利用激光超声复合技术进行高精密非球面切削

摘 要

　　目前,非球面光学模具加工除了常规的车削、磨削、铣削外,特种能量(激光、超声等)辅助加工逐渐受到科研工作者和生产者重视,其加工方法不断创新,加工设备不断改进,加工质量也在不断提升,进一步促进了非球面零件在航空航天技术、军事科技、民用生活、医疗等领域的应用,其优越的性能激发越来越多的目光聚焦非球面零件的加工和生产上,高精密非球面模具的加工和生产质量已经成为世界各国加工水平的标志之一。本文基于 YG20 模具材料,利用激光超声复合技术对其进行高精密非球面切削,通过切削实验,研究切削加工装置和激光超声切削系统的动态特性及其稳定性,研究影响非球面面形的因素,建立表面质量评价模型,实现对面形和表面粗糙度的预测。

　　通过研究激光辅助加热的基本原理,揭示了激光辅助加热 YG20 硬质合金时,其端面温度在不同激光参数、不同切削条件下的变化规律。研究表明:随着激光功率和光斑直径的变化,YG20 硬质合金表面温度变化明显,而且表面硬度随温度变化成一定线性关系。经过实验,激光功率 350w,激光光斑直径 d=0.5mm 进行辅助加热,材料表面软化层的厚度和切削深度容易匹配,加工表面质量能够得到保证。

　　应用波动理论,研究了超声波在圆柱斜槽传振杆中遵从纵波在三维介质中的传播特征和反射定律,发现斜槽传振杆产生振动的主要原因是超声波在斜槽处发生了反射,产生了波型转换,特别是横波产生剪切应力,促使斜槽传振杆发生扭振,这与斜槽传振杆振动模拟仿真和实际振动测试结果基本吻合。利用超声波质点的位移函数,结合广义胡克定律和几何方程,建立了入射超声波与反射纵波、横波之间的应力关系。根据1R ? α ? μ之间的关系和制造变幅杆材质的泊松比 μ 不同,可以获得不同入射角1α ,从而得到需要的振动效果。在生产实际中,如果在材料强度等满足要求的情况下,可以选择 μ < 0. 2 635的材料制作变幅杆,其二维振动效果会更好。

　　建立了二自由度二维切削加工动力学模型,研究了切削刚度的主轴方向角对切削加工系统的稳定性的影响,建立切削刚度的极限公式,得出主轴刚度方向角θ从 0°变化到 180°时,系统存在不稳定区域重要结果。

　　将内外调制波和超声振动切入效应引入激光超声端面振动切削,建立激光超声辅助切削三维振动切削模型,得到了三维振动切削的动态刚度计算方法。利用图解法,求出内含切入变量振动切削动刚度的幅频响应,分析了系统稳定性条件。

　　通过振动和切削力实验,发现端面切削时,Z 方向是振动切削的敏感方向,切深对动态切削力和振动影响较大。

　　利用超声振动切入效应与再生效应原理,对主切削 Z 向的动态切削力进行了力学运算,构建起机床转速、极限切宽与机床参数、切削参数的关系,实现激光超声三维切削稳定性极限预测,绘制出振动切削稳定性极限图。针对实验使用的设备和工艺条件,用计算机模拟仿真出了激光超声振动切削稳定性叶瓣图,求出了激光超声切削的极限切削宽度最小值 =0 366lim min(b  ) .mm ,以及不稳定切削转速区段为 285rad/min-300rad/min,720rad/min-800rad/min 等区域段。

　　对激光超声切削非球面的面形精度进行了系统研究,分析了影响非球面面形的主要因素,通过激光超声辅助切削和普通切削面形实验以及切削参数对非球面面形的影响,发现切削参数、刀具磨损等对面形精度的影响规律,优化切削参数,基于时间序列建立了面形精度的 AR 预测模型并对模型进行了修正,通过实验验证了模型有效性。

　　研究刀具在进给方向上的轨迹形成规律,建立了刀具-工件相对振动的频率和主轴回转频率wf 的关系,发现非球面表面的成型过程实际上是刀刃形状在进给方向上对动态刀具轨迹进行采样的过程,进而形成加工表面的微观形貌。

　　利用二次旋转正交回归分析方法,建立超精密切削非球面粗糙度模型,优化切削工艺参数,进而将激光超声辅助切削时的主切削力引入到表面粗糙度计算公式,结合遗传算法,建立起激光超声辅助切削非球面粗糙度的预测模型。通过比较预算模型的计算值、实际表面粗糙度检测值以及传统粗糙度公式计算值,发现遗传算法建立的粗糙度预测模型计算值更接近实际值,证明建立的粗糙度预测模型的有效性和科学性。

　　在激光超声切削过程中发现,当切削深度非常小时,出现切削力变大,表面质量下降的现象,表明在切深较小的条件下,尺寸效应表现出来,刀具要克服工件材料晶粒结合的能量。

　　关键词: 激光超声;车削特性;非球面模具;表面质量

Abstract

　　At present, the special energy (laser and ultrasonic assisted processing, etc.) processing of the aspheric optical mold has been gradually taken seriously, in addition to the normal turning, grinding and milling. The processing methods and equipment’s of the special energy to process aspheric optical mold have been innovated and the processing quality has been improved constantly, which promote the application of aspheric optical parts in the fields of aviation and aerospace technology, military technology and civil life, medical and others. The superior performances of the aspheric optical molds stimulate more and more people to process the aspheric optical molds.

　　The processing and the quality of high precision aspheric molds have become one of the signs of processing. Based on YG20. The precision aspheric cutting experiment on YG20 is done with the laser-ultrasonic composite technology and the dynamic characteristics and stability of the cutting device and laser-ultrasonic cutting system are researched. The influence factors of the aspherical surface shape are analyzed and the evaluation model of the surface quality is established, which can predict the surface shape and roughness.

　　Based on studying the basic principle of laser assisted heating YG20 hard alloy,the change discipline of the end surface temperature in the different laser parameters and under different cutting condition is revealed. The research shows that the surface temperature of the YG20 hard alloy changes obviously with laser power and spot diameter and the surface hardness is a certain linear relationship with the temperature changes. The experiments show that the soften thickness and the cutting depth is easy to match at the laser power 350w and the laser spot diameter d=0.5mm. In this case, the surface quality can be guaranteed.

　　The propagation characteristics and reflection law of ultrasonic in cylindrical chute vibration horn are researched according to the wave theory. The researches show that the main reason of the chute vibration is that the wave type conversion is produced, especially, the transverse shear stress produced, which are basically consistent with the vibration simulation and actual vibration test results of the chute vibration horn. The relationship among the incident wave、the reflected wave and the shear wave is established with the displacement function of ultrasonic particle and the generalized Hooke's law and geometric equation. According to the relationship among 1R ? α ? μ,the different incidence angle can be obtained and the vibration effect is obtained. In the production practice, if the material strength meets the requirements, the μ < 0 .2 635material to produce horn can be chosed and the two-dimensional vibration effect will be better.

　　The two degrees of freedom dynamic model of the two-dimensional cutting is established and studied the influence of the spindle direction angle on the stability of the machining system. The limit formula of the cutting stiffness is set up and concluded the system there is unstable region important results when the main shaft stiffness direction angle changes from to 1800.

　　The three-dimensional ultrasonic vibration cutting model of the laser-ultrasonic assisted cutting is set up, which including the effect of the internal and external modulation wave and the ultrasonic vibration. The calculation method of three-dimensional dynamic stiffness is obtained. The amplitude-frequency response of the dynamic stiffness is calculated using graphic method, embedded into variable vibration cutting, and the stability conditions of the system are analyzed. By the experiments of the cutting force and vibration, the sensitive direction of vibration cutting is Z direction and the influence of the cutting deep is larger on the dynamic cutting force and vibration.

　　The dynamic cutting force is calculated in Z direction, that is the main cutting direction, according to the theory of ultrasonic vibration cutting effect and regeneration effect, and the relationship among the machine speed, limit cutting width and the cutting parameters is built up, which can predict the cutting limit of the stability. The cutting stability lobes diagram of the laser ultrasonic vibration is drowned by the computer and the limit cutting width of the minimμm value, unstable region of 285rad/min-300 rad/min and 720 rad/min-800 rad/min are also calculated.

　　The research on laser-ultrasonic cutting accuracy of aspherical surface shape has been carried on and the main influencing factor of the aspherical surface shape is analyzed. The influence law of cutting parameters and the tool wear are found by laser-ultrasonic assisted cutting and ordinary cutting experiments. Based on the time series, the AR prediction model is built and revised and the model validity is verified by experiment.

　　The trajectory formation rules of the tool in the feed direction is researched and the relationship is established between the relative of the tool workpiece vibration frequency and spindle rotation frequency. The forming process of aspherical surface actually is the dynamic sampling process of the blade shape in the feed direction, and thus the surface microstructure of the machined surface formed.

　　The surface roughness model of the ultra-precision cutting is established by the quadratic rotation orthogonal regression analysis method and cutting parameters are optimized, then the main cutting force is introduced into the formula of surface roughness of the laser-ultrasonic assisted cutting. The surface roughness prediction model of the laser-ultrasonic assisted cutting is established using the genetic algorithm.

　　By comparing the calculated value of budget model, the actual surface roughness values and traditional roughness formula value, we find that the roughness of the genetic algorithm (GA) prediction value is closer to the actual value, which prove the roughness of the genetic algorithm (GA) prediction model is effective and scientific.

　　In the process of laser-ultrasonic cutting, when the cutting depth is very small, the larger cutting force appears and surface quality declines, which suggests that the size effect presents under the condition of small cutting depth, according to the cutting tool must overcome the combined with energy of the workpiece material grain.

　　Keywords:Laser-ultrasonic;Turning characteristic;Aspheric mould;Surface quality

　　自从 16 世纪以来，人们对非球面光学开始了解和认识。1611 年，JohannnKepler 就打算将双曲面方程应用到透镜面形轮廓的加工上，可是由于当时对光的折射特性不甚了解，不能用科学理论解释和实现自己的想法。直到 1618 年，Snell推导和发现了折射定律。1638 年，Johannn Kepler 才把非球面的曲线方程用到非球面透镜面形轮廓的实验和检测上，在不同的光轴距离获得透镜的无球差像面，从而奠定了非球面光学研究的基础，此面形即为笛卡儿面（Cartesian surfaces）。随着光学加工工艺和检测技术的提高，非球面光学元件的优势日益凸显出来，它能够提高成像系统的非球面透镜相对口径，改善成像质量，扩大系统成像的视场角，提高系统分辩率，减少系统的构成元件数量和重量，大幅度地缩小成像系统的体积和成本等。非球面光学透镜构成的光学系统，还能够消除像散、慧差、场曲、球差等，减少光的能量损失，最终能够获得高质量的图像效果和高品质的光学特性。

　　目前，高精度非球面镜已经在国防、核能工业、空间科学、民用设备等领域得到广泛应用。军事应用方面，发达国家上个世纪七十年代开始生产和研制军用的光电仪器，如军用的激光系统装置、热成像系统装置、微光夜视头盔、红外线扫描专用装置、导弹引导头以及各种变焦镜头等，这些在不同程度上都采用了非球面光学元件。民用方面： 各种光电成像系统中都大量用到非球面零件，如为飞机提供飞行信息的显示系统；摄像机和照相机的取景器、变焦镜头、激光打印机、放大镜、打标机、光盘读写装置以及手机上的照相机镜头、红外广角地平仪中的锗透镜；录像、录音用显微物镜读出头、非球面车前灯、非球面太阳能聚光镜；医疗诊断常用的间接眼底镜，内窥镜、近视矫正片等[1]。非球面还广泛用在 VCD、数码相机、DVD、计算机、投影仪以及电视机等成像产品中[2]。如今，非球面光学元件还应用到机载设备、卫星的惯性制导装置以及惯性导航装置、激光制导系统、红外探测等国防科学领域以及民用光电产品方面，非球面光学零件有着越来越广泛和越来越重要的应用。在光学系统中采用非球面元件，具有普通球面元件所无法比拟的优越性，它不但能够校正光学成像系统的象差，改善系统的成象质量，提高仪器的鉴别能力，增大光学成像系统的作用距离，而且由于一个或几个非球面元件替代多个其他光学元件，从而能够简化仪器的构成，降低光学系统的成本，有效的减轻仪器重量[3]。

　　随着非球面元件的广泛应用，非球面元件的优越性和重要性越来越受到重视，但是由于非球面在加工及其检测上有相当大的困难，所以大大限制了非球面的应用。从 20 世纪 60 年代以来，国内外有关学者和技术人员投入了大量的人力物力，对非球面的加工和检测进行研究。在美国、日本、欧洲等发达国家已经有了成熟的非球面超精密加工装备及工艺研究成果，而我国非球面超精密加工技术还处在起步阶段。在非球面加工工艺方面的研究还未能真正深入下去，特别是超硬材料非球面超光滑表面的超精密车削技术，由于精度要求高、材料加工难度大、加工中涉及多方面关键技术，目前在国内基本上还是处于实验室研究阶段。仅仅有美国、日本等少数国家对非球面的超精密加工技术日趋成熟，其它国家的高精度非球面加工主要还是采用超精密磨削、研磨、抛光等技术。随着超声技术在特种材料加工中的应用，超声振动超精密切削、钻削、磨削、铣削等日趋凸显出其优势[4-8]。

　　超声振动加工是近代以来一种新的、多学科交叉的高新加工技术，由于在加工工具或者工件上附加上超声振动，使得工件材料在切削去除时的变形机制、断裂行为以及刀具的工作形式等发生了与常规切削加工不同的变化[9]。因为在高频振动下刀具的切削过程是瞬间完成的，而且刀具的运动方向和切削速度在不断变化，超声振动切削实质是刀具的高速冲击和微切削的一种复合加工过程。目前，超声振动加工技术已经取得很大的进展，取得了很好的加工效果。同时，激光作为特种能量也不断受到从事加工和制造技术的科研人员注意，激光辅助加热加工已经显露其独特的优势。那么，将激光超声作为特种能量，耦合应用到加工技术中，弥补单一能量辅助加工的不足，这成为本论文研究的基本出发点。

　　本文基于非球面模具在生产和生活实际中的需求，在航天、航空、天文、电子、激光以及光通信等领域应用，在加工和检测中存在的问题，并结合本课题组近年来对超声振动加工已有的研究[10-18]，提出了基于激光超声振动切削非球面这一课题，将特种能量（激光和超声）辅助进行加工。课题选用目前应用较多的模具材料 YG20 硬质材料，研究在激光超声辅助切削时，不同工艺条件下非球面模具的面形和表面质量，以及各参数对其表面质量的影响，建立质量预测模型，以期进一步促进高硬度模具超精密加工技术的应用和发展。

　　非球面的超精密加工一直是世界生产和加工领域的热点和难点，因为非球面一般只有一个对称轴，而球面则有无数个对称轴，球面加工的方法很难用于非球面的加工；非球面的表面各点曲率半径不同，而球面上各点的曲率半径相同，故此非球面的面形很难修正和补偿，检测比较困难。因此，高精度的非球面光学零件成型模具的加工，只能采用超精密加工技术[19]。

　　目前，按照材料的去除方式，非球面的加工方法可分成三类，如图 1-1：材料去除加工法、变形加工法、附加加工法。材料去除加工法（Material Removal Process，亦即 MRP）就是采用切削、研磨、能量束抛光等方式去除工件表面材料，使工件质量和微观形貌特征达到加工指标要求。变形加工法主要包括热压成形法、应力变形法、光学玻璃透镜模压成形法及光学塑料注射成形、铸造成形和压制成形等。

利用激光超声复合技术进行高精密非球面切削：

激光超声端面切削

车削表面理论高度

激光超声振动端面车削示意图

相邻刀具轮廓

刀痕干涉轮廓

工件表面的环状脊峰

切削非球面工件

非球面试件

白光干涉试验

不同切削速度下表面粗糙度

不同进给量下表面粗糙度

不同试件表面粗糙度

目 录

　　摘 要
　　1 绪论
　　　　1.1 课题来源
　　　　1.2 研究背景及意义
　　　　　　1.2.1 研究背景
　　　　　　1.2.2 研究意义
　　　　1.3 非球面零件的加工现状
　　　　　　1.3.1 非球面的金刚石切削加工
　　　　　　1.3.2 非球面的特种能量加工
　　　　1.4 非球面面形与表面形貌检测评价
　　　　　　1.4.1 非球面的面形检测与评价
　　　　　　1.4.2 非球面的表面形貌检测及评价
　　　　1.5 存在的问题
　　　　1.6 论文的主要研究内容
　　2 激光超声复合车削系统及关键部件研制
　　　　2.1 激光器分类与试验选择
　　　　　　2.1.1 激光器分类
　　　　　　2.1.2 激光辅助加热 WC 合金的基本规律
　　　　　　2.1.3 激光器基本参数试验选择
　　　　2.2 单激励二维传振杆的研制
　　　　　　2.2.1 纵扭圆柱传振杆设计的理论基础
　　　　　　2.2.2 超声波在斜槽传振杆的传播特性分析
　　　　　　2.2.3 超声波在斜槽传振杆中的应力研究
　　　　　　2.2.4 斜槽传振杆的设计与制造
　　　　　　2.2.5 斜槽传振杆的振动仿真与测试
　　　　2.3 超声振动性能测试
　　　　2.4 激光超声加工实验平台搭建
　　　　　　2.4.1 非球面工件的数学特性
　　　　　　2.4.2 非球面试件车削实验平台
　　　　2.5 本章小结
　　3 激光超声辅助切削动力学模型与实验
　　　　3.1 激光超声辅助切削系统的构成
　　　　3.2 激光超声切削稳定性影响因素分析
　　　　　　3.2.1 主轴刚度方向对切削稳定性影响
　　　　　　3.2.2 斜槽传振杆的振型对切削系统稳定性的影响
　　　　　　3.2.3 激光超声对切削加工系统稳定性的影响
　　　　3.3 激光超声三维切削动力学模型
　　　　　　3.3.1 激光超声三维切削模型
　　　　　　3.3.2 激光超声三维切削稳定性分析
　　　　　　3.3.3 激光超声三维切削稳定性极限预测
　　　　3.4 激光超声三维振动切削实验
　　　　　　3.4.1 激光超声三维车削的振动测试实验
　　　　　　3.4.2 激光超声三维切削力测试实验
　　　　3.5 本章小结
　　4 非球面面形检测评价与预测
　　　　4.1 影响面形精度的主要因素分析
　　　　　　4.1.1 加工机床
　　　　　　4.1.2 刀具参数
　　　　　　4.1.3 切削参数
　　　　　　4.1.4 其它因素的影响
　　　　4.2 非球面光学模具的面形检测分析
　　　　　　4.2.1 面形检测的原理与评价
　　　　　　4.2.2 面形评价的主要指标
　　　　　　4.2.3 白光干涉仪检测非球面面形
　　　　　　4.2.4 普通切削与激光超声切削的面形
　　　　　　4.2.5 不同切削参数下的面形
　　　　4.3 切削参数优化
　　　　　　4.3.1 正交试验设计
　　　　　　4.3.2 正交试验参数及试验结果分析
　　　　4.4 基于时间序列面形精度预测模型及评价
　　　　　　4.4.1 平稳时间序列模型
　　　　　　4.4.2 面形精度的检测
　　　　　　4.4.3 数据预处理
　　　　　　4.4.4 AR（n）模型参数最小二乘估计
　　　　4.5 轮廓误差预测及评判
　　　　　　4.5.1 刀具磨损试验分析
　　　　　　4.5.3 预测模型修正及评判
　　　　4.6 本章小结
　　5 激光超声辅助车削非球面的微观形貌
　　　　5.1 非球面微观形貌形成机理
　　　　　　5.1.1 一般切削表面的微观形貌
　　　　　　5.1.2 激光超声端面切削的表面形貌
　　　　5.2 激光超声表面粗糙实验测试与分析
　　　　　　5.2.1 实验条件与测试
　　　　　　5.2.2 不同切削速度下表面粗糙度实验研究
　　　　　　5.2.3 不同进给量下表面粗糙度实验研究
　　　　　　5.2.4 不同切深下表面粗糙度实验研究
　　　　5.3 单因素单个试件的表面微观质量
　　　　5.4 基于遗传算法的激光超声切削表面粗糙度计算与预测模型
　　　　　　5.4.1 遗传算法
　　　　　　5.4.2 遗传算法计算表面粗糙度模型
　　　　　　5.4.3 激光超声切削非球面粗糙度理论模型
　　　　5.5 本章小结
　　6 总结与展望
　　　　6.1 主要结论和所做的主要工作
　　　　6.2 主要创新点
　　　　6.3 下一步研究工作的重点
　　参考文献

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