劉 彥，張 寧，張 堃

（中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 中山 528436）

0 引言

科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展帶動(dòng)了生產(chǎn)效率、生產(chǎn)質(zhì)量的改善，人們對生活中使用到的工具的品質(zhì)要求也越來越高，光學(xué)通訊、醫(yī)療器械、民用等行業(yè)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(zhì)量好、精準(zhǔn)度高，亞表面層也需要具備相當(dāng)?shù)馁|(zhì)量效果。拋光在光學(xué)精密加工中屬于最后的工序，而且也是非常關(guān)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(chǎn)品外觀的美觀度，讓產(chǎn)品表面的品質(zhì)更高[1]。以往的拋光方法有很多種，如機(jī)械拋光、化學(xué)拋光和化學(xué)機(jī)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(zhì)沒有保障等[2]，此外，現(xiàn)階段的大部分拋光技術(shù)都無法做到針對內(nèi)孔、凹凸面、死角等比較復(fù)雜的地方實(shí)行拋光，經(jīng)常作用在平面加工中，應(yīng)用的區(qū)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(xué)加工工藝，就目前市場上使用較多的集中拋光技術(shù)展開研究，通過對比分析找到現(xiàn)階段加工質(zhì)量、拋光效率最高的3D 曲面拋光技術(shù)[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(shí)現(xiàn)自身系統(tǒng)尺寸的縮小就必須要使用到3D曲面光學(xué)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(xiàn)階段3D 曲面零件在軍工、航天、航空、工業(yè)等諸多領(lǐng)域都有應(yīng)用，且用量不斷增長。3D 曲面拋光技術(shù)能夠減少表面微裂紋層，從而降低粗糙度指數(shù)，提升光學(xué)元器件的性能，做好3D 曲面拋光技術(shù)的研究是當(dāng)下需要解決的重要問題。

1 超精密拋光技術(shù)

超精密拋光技術(shù)主要利用微磨粒和理化的手段，對工件的表面進(jìn)行經(jīng)加工處理，該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用可以幫助工件精度達(dá)到納米級(jí)別。目前，超精密技術(shù)主要應(yīng)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(tài)[4]?，F(xiàn)階段最為常見的超精密拋光技術(shù)有氣囊拋光、化學(xué)機(jī)械拋光等，這些拋光技術(shù)需要直接與工件接觸，進(jìn)行工件表面拋光的同時(shí)也可能因?yàn)楦黝愂д`造成工件損傷，等離體拋光技術(shù)與剪切增稠拋光技術(shù)等新型非接觸拋光技術(shù)則不需要與工件表面直接接觸，相對來說具有很大的應(yīng)用優(yōu)勢，但這種拋光技術(shù)的加工效率較低，值得深入研究并加以改善，逐步增強(qiáng)其使用性能，發(fā)揮其應(yīng)用價(jià)值[5]。

氣囊拋光是目前應(yīng)用最為廣泛的一種3D 曲面拋光技術(shù)，其通過氣壓來管控和帶動(dòng)裝備了拋光墊的氣囊頭對工件表面進(jìn)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(chǔ)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(shù)不同，等離子體拋光技術(shù)不需要與工件直接接觸，其原理為化學(xué)反應(yīng)，通過等離子體與工件表面的化學(xué)反應(yīng)生成揮發(fā)性較強(qiáng)的化合物，從而實(shí)現(xiàn)對工件表面的拋光。等離子體拋光技術(shù)作為非接觸型拋光技術(shù)的代表，其特點(diǎn)是操作方便且不會(huì)造成工件表面污染，具有較高的加工質(zhì)量，但等離子體拋光技術(shù)加工效率低下，一般用于球面以及非球面等加工生產(chǎn)[7]。

2 基于慢刀伺服的3D 曲面拋光技術(shù)

2.1 慢刀伺服加工方法

2.1.1 慢刀伺服的創(chuàng)成原理

一般的二軸數(shù)控車床在使用時(shí)，只可用在切削旋轉(zhuǎn)對稱的曲面中，從運(yùn)動(dòng)形式方面進(jìn)行分析，呈現(xiàn)為相互獨(dú)立的狀態(tài)，在主體運(yùn)動(dòng)過程中，借助于主軸帶動(dòng)工件，從而實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在直角坐標(biāo)系下，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)刀具移動(dòng)到X與Z軸方向，其中，Z表示X的函數(shù)，表達(dá)式為z＝f（x），主軸在發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，以及刀具移動(dòng)的變化，則是由數(shù)控平臺(tái)與數(shù)控流程來帶動(dòng)[8]。慢刀伺服（STS）車削技術(shù)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(jī)床和一般機(jī)床的區(qū)別反映在主軸運(yùn)動(dòng)管理方面，其實(shí)質(zhì)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(biāo)來說，則與C角度以及X坐標(biāo)存在密切的聯(lián)系，共同構(gòu)成z＝f（x，c），基于極坐標(biāo)系的條件下，就可以達(dá)到加工處理非回轉(zhuǎn)對稱曲面的目的。

2.1.2 慢刀伺服技術(shù)的機(jī)床布局

慢刀伺服技術(shù)的機(jī)床安排方法是高精度主軸（即C軸）單獨(dú)配置，其旋轉(zhuǎn)則是由直驅(qū)電機(jī)進(jìn)行帶動(dòng)的，在主軸中，對三爪卡盤進(jìn)行配置，使被加工工件更加穩(wěn)定；不僅如此，兩根運(yùn)動(dòng)軸（X、Z軸）呈90°交疊的方式，同時(shí)X軸在Z軸的上面，而X軸的運(yùn)動(dòng)方向是與主軸旋轉(zhuǎn)中心線成90°角的方向，Z軸的運(yùn)動(dòng)方向是平行于主軸旋轉(zhuǎn)中心線的方向，也就是與X軸成180°角的運(yùn)動(dòng)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(shù)的坐標(biāo)系定義

在該項(xiàng)技術(shù)中，不同方面對比機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，主要取決于相關(guān)坐標(biāo)系，其中可包括刀具、工件等。慢刀伺服在機(jī)床坐標(biāo)系中是機(jī)床穩(wěn)定的坐標(biāo)系，其功能在生產(chǎn)與調(diào)整機(jī)床中，也屬于設(shè)置工件坐標(biāo)系的根本；慢刀伺服的刀具運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系一致；慢刀伺服中工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)，則是結(jié)合編程的便利程度進(jìn)行判斷的，通常是在極坐標(biāo)中完成。

2.2 基于慢刀伺服的3D 曲面拋光技術(shù)

基于慢刀伺服（STS）和NC 機(jī)床的準(zhǔn)柔性拋光加工方式，重點(diǎn)實(shí)施3D 曲面拋光技術(shù)分析，開發(fā)了STS與柔性拋光結(jié)構(gòu)，在應(yīng)用拋光刀具時(shí)，對其操作軌跡進(jìn)行布局，對刀位文件后處理器開發(fā)之后，基于頻率與轉(zhuǎn)速為依托，構(gòu)建了標(biāo)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模式，以STS 為前提的準(zhǔn)柔性拋光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等。

（1）研究3D 曲面零件的加工措施，選擇應(yīng)用小直徑球刀，對車刀的銑削形式進(jìn)行替代，并達(dá)到布局刀具軌跡的目的，經(jīng)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(jù)不同的刀具軌跡導(dǎo)出方式，保障了相關(guān)工件Z坐標(biāo)的統(tǒng)一性。（2）結(jié)合拋光實(shí)驗(yàn)設(shè)備所具有的空間結(jié)構(gòu)特征，在布局過程中，合理設(shè)置刀具的旋轉(zhuǎn)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(tài)，為便于分析相關(guān)拋光參數(shù)，通過采用刀軌可視化3D 動(dòng)態(tài)仿真的方式，對刀軌所具有的效果與精準(zhǔn)性進(jìn)行檢測。（3）結(jié)合3D 曲面零件的特征，以及準(zhǔn)柔性拋光而采用的刀具軌跡形式，研發(fā)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的后處理器，可適用于外圓車削、軸向端面加工以及準(zhǔn)柔性拋光等方面。（4）出現(xiàn)了帶動(dòng)次數(shù)與轉(zhuǎn)速的標(biāo)定檢測系統(tǒng)，在操作過程中，利用整形濾波重點(diǎn)討論了變頻器帶動(dòng)次數(shù)與電主軸轉(zhuǎn)速之間所具有的線性關(guān)系，通過對電主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析后，明確具體的檢測精度。（5）開發(fā)出了柔性拋光檢測平臺(tái)與拋光力檢測平臺(tái)，采用Kistler 9257B 切削測力儀進(jìn)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(shù)的應(yīng)用

2.3.1 環(huán)曲面車削

基于慢刀伺服的環(huán)曲面車削實(shí)驗(yàn)中，工件為有機(jī)玻璃（PMMA 聚甲基丙烯酸甲酯），加工工件的直徑為40 mm，調(diào)整好刀具補(bǔ)償算法，PVT 插補(bǔ)入口參數(shù)并采用三點(diǎn)法生成，對環(huán)曲面工件進(jìn)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(jìn)行工件粗糙度測量，通過與其他曲面拋光技術(shù)（氣囊拋光）的表面粗糙度進(jìn)行對比，基于慢刀伺服的環(huán)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(shù)（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(huán)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(shù)（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(shù)，可以保持更低的表面粗糙度和面形誤差。

2.3.2 漸進(jìn)多焦點(diǎn)曲面車削

基于慢刀伺服的漸進(jìn)多焦點(diǎn)曲面車削實(shí)驗(yàn)中，工件為有機(jī)玻璃（PMMA 聚甲基丙烯酸甲酯），加工工件的直徑為40 mm，同樣調(diào)整好刀具補(bǔ)償算法（曲面投射補(bǔ)償算法），PVT 插補(bǔ)入口參數(shù)并采用三點(diǎn)法生成，對漸進(jìn)多焦點(diǎn)曲面工件進(jìn)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(jìn)行工件粗糙度測量，測量結(jié)果顯示，基于慢刀伺服的漸進(jìn)多焦點(diǎn)曲面車削加工與其他拋光技術(shù)的表面粗糙度分別為Ra0.065 μm、Ra0.078 μm，借助MQ686 型三坐標(biāo)測量儀對工件的面形誤差進(jìn)行測量，測量結(jié)果分別為±0.015 mm、±0.018 mm，綜合以上，慢刀伺服下的漸進(jìn)多焦點(diǎn)曲面車削實(shí)驗(yàn)中，可以通過曲面投射補(bǔ)償?shù)姆椒▉泶_保刀位點(diǎn)都落在正確的位置上，以至于3D 曲面的最終加工結(jié)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(shí)驗(yàn)中，工件為有機(jī)玻璃（PMMA 聚甲基丙烯酸甲酯），加工工件的直徑為60 mm，同樣調(diào)整好刀具補(bǔ)償算法（曲面投射補(bǔ)償算法），PVT 插補(bǔ)入口參數(shù)并采用三點(diǎn)法生成，對正弦陣列面工件進(jìn)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(jìn)行工件粗糙度測量，測量結(jié)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(shù)的表面粗糙度分別為Ra0.100 μm、Ra0.110 μm，借助MQ686 型三坐標(biāo)測量儀對工件的面形誤差進(jìn)行測量，測量結(jié)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(diǎn)是形狀復(fù)雜且起伏較大，加工過程中很容易出現(xiàn)面形誤差和表面粗糙度不符合標(biāo)準(zhǔn)的問題，基于慢刀伺服的3D 曲面拋光技術(shù)應(yīng)用下，曲面投射補(bǔ)償算法可以確保定位精度，使得刀具落在合適的位置上，進(jìn)而保證加工工件的表面精度。

3 應(yīng)用效果分析

基于慢刀伺服的3D 曲面拋光技術(shù)屬于機(jī)械拋光技術(shù)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(xué)反應(yīng)，不同于化學(xué)拋光和電解拋光技術(shù)。從表面粗糙度來看，基于慢刀伺服的3D曲面拋光技術(shù)可達(dá)到的工件表面粗糙度Ra＝0.3～3.0 μm，高于化學(xué)拋光可以達(dá)到的表面粗糙度Ra＝0.5～10 μm，電解拋光則可以達(dá)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(shù)在加工精度方面相較于化學(xué)拋光技術(shù)具有一定優(yōu)勢，但同樣對加工技術(shù)提出了更高的要求，在復(fù)雜曲面的加工中需要做好質(zhì)量管理工作，盡可能減少加工誤差，保障工件的質(zhì)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(shù)作為機(jī)械拋光的一種，其結(jié)構(gòu)最為簡單，不需要準(zhǔn)備夾具、直流電設(shè)備、化學(xué)介質(zhì)等相關(guān)材料，但加工時(shí)間受到曲面復(fù)雜程度的影響，但整體加工時(shí)間要明顯短于化學(xué)拋光與電解拋光，在加工效率方面具有顯著優(yōu)勢。

從經(jīng)濟(jì)性方面來看，基于慢刀伺服的3D 曲面拋光技術(shù)只需要根據(jù)3D 曲面的情況建立起對應(yīng)程式，由機(jī)床統(tǒng)一完成3D 曲面拋光，化學(xué)拋光與電解拋光等技術(shù)需要做好充足的材料準(zhǔn)備工作，電解液與化學(xué)介質(zhì)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(shù)來說成本更高。具體見表1。

表1 不同拋光工藝對比

4 結(jié)語

光學(xué)組件的超精密加工已取得了突破性進(jìn)展，越來越多的3D 曲面光學(xué)組件已經(jīng)普遍使用在光學(xué)成像、空間觀測等方面。在超精密光學(xué)拋光技術(shù)領(lǐng)域，之前的加工措施如等離子體拋光，利用設(shè)備優(yōu)化或和其他方式的充分結(jié)合，能實(shí)現(xiàn)的材料去除率達(dá)到更高標(biāo)準(zhǔn)，與此同時(shí)，其表面質(zhì)量也得到了顯著提升。盡管現(xiàn)階段超精密拋光技術(shù)有許多，然而基本上都具有相應(yīng)的問題，或無法實(shí)現(xiàn)想要的表面質(zhì)量，或無法得到想要的面形。所以，應(yīng)當(dāng)研發(fā)新的拋光技術(shù)來得到滿足需要的微細(xì)結(jié)構(gòu)光學(xué)組件。基于慢刀伺服的3D 曲面拋光技術(shù)在促進(jìn)更高的面形精度領(lǐng)域擁有其自己的長處，可協(xié)助光學(xué)加工技術(shù)的進(jìn)步。