基于慢刀伺服的3D 曲面拋光技術研究

劉 彥，張 寧，張 堃

（中山火炬職業技術學院，廣東 中山 528436）

0 引言

科學技術的快速發展帶動了生產效率、生產質量的改善，人們對生活中使用到的工具的品質要求也越來越高，光學通訊、醫療器械、民用等行業中人們對元器件的使用要求最為典型。元器件成品不但表面上要求質量好、精準度高，亞表面層也需要具備相當的質量效果。拋光在光學精密加工中屬于最后的工序，而且也是非常關鍵的工序，其作用就是為了除掉上面工序中的加工痕跡，減少表面的粗糙程度，提高產品外觀的美觀度，讓產品表面的品質更高[1]。以往的拋光方法有很多種，如機械拋光、化學拋光和化學機械拋光等，不過都存在一定的缺陷，例如加工周期較長、效率低下、加工品質沒有保障等[2]，此外，現階段的大部分拋光技術都無法做到針對內孔、凹凸面、死角等比較復雜的地方實行拋光，經常作用在平面加工中，應用的區域比較有限。為了能提高以往拋光加工方法，提升加工效率，得到更高精度表面，尋找新的光學加工工藝，就目前市場上使用較多的集中拋光技術展開研究，通過對比分析找到現階段加工質量、拋光效率最高的3D 曲面拋光技術[3]。3D 曲面的制作和使用可以讓特殊的成像要求得到滿足，例如NASA 成像光譜儀想要實現自身系統尺寸的縮小就必須要使用到3D曲面光學器件，同樣的，NASA 成像光譜儀想要降低波前像差，以便將散光視野控制在不同的位置上，也需要使用到3D 曲面。現階段3D 曲面零件在軍工、航天、航空、工業等諸多領域都有應用，且用量不斷增長。3D 曲面拋光技術能夠減少表面微裂紋層，從而降低粗糙度指數，提升光學元器件的性能，做好3D 曲面拋光技術的研究是當下需要解決的重要問題。

1 超精密拋光技術

超精密拋光技術主要利用微磨粒和理化的手段，對工件的表面進行經加工處理，該項技術的應用可以幫助工件精度達到納米級別。目前，超精密技術主要應用到車削與磨削加工鏈上，通過拋光來消除工件表面的部分瑕疵，使得其保持干凈、整潔的良好狀態[4]。現階段最為常見的超精密拋光技術有氣囊拋光、化學機械拋光等，這些拋光技術需要直接與工件接觸，進行工件表面拋光的同時也可能因為各類失誤造成工件損傷，等離體拋光技術與剪切增稠拋光技術等新型非接觸拋光技術則不需要與工件表面直接接觸，相對來說具有很大的應用優勢，但這種拋光技術的加工效率較低，值得深入研究并加以改善，逐步增強其使用性能，發揮其應用價值[5]。

氣囊拋光是目前應用最為廣泛的一種3D 曲面拋光技術，其通過氣壓來管控和帶動裝備了拋光墊的氣囊頭對工件表面進行拋光，氣囊頭自身具有彈性，與工件的接觸面積比較大，在確保工件吻合情況的基礎上，很大程度上提升了拋光效果和拋光效率[6]。與氣囊拋光技術不同，等離子體拋光技術不需要與工件直接接觸，其原理為化學反應，通過等離子體與工件表面的化學反應生成揮發性較強的化合物，從而實現對工件表面的拋光。等離子體拋光技術作為非接觸型拋光技術的代表，其特點是操作方便且不會造成工件表面污染，具有較高的加工質量，但等離子體拋光技術加工效率低下，一般用于球面以及非球面等加工生產[7]。

2 基于慢刀伺服的3D 曲面拋光技術

2.1 慢刀伺服加工方法

2.1.1 慢刀伺服的創成原理

一般的二軸數控車床在使用時，只可用在切削旋轉對稱的曲面中，從運動形式方面進行分析，呈現為相互獨立的狀態，在主體運動過程中，借助于主軸帶動工件，從而實現旋轉運動，在直角坐標系下，進給運動刀具移動到X與Z軸方向，其中，Z表示X的函數，表達式為z＝f（x），主軸在發生轉動時，以及刀具移動的變化，則是由數控平臺與數控流程來帶動[8]。慢刀伺服（STS）車削技術是以二軸超精密車床為前提而興起的，擁有慢刀伺服加工水平的機床和一般機床的區別反映在主軸運動管理方面，其實質即為位置管理，在操作中新增了C軸，則并不是速度管控，對于Z向坐標來說，則與C角度以及X坐標存在密切的聯系，共同構成z＝f（x，c），基于極坐標系的條件下，就可以達到加工處理非回轉對稱曲面的目的。

2.1.2 慢刀伺服技術的機床布局

慢刀伺服技術的機床安排方法是高精度主軸（即C軸）單獨配置，其旋轉則是由直驅電機進行帶動的，在主軸中，對三爪卡盤進行配置，使被加工工件更加穩定；不僅如此，兩根運動軸（X、Z軸）呈90°交疊的方式，同時X軸在Z軸的上面，而X軸的運動方向是與主軸旋轉中心線成90°角的方向，Z軸的運動方向是平行于主軸旋轉中心線的方向，也就是與X軸成180°角的運動方向；X軸中配置了裝有刀具的刀架[9]。

2.1.3 慢刀伺服技術的坐標系定義

在該項技術中，不同方面對比機床的運動，主要取決于相關坐標系，其中可包括刀具、工件等。慢刀伺服在機床坐標系中是機床穩定的坐標系，其功能在生產與調整機床中，也屬于設置工件坐標系的根本；慢刀伺服的刀具運動坐標系與機床坐標系一致；慢刀伺服中工件坐標系的原點，則是結合編程的便利程度進行判斷的，通常是在極坐標中完成。

2.2 基于慢刀伺服的3D 曲面拋光技術

基于慢刀伺服（STS）和NC 機床的準柔性拋光加工方式，重點實施3D 曲面拋光技術分析，開發了STS與柔性拋光結構，在應用拋光刀具時，對其操作軌跡進行布局，對刀位文件后處理器開發之后，基于頻率與轉速為依托，構建了標定實驗系統模式，以STS 為前提的準柔性拋光實驗系統等。

（1）研究3D 曲面零件的加工措施，選擇應用小直徑球刀，對車刀的銑削形式進行替代，并達到布局刀具軌跡的目的，經過對比研究之后，則可得出同心單向所具有的圓弧切削模式，根據不同的刀具軌跡導出方式，保障了相關工件Z坐標的統一性。（2）結合拋光實驗設備所具有的空間結構特征，在布局過程中，合理設置刀具的旋轉軸線，并保證與工件中心線呈35°角，促使刀軸相互吻合拋光頭拋光形態，為便于分析相關拋光參數，通過采用刀軌可視化3D 動態仿真的方式，對刀軌所具有的效果與精準性進行檢測。（3）結合3D 曲面零件的特征，以及準柔性拋光而采用的刀具軌跡形式，研發設計了相應的后處理器，可適用于外圓車削、軸向端面加工以及準柔性拋光等方面。（4）出現了帶動次數與轉速的標定檢測系統，在操作過程中，利用整形濾波重點討論了變頻器帶動次數與電主軸轉速之間所具有的線性關系，通過對電主軸轉速進行分析后，明確具體的檢測精度。（5）開發出了柔性拋光檢測平臺與拋光力檢測平臺，采用Kistler 9257B 切削測力儀進行檢測，對此展開深入的探討與分析。

2.3 基于慢刀伺服的3D 曲面拋光技術的應用

2.3.1 環曲面車削

基于慢刀伺服的環曲面車削實驗中，工件為有機玻璃（PMMA 聚甲基丙烯酸甲酯），加工工件的直徑為40 mm，調整好刀具補償算法，PVT 插補入口參數并采用三點法生成，對環曲面工件進行加工。完成加工后的工件借助JB-4C 型表面接觸式粗糙度儀進行工件粗糙度測量，通過與其他曲面拋光技術（氣囊拋光）的表面粗糙度進行對比，基于慢刀伺服的環曲面車削加工中，工件表面粗糙度為Ra0.066 μm，而其他曲面拋光技術（氣囊拋光）作用下的工件粗糙度為Ra0.083 μm，此外，基于慢刀伺服的環形曲面車削加工中工件的面形誤差（±0.010 mm）也明顯低于其他曲面拋光技術（氣囊拋光）中工件的面形誤差（±0.015 mm），基于此，基于慢刀伺服的3D 曲面加工相較于其他曲面拋光技術，可以保持更低的表面粗糙度和面形誤差。

2.3.2 漸進多焦點曲面車削

基于慢刀伺服的漸進多焦點曲面車削實驗中，工件為有機玻璃（PMMA 聚甲基丙烯酸甲酯），加工工件的直徑為40 mm，同樣調整好刀具補償算法（曲面投射補償算法），PVT 插補入口參數并采用三點法生成，對漸進多焦點曲面工件進行加工。完成加工后的工件借助JB-4C 型表面接觸式粗糙度儀進行工件粗糙度測量，測量結果顯示，基于慢刀伺服的漸進多焦點曲面車削加工與其他拋光技術的表面粗糙度分別為Ra0.065 μm、Ra0.078 μm，借助MQ686 型三坐標測量儀對工件的面形誤差進行測量，測量結果分別為±0.015 mm、±0.018 mm，綜合以上，慢刀伺服下的漸進多焦點曲面車削實驗中，可以通過曲面投射補償的方法來確保刀位點都落在正確的位置上，以至于3D 曲面的最終加工結果可以符合加工精度的要求，保持較低的表面粗糙度和面形誤差。

2.3.3 正弦陣列面車削

基于慢刀伺服的正弦陣列面車削實驗中，工件為有機玻璃（PMMA 聚甲基丙烯酸甲酯），加工工件的直徑為60 mm，同樣調整好刀具補償算法（曲面投射補償算法），PVT 插補入口參數并采用三點法生成，對正弦陣列面工件進行加工。完成加工后的工件借助JB-4C 型表面接觸式粗糙度儀進行工件粗糙度測量，測量結果顯示，基于慢刀伺服的正弦陣列面車削加工與其他拋光技術的表面粗糙度分別為Ra0.100 μm、Ra0.110 μm，借助MQ686 型三坐標測量儀對工件的面形誤差進行測量，測量結果分別為±0.022 mm、±0.025 mm。

正弦陣列面作為3D 曲面的典型組成部分，其最大的特點是形狀復雜且起伏較大，加工過程中很容易出現面形誤差和表面粗糙度不符合標準的問題，基于慢刀伺服的3D 曲面拋光技術應用下，曲面投射補償算法可以確保定位精度，使得刀具落在合適的位置上，進而保證加工工件的表面精度。

3 應用效果分析

基于慢刀伺服的3D 曲面拋光技術屬于機械拋光技術的類別，通過車削的方式將工件表面不平整的材料去除，往往不伴隨化學反應，不同于化學拋光和電解拋光技術。從表面粗糙度來看，基于慢刀伺服的3D曲面拋光技術可達到的工件表面粗糙度Ra＝0.3～3.0 μm，高于化學拋光可以達到的表面粗糙度Ra＝0.5～10 μm，電解拋光則可以達到Ra＜0.5 μm 的表面粗糙度，表明基于慢刀伺服的3D 曲面拋光技術在加工精度方面相較于化學拋光技術具有一定優勢，但同樣對加工技術提出了更高的要求，在復雜曲面的加工中需要做好質量管理工作，盡可能減少加工誤差，保障工件的質量和使用壽命[10]。

從加工效率方面來看，基于慢刀伺服的3D 曲面拋光技術作為機械拋光的一種，其結構最為簡單，不需要準備夾具、直流電設備、化學介質等相關材料，但加工時間受到曲面復雜程度的影響，但整體加工時間要明顯短于化學拋光與電解拋光，在加工效率方面具有顯著優勢。

從經濟性方面來看，基于慢刀伺服的3D 曲面拋光技術只需要根據3D 曲面的情況建立起對應程式，由機床統一完成3D 曲面拋光，化學拋光與電解拋光等技術需要做好充足的材料準備工作，電解液與化學介質等材料多為一次性，使用壽命短，相較于慢刀伺服的3D 曲面拋光技術來說成本更高。具體見表1。

表1 不同拋光工藝對比

4 結語

光學組件的超精密加工已取得了突破性進展，越來越多的3D 曲面光學組件已經普遍使用在光學成像、空間觀測等方面。在超精密光學拋光技術領域，之前的加工措施如等離子體拋光，利用設備優化或和其他方式的充分結合，能實現的材料去除率達到更高標準，與此同時，其表面質量也得到了顯著提升。盡管現階段超精密拋光技術有許多，然而基本上都具有相應的問題，或無法實現想要的表面質量，或無法得到想要的面形。所以，應當研發新的拋光技術來得到滿足需要的微細結構光學組件。基于慢刀伺服的3D 曲面拋光技術在促進更高的面形精度領域擁有其自己的長處，可協助光學加工技術的進步。