基于刀具变形和工件亚表层质量预测模型的自由曲面超精密铣削加工运动规划

In the process of ultra-precision milling for free-form surface, machining error caused by wear and deflection of cutting tool has significant effects on machining precision of free-form surface. In the meanwhile, the quality of the subsurface, such as residual stress, microhardness and deterioration layer, will obviously affect its service life and performance. On the basis of analysis of the nonlinear mapping relationship between wear and deflection of cutting tools, quality of subsurface and machining process parameters, the mathematical models of wear and deflection of cutting tools, quality of subsurface are established in the process of the ultra-precision milling. Considering the mixed constraints of geometrical and physical information, a new tool-path planning method is proposed to apply to the ultra-precision milling of free-form surface. Then the processing parameters are optimized, and the machining error is iteratively compensated by tool-path planning. It can improve the machining precision and reduce the subsurface damage in the ultra-precision milling of free-form surface. The achievement will provide the core theories and key technologies with independent intellectual property rights in terms of ultra-precision milling of optical free-form surface mould. It contributes to expand the applications of ultra-precision milling in complex optical free-form surface machining field.

在自由曲面超精密铣削加工过程中，刀具磨损和变形等引起的加工误差对自由曲面加工精度影响非常显著。同时，其亚表面层质量，如残余应力、显微硬度、变质层等，还会显著影响其使用寿命和性能。 本项目在分析刀具磨损、变形以及工件亚表层质量和加工工艺参数之间非线性映射关系的基础上，建立超精密铣削加工过程中刀具磨损、变形和工件表面亚表层质量的数学模型。开展了基于几何以及物理混合约束的自由曲面超精密铣削加工运动轨迹规划研究，对加工工艺参数进行优化，并在刀具运动轨迹中对加工误差进行迭代补偿，以提高自由曲面超精密铣削加工精度，降低表面亚表层损伤。 本项目的研究成果将为光学自由曲面模具超精密铣削加工提供具有自主知识产权的核心理论与关键技术，有助于拓展超精密铣削在复杂光学自由曲面加工领域的应用。

随着航天航空、光学等领域对自由曲面类零部件的加工精度不断提出的高要求，降低其超精密铣削过程中的加工误差变成了日益迫切的需求，但由于超精密铣削中的尺度效应和弱刚性的微径刀具带来的刀具与工件之间的力热效应、刀具磨损以及刀具变形与跳动等问题的影响，高精度加工工艺技术仍然是目前自由曲面类零部件超精密铣削加工的难点和瓶颈。.针对自由曲面类零部件的超精密铣削加工要求，迫切需要研究其切削过程中力热产生机制，以及切削力与刀具变形、切削力热与亚表层质量、加工误差与刀具运动轨迹规划之间的内在联系，建立新的基于几何和物理约束的运动规划理论和方法。针对上述问题，本项目建立了考虑尺度效应、微径刀具弱刚性以及刀具磨损的超精密铣削切削力精确预测模型；建立了考虑微细铣削加工过程特征的亚表层残余应力预测模型；提出了曲面微细铣削加工过程柔性切削力和刀具变形双层迭代预测算法；建立了基于几何和物理约束的微细铣削加工误差预测与补偿、刀具运动轨迹规划算法模型；基于在机检测系统提出了一种新的自由曲面面形误差提取与评价方法；开发了三轴超精密铣削加工平台、自由曲面超精密铣削加工运动轨迹规划以及加工误差补偿软硬件功能模块。.本项目的研究成果已成功地实现了F-theta曲面以及微透镜阵列的高精度高品质铣削加工，在获得较高加工精度的同时，保证了零部件较好的表面完整性。并结合两机专项，在中国航天科工31所等相关企业的自由曲面类零件的高精度加工中开展了进一步的应用和推广。