后得到的。

步骤五中，所述后置处理程序文件的制作和五轴联动数控加工程序的生成 是采用ICAM公司的后置处理软件ICAM-POST实现的。

在进行步骤六之前，还包括以下步骤：采用数控模拟仿真软件VERICUT建 立数控虚拟加工环境，对所编制的五轴联动数控加工程序进行虚拟加工仿真， 实现过切和欠切检查，防止机床碰撞、超行程事故的发生。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用弧面砂轮（如圆弧面、椭圆弧面、抛物弧面），在加工过程 中，通过弧面砂轮的低速往复摆动，主动控制当前磨削点沿弧面砂轮弧面的周 期性往复摆动，使弧面砂轮表面各点全部参与磨削，摆脱了现有砂轮表面当前 磨削点被动式跟随工件表面法向量变化的局面，弧面砂轮磨损总量均化到整个 弧面砂轮的弧面，长期使用下弧面砂轮的形状也不会改变，从而实现了弧面砂 轮原位自动整形和保形功能。

2、本发明的方法无需附加任何机械装置，无需停止加工过程，弧面砂轮修 形成本降至最低，同时大幅度缩短了离轴非球面反射镜的铣磨加工周期。

3、本发明中，由弧面砂轮剧烈磨损引起的工件面形误差大幅降低，可以实 现无需误差补偿而一次加工达到面形精度指标的要求。

4、本发明中，由于磨削点在弧面砂轮弧面上的逐点依次更替，磨削区域的 冷却和润滑状态得到极大改善，降低了磨削力和当前磨削点温度，大幅降低弧 面砂轮的磨损量，减少或杜绝弧面砂轮烧伤问题的发生。

5、本发明使用的五轴联动机床配备了超声主轴和超声振动发生器刀柄，在 超声振动作用下，一方面提高了弧面砂轮的自动修锐，另一方面减小了磨削力， 一定程度上弥补了五轴联动机床刚度较低的不足。

附图说明

图1为现有的一种非球面模具的单点斜轴磨削方法的示意图；

图2为通过弧面砂轮摆动实现本发明的离轴非球面反射镜的砂轮原位自动 整形铣磨加工方法的示意图；

图3为采用本发明的离轴非球面反射镜的砂轮原位自动整形铣磨加工方法 加工后的离轴非球面反射镜的加工表面面形误差的分布图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明的离轴非球面反射镜的砂轮原位自动整形铣磨加工方法，在具有超 声波振动辅助加工功能的五轴联动机床上实现，该方法的具体条件和步骤如下：

步骤一、制作弧面砂轮

选择大直径盘状树脂结合剂砂轮，将其侧面整形成椭圆形或抛物线形弧面， 得到弧面砂轮。

步骤二、建立离轴非球面反射镜的CAD解析模型

按照光学设计的离轴非球面反射镜的参数及其几何量参数，采用三维制图 软件精确建立离轴非球面反射镜的CAD解析模型；

该CAD解析模型是接触区域沿加工轨迹随曲面曲率变化的几何时变模型， 结合铣磨工艺参数，建立加工离轴非球面的磨削点运动轨迹模型。

步骤三、计算弧面砂轮表面当前磨削点的加工驻留时间

本发明中所需要加工的离轴非球面反射镜的材料为反应烧结碳化硅 （RB-SiC）；

根据预加工的离轴非球面反射镜材料表面的面形数据、弧面砂轮面形参数 和加工路径，求解弧面砂轮轴线当前空间位姿和Z轴当前跟随坐标，并通过加 工驻留时间算法和加工路径规划计算弧面砂轮表面当前磨削点的加工驻留时 间，提升弧面砂轮表面逐点依次精准自动整形能力。

步骤四、利用计算机辅助加工技术（CAM）生成并优化加工路径

将原位测量的预加工的离轴非球面反射镜材料表面的面形数据与从CAD解 析模型中提取的点云数据进行比对，再根据弧面砂轮摆动加工的工艺特点，通 过加工驻留时间人工智能分配方法为铣磨加工过程中的弧面砂轮原位自动整形 选取合适的加工路径，合理的选择加工路径类型及驱动方式，可以提高铣磨表 面的加工质量一致性。

步骤五、计算弧面砂轮表面当前磨削点变化引起的弧面砂轮Z轴当前跟随 坐标在Z轴方向的变化量。

采用德国德马吉公司（DMG）生产的五轴联动机床，它是一种具有45度倾 斜摆头的非正交机床，该45度倾斜摆头为非标配置，这样的益处在于加工中可 以实现弧面砂轮的摆动磨削方式，有别于传统的正交磨削方式；

按照预先设定的弧面砂轮摆动速度和范围，通过机床主轴带动弧面砂轮实 现摆动加工，计算弧面砂轮表面当前磨削点变化引起的弧面砂轮Z轴当前跟随 坐标在Z轴方向的变化量，并将该变化量反馈到步骤四中的加工路径文件中， 实现弧面砂轮摆动而又不引入加工表面的形状误差。

步骤六、制作后置处理程序文件，生成五轴联动数控加工程序

采用国际著名的ICAM公司的后置处理软件ICAM-POST，结合实际工况通 过编程来开发五轴联动机床的后置处理程序文件，可以快速将生成的后置处理 程序文件转化为该机床可以正确执行的高质量五轴联动数控加工程序 （XYZBC）；

采用数控模拟仿真软件VERICUT建立数控虚拟加工环境，对所编制的五轴 联动数控加工程序进行虚拟加工仿真，实现过切和欠切检查，防止机床碰撞、 超行程等事故的发生。

步骤七、加工

将预加工的离轴非球面反射镜材料摆放在五轴联动机床的转台的中心处， 并使其表面的几何中心与转台的旋转中心重合，然后固定，按照设计好的生成 五轴联动数控加工程序进行加工，同时采用超声波振动辅助弧面砂轮摆动铣磨 加工方式，加工过程中，随时调整预加工的离轴非球面反射镜材料表面磨削点 处的法线与弧面砂轮的轴线的角度，同时采用水基冷却液进行浇注式冷却；

所建立的预加工的离轴非球面反射镜材料的摆放方法是将其摆放在转台中 心，与现有的将其摆放在离轴位置的方法不同，虽然弧面砂轮磨损但不引起弧 面砂轮形状的改变，实现弧面砂轮的原位自动整形。

步骤八、加工表面形状误差测量

采用上述专利方法，加工直径1350mm的反应烧结SiC离轴非球面反射镜， 加工完成后，采用摆臂轮廓仪测量离轴非球面反射镜的面形误差，测量结果如 图3所示，加工后的面形精度PV值（峰谷值）为34.8μm，RMS值（均方根） 为4.9μm。