基于慢刀伺服的3D 曲面抛光技术研究

刘 彦，张 宁，张 堃

（中山火炬职业技术学院，广东 中山 528436）

0 引言

科学技术的快速发展带动了生产效率、生产质量的改善，人们对生活中使用到的工具的品质要求也越来越高，光学通讯、医疗器械、民用等行业中人们对元器件的使用要求最为典型。元器件成品不但表面上要求质量好、精准度高，亚表面层也需要具备相当的质量效果。抛光在光学精密加工中属于最后的工序，而且也是非常关键的工序，其作用就是为了除掉上面工序中的加工痕迹，减少表面的粗糙程度，提高产品外观的美观度，让产品表面的品质更高[1]。以往的抛光方法有很多种，如机械抛光、化学抛光和化学机械抛光等，不过都存在一定的缺陷，例如加工周期较长、效率低下、加工品质没有保障等[2]，此外，现阶段的大部分抛光技术都无法做到针对内孔、凹凸面、死角等比较复杂的地方实行抛光，经常作用在平面加工中，应用的区域比较有限。为了能提高以往抛光加工方法，提升加工效率，得到更高精度表面，寻找新的光学加工工艺，就目前市场上使用较多的集中抛光技术展开研究，通过对比分析找到现阶段加工质量、抛光效率最高的3D 曲面抛光技术[3]。3D 曲面的制作和使用可以让特殊的成像要求得到满足，例如NASA 成像光谱仪想要实现自身系统尺寸的缩小就必须要使用到3D曲面光学器件，同样的，NASA 成像光谱仪想要降低波前像差，以便将散光视野控制在不同的位置上，也需要使用到3D 曲面。现阶段3D 曲面零件在军工、航天、航空、工业等诸多领域都有应用，且用量不断增长。3D 曲面抛光技术能够减少表面微裂纹层，从而降低粗糙度指数，提升光学元器件的性能，做好3D 曲面抛光技术的研究是当下需要解决的重要问题。

1 超精密抛光技术

超精密抛光技术主要利用微磨粒和理化的手段，对工件的表面进行经加工处理，该项技术的应用可以帮助工件精度达到纳米级别。目前，超精密技术主要应用到车削与磨削加工链上，通过抛光来消除工件表面的部分瑕疵，使得其保持干净、整洁的良好状态[4]。现阶段最为常见的超精密抛光技术有气囊抛光、化学机械抛光等，这些抛光技术需要直接与工件接触，进行工件表面抛光的同时也可能因为各类失误造成工件损伤，等离体抛光技术与剪切增稠抛光技术等新型非接触抛光技术则不需要与工件表面直接接触，相对来说具有很大的应用优势，但这种抛光技术的加工效率较低，值得深入研究并加以改善，逐步增强其使用性能，发挥其应用价值[5]。

气囊抛光是目前应用最为广泛的一种3D 曲面抛光技术，其通过气压来管控和带动装备了抛光垫的气囊头对工件表面进行抛光，气囊头自身具有弹性，与工件的接触面积比较大，在确保工件吻合情况的基础上，很大程度上提升了抛光效果和抛光效率[6]。与气囊抛光技术不同，等离子体抛光技术不需要与工件直接接触，其原理为化学反应，通过等离子体与工件表面的化学反应生成挥发性较强的化合物，从而实现对工件表面的抛光。等离子体抛光技术作为非接触型抛光技术的代表，其特点是操作方便且不会造成工件表面污染，具有较高的加工质量，但等离子体抛光技术加工效率低下，一般用于球面以及非球面等加工生产[7]。

2 基于慢刀伺服的3D 曲面抛光技术

2.1 慢刀伺服加工方法

2.1.1 慢刀伺服的创成原理

一般的二轴数控车床在使用时，只可用在切削旋转对称的曲面中，从运动形式方面进行分析，呈现为相互独立的状态，在主体运动过程中，借助于主轴带动工件，从而实现旋转运动，在直角坐标系下，进给运动刀具移动到X与Z轴方向，其中，Z表示X的函数，表达式为z＝f（x），主轴在发生转动时，以及刀具移动的变化，则是由数控平台与数控流程来带动[8]。慢刀伺服（STS）车削技术是以二轴超精密车床为前提而兴起的，拥有慢刀伺服加工水平的机床和一般机床的区别反映在主轴运动管理方面，其实质即为位置管理，在操作中新增了C轴，则并不是速度管控，对于Z向坐标来说，则与C角度以及X坐标存在密切的联系，共同构成z＝f（x，c），基于极坐标系的条件下，就可以达到加工处理非回转对称曲面的目的。

2.1.2 慢刀伺服技术的机床布局

慢刀伺服技术的机床安排方法是高精度主轴（即C轴）单独配置，其旋转则是由直驱电机进行带动的，在主轴中，对三爪卡盘进行配置，使被加工工件更加稳定；不仅如此，两根运动轴（X、Z轴）呈90°交叠的方式，同时X轴在Z轴的上面，而X轴的运动方向是与主轴旋转中心线成90°角的方向，Z轴的运动方向是平行于主轴旋转中心线的方向，也就是与X轴成180°角的运动方向；X轴中配置了装有刀具的刀架[9]。

2.1.3 慢刀伺服技术的坐标系定义

在该项技术中，不同方面对比机床的运动，主要取决于相关坐标系，其中可包括刀具、工件等。慢刀伺服在机床坐标系中是机床稳定的坐标系，其功能在生产与调整机床中，也属于设置工件坐标系的根本；慢刀伺服的刀具运动坐标系与机床坐标系一致；慢刀伺服中工件坐标系的原点，则是结合编程的便利程度进行判断的，通常是在极坐标中完成。

2.2 基于慢刀伺服的3D 曲面抛光技术

基于慢刀伺服（STS）和NC 机床的准柔性抛光加工方式，重点实施3D 曲面抛光技术分析，开发了STS与柔性抛光结构，在应用抛光刀具时，对其操作轨迹进行布局，对刀位文件后处理器开发之后，基于频率与转速为依托，构建了标定实验系统模式，以STS 为前提的准柔性抛光实验系统等。

（1）研究3D 曲面零件的加工措施，选择应用小直径球刀，对车刀的铣削形式进行替代，并达到布局刀具轨迹的目的，经过对比研究之后，则可得出同心单向所具有的圆弧切削模式，根据不同的刀具轨迹导出方式，保障了相关工件Z坐标的统一性。（2）结合抛光实验设备所具有的空间结构特征，在布局过程中，合理设置刀具的旋转轴线，并保证与工件中心线呈35°角，促使刀轴相互吻合抛光头抛光形态，为便于分析相关抛光参数，通过采用刀轨可视化3D 动态仿真的方式，对刀轨所具有的效果与精准性进行检测。（3）结合3D 曲面零件的特征，以及准柔性抛光而采用的刀具轨迹形式，研发设计了相应的后处理器，可适用于外圆车削、轴向端面加工以及准柔性抛光等方面。（4）出现了带动次数与转速的标定检测系统，在操作过程中，利用整形滤波重点讨论了变频器带动次数与电主轴转速之间所具有的线性关系，通过对电主轴转速进行分析后，明确具体的检测精度。（5）开发出了柔性抛光检测平台与抛光力检测平台，采用Kistler 9257B 切削测力仪进行检测，对此展开深入的探讨与分析。

2.3 基于慢刀伺服的3D 曲面抛光技术的应用

2.3.1 环曲面车削

基于慢刀伺服的环曲面车削实验中，工件为有机玻璃（PMMA 聚甲基丙烯酸甲酯），加工工件的直径为40 mm，调整好刀具补偿算法，PVT 插补入口参数并采用三点法生成，对环曲面工件进行加工。完成加工后的工件借助JB-4C 型表面接触式粗糙度仪进行工件粗糙度测量，通过与其他曲面抛光技术（气囊抛光）的表面粗糙度进行对比，基于慢刀伺服的环曲面车削加工中，工件表面粗糙度为Ra0.066 μm，而其他曲面抛光技术（气囊抛光）作用下的工件粗糙度为Ra0.083 μm，此外，基于慢刀伺服的环形曲面车削加工中工件的面形误差（±0.010 mm）也明显低于其他曲面抛光技术（气囊抛光）中工件的面形误差（±0.015 mm），基于此，基于慢刀伺服的3D 曲面加工相较于其他曲面抛光技术，可以保持更低的表面粗糙度和面形误差。

2.3.2 渐进多焦点曲面车削

基于慢刀伺服的渐进多焦点曲面车削实验中，工件为有机玻璃（PMMA 聚甲基丙烯酸甲酯），加工工件的直径为40 mm，同样调整好刀具补偿算法（曲面投射补偿算法），PVT 插补入口参数并采用三点法生成，对渐进多焦点曲面工件进行加工。完成加工后的工件借助JB-4C 型表面接触式粗糙度仪进行工件粗糙度测量，测量结果显示，基于慢刀伺服的渐进多焦点曲面车削加工与其他抛光技术的表面粗糙度分别为Ra0.065 μm、Ra0.078 μm，借助MQ686 型三坐标测量仪对工件的面形误差进行测量，测量结果分别为±0.015 mm、±0.018 mm，综合以上，慢刀伺服下的渐进多焦点曲面车削实验中，可以通过曲面投射补偿的方法来确保刀位点都落在正确的位置上，以至于3D 曲面的最终加工结果可以符合加工精度的要求，保持较低的表面粗糙度和面形误差。

2.3.3 正弦阵列面车削

基于慢刀伺服的正弦阵列面车削实验中，工件为有机玻璃（PMMA 聚甲基丙烯酸甲酯），加工工件的直径为60 mm，同样调整好刀具补偿算法（曲面投射补偿算法），PVT 插补入口参数并采用三点法生成，对正弦阵列面工件进行加工。完成加工后的工件借助JB-4C 型表面接触式粗糙度仪进行工件粗糙度测量，测量结果显示，基于慢刀伺服的正弦阵列面车削加工与其他抛光技术的表面粗糙度分别为Ra0.100 μm、Ra0.110 μm，借助MQ686 型三坐标测量仪对工件的面形误差进行测量，测量结果分别为±0.022 mm、±0.025 mm。

正弦阵列面作为3D 曲面的典型组成部分，其最大的特点是形状复杂且起伏较大，加工过程中很容易出现面形误差和表面粗糙度不符合标准的问题，基于慢刀伺服的3D 曲面抛光技术应用下，曲面投射补偿算法可以确保定位精度，使得刀具落在合适的位置上，进而保证加工工件的表面精度。

3 应用效果分析

基于慢刀伺服的3D 曲面抛光技术属于机械抛光技术的类别，通过车削的方式将工件表面不平整的材料去除，往往不伴随化学反应，不同于化学抛光和电解抛光技术。从表面粗糙度来看，基于慢刀伺服的3D曲面抛光技术可达到的工件表面粗糙度Ra＝0.3～3.0 μm，高于化学抛光可以达到的表面粗糙度Ra＝0.5～10 μm，电解抛光则可以达到Ra＜0.5 μm 的表面粗糙度，表明基于慢刀伺服的3D 曲面抛光技术在加工精度方面相较于化学抛光技术具有一定优势，但同样对加工技术提出了更高的要求，在复杂曲面的加工中需要做好质量管理工作，尽可能减少加工误差，保障工件的质量和使用寿命[10]。

从加工效率方面来看，基于慢刀伺服的3D 曲面抛光技术作为机械抛光的一种，其结构最为简单，不需要准备夹具、直流电设备、化学介质等相关材料，但加工时间受到曲面复杂程度的影响，但整体加工时间要明显短于化学抛光与电解抛光，在加工效率方面具有显著优势。

从经济性方面来看，基于慢刀伺服的3D 曲面抛光技术只需要根据3D 曲面的情况建立起对应程式，由机床统一完成3D 曲面抛光，化学抛光与电解抛光等技术需要做好充足的材料准备工作，电解液与化学介质等材料多为一次性，使用寿命短，相较于慢刀伺服的3D 曲面抛光技术来说成本更高。具体见表1。

表1 不同抛光工艺对比

4 结语

光学组件的超精密加工已取得了突破性进展，越来越多的3D 曲面光学组件已经普遍使用在光学成像、空间观测等方面。在超精密光学抛光技术领域，之前的加工措施如等离子体抛光，利用设备优化或和其他方式的充分结合，能实现的材料去除率达到更高标准，与此同时，其表面质量也得到了显著提升。尽管现阶段超精密抛光技术有许多，然而基本上都具有相应的问题，或无法实现想要的表面质量，或无法得到想要的面形。所以，应当研发新的抛光技术来得到满足需要的微细结构光学组件。基于慢刀伺服的3D 曲面抛光技术在促进更高的面形精度领域拥有其自己的长处，可协助光学加工技术的进步。