非共振三维椭圆金刚石飞切光学自由曲面新方法的研究

光学自由曲面具有许多卓越的优点，这使得自由曲面光学零件不仅在航天航空和国防等工业领域有着重要的应用、而且在其它面向消费者的工业领域也将有着极其广泛的需求。本项目通过非共振的驱动方式，在三维坐标空间中使金刚石刀刃产生高频响的椭圆飞切运动，形成一种新的金刚石飞切光学自由曲面的方法。与现有的光学自由曲面加工方法相比，本项目提出的非共振驱动的三维椭圆金刚石飞切光学自由曲面方法具有许多十分突出的优越性。本项目研究主要包括：非共振驱动的三维椭圆金刚石飞切运动轨迹跟踪控制，三维椭圆金刚石飞切光学自由曲面的表面形貌生成和切削力预测，切削工艺参数和三维椭圆运动轨迹参数对表面形貌和切削力的影响等。本项目研究将为高效精密及低成本地创成复杂几何光学自由曲面、改善难加工材料的切削加工性等诸方面提供理论基础和技术，对于促使光学自由曲面在各个领域的广泛应用具有重要的意义。

光学自由曲面在许多重要的工业领域受到了日益增加的关注，但光学自由曲面的加工创成还存在一些问题亟待研究解决，例如非回转对称曲面的几何复杂性、以及工件材料的难切削加工性。为了解决这些问题，本项目提出了一种非共振三维椭圆飞切光学自由曲面的方法。本项目主要在如下五个方面进行了创新性的研究。. 1. 针对非零刀具前角的情况，考虑刀尖圆弧飞切形成的刀具包络曲面与待加工曲面之间的切触，建立了椭圆形心伺服的刀位点轨迹生成算法。为了获得最优的刀位点运动轨迹和椭圆飞切参数，建立了椭圆飞切工件自由曲面所形成的加工表面形貌的预测算法。. 2. 通过所建立解析的材料去除几何和切削力机理性预测模型、对EFC循环进行了数值模拟，分析了瞬态切削厚度、瞬态刀具前角、以及切削力在一个EFC循环中的变化特征，揭示了EFC频率和水平切削速度比对瞬态切削厚度、瞬态刀具前角、以及切削力的影响规律。. 3. 利用有限元方法对EFC过程进行了数值模拟，获得了在EFC过程中工件内部应力分布、以及切削力的变化特征，揭示了椭圆振动平面长轴方位，以及椭圆飞切频率等诸因素的影响规律。. 4.研制了一种新的二维EFC装置并进行了机下性能考证，y和z轴幅值可达8µm，工作带宽可达1kHz，y-z两个运动轴之间的运动耦合满足加工要求。利用所研制的EFC装置进行了切削实验，分别考察了不同的切削方式（椭圆飞切、一维振动切削、普通切削）、椭圆长轴位姿、以及EFC频率等因素的影响规律。. 5. 研制了一种新的三维EFC装置，并利用有限元数值模拟和机下测试实验考证了所研制装置的静动态特性，x、y和z轴的振动幅值分别可到达8.63µm、10.37µm、10.21µm，三个运动轴的工作频率皆可达到858Hz。通过切削加工实验，考察了三维EFC的椭圆平面摆角对加工表面粗糙度的影响规律。. 本项目研究将为高效精密及低成本地创成复杂几何光学自由曲面、改善难加工材料的切削加工性等诸方面提供理论基础和技术，对于促使光学自由曲面在各个领域的广泛应用具有重要的意义。