背景技術：
：在輕型頭盔顯示光學系統設計中，可用一塊偏心自由曲面棱鏡取代傳統的多透鏡組合系統，其不僅可大大縮減頭盔顯示器系統鏡片數量，達到小型輕量化目的，更能借助自由曲面卓越的光學性能進一步增大視場，減輕對裝配精度的要求，自由曲面棱鏡具有成像質量高、可靠性好、質量輕等優點，同樣體積可獲得更大的視場和更清晰的成像。自由曲面棱鏡制造已成為頭盔顯示器小型化及實用化的關鍵技術，因此，自由曲面棱鏡的超精密加工技術研究對于加強我國國防和提高軍事作戰能力具有重大意義。

目前，我國還沒有針對光學石英玻璃進行自由曲面棱鏡加工的先例，現有的自由曲面棱鏡加工方法主要是針對塑料等材料的超精密切削加工，雖然該方法加工自由曲面成形效率高、成本低，但相對于光學玻璃材料的自由曲面，其具有很多的缺點，包括成像質量不如光學玻璃成像穩定，光學玻璃材料的自由曲面棱鏡可以承受較高的溫度變化，對周圍環境要求較低，是理想的自由曲面棱鏡材料。自由曲面棱鏡結構復雜，對三個自由曲面的位置關系和面形精度均提出了較高要求，已有的傳統加工方法雖可以進行光學自由曲面的加工，但具有效率低、面形復雜程度不高的缺點，針對光學玻璃材質的高精度自由曲面棱鏡的加工，至今仍無有關成功制造的報道，因此，有必要對自由曲面棱鏡的國防重大需求和其加工難點，提出一種新型實用的自由曲面棱鏡加工方法。

技術實現要素：
：

本發明的目的是提供一種自由曲面棱鏡超精密加工方法，可實現光學K9玻璃材料高加工質量和高效率的自由曲面棱鏡加工方法。。

本發明的技術方案是：

一種自由曲面棱鏡加工方法，包括下列步驟：

1、依據給定的自由曲面棱鏡模型設計相應的磨削和拋光軟件，包括磨削和拋光路徑規劃、加工仿真、NC程序生成等功能；

2、設計一套自由曲面棱鏡專用夾具，用以進行自由曲面棱鏡的裝夾，該夾具可以實現自由曲面棱鏡三個面之間的位置轉換，保證磨削和拋光過程中的基準一致性，并根據自由曲面棱鏡模型計算出每個自由曲面的待磨削加工余量，在實際加工完成之前，自由曲面棱鏡都不能從夾具上拆卸下來；

3、將裝夾好的自由曲面棱鏡夾具固定在磨削設備的主軸上，調整夾具位置，使待加工自由曲面Y軸方向與磨削設備Y軸方向一致，按照磨削軟件生成的NC程序進行自由曲面的磨削加工，直到該自由曲面加工達到加工余量；

4、將自由曲面棱鏡及夾具從機床上拆下來，通過編碼器將自由曲面棱鏡在夾具上旋轉一定角度達到另一個面位置，并鎖緊自由曲面棱鏡在夾具上的位置；

5、將旋轉后的自由曲面棱鏡固定在磨削設備主軸上，重復步驟3和4，直至自由曲面棱鏡三個面都磨削達到加工余量；

6、將磨削后的自由曲面棱鏡及夾具固定在拋光設備主軸上，調整夾具位置，使待加工自由曲面Y軸方向與拋光設備Y軸方向一致，按照拋光軟件生成的NC程序進行自由曲面的拋光加工，直到拋光該面至光亮、面形精度達到要求；

7、重復步驟4和6，直到自由曲面棱鏡三個面均拋光至光亮、面形精度達到設計要求。

該自由曲面棱鏡材料為光學K9玻璃。

磨削設備為四軸銑磨設備，拋光設備為七軸五聯動進動氣囊拋光設備。

所設計的加工路徑均為以中心向外散開的螺旋線軌跡，并通過專用的算法進行磨削及拋光NC程序的生成。

采用的拋光方式為進動氣囊拋光，在拋光過程中使用的拋光液為氧化鈰水溶液。

設計了一種自由曲面棱鏡專用夾具，用以保證磨削和拋光過程中的基準一致性，并實現自由曲面各個面之間的位置轉換功能，在整個加工完成過程之前，自由曲面棱鏡都不能從夾具上拆卸下來。

本發明的有益效果：本發明結合了超精密磨削和超精密拋光兩種方式實現自由曲面棱鏡的加工，并通過高精度自由曲面棱鏡專用夾具實現自由曲面棱鏡的位置定位和依次加工，形成自由曲面棱鏡的有效加工方法

附圖說明：

圖1為進動氣囊拋光設備示意圖；

圖2為磨削設備示意圖；

圖3為自由曲面棱鏡專用夾具局部放大圖；

圖4為自由曲面棱鏡專用夾具示意圖；

圖5為自由曲面棱鏡示意圖；

圖6為進動氣囊拋光過程示意圖；

具體實施方式：

下面根據附圖對本發明的加工方法進一步說明：

1、依據給定的自由曲面棱鏡(如圖5所示)，設計相應的磨削和拋光軟件，包括磨削和拋光路徑規劃、加工仿真、NC程序生成等功能；

2、設計一套如圖3、圖4所示自由曲面棱鏡專用夾具，用以進行自由曲面棱鏡的裝夾，該夾具可以實現自由曲面棱鏡三個面：A面B面C面之間的位置轉換，保證磨削和拋光過程中的基準一致性，并根據自由曲面棱鏡模型計算出每個自由曲面的待磨削加工余量，在實際加工完成之前，自由曲面棱鏡都不能從夾具上拆卸下來；

3、將裝夾好的自由曲面棱鏡夾具固定在磨削設備的C軸上，如圖2所示，調整夾具位置，使待加工自由曲面Y軸方向與磨削設備Y軸方向一致，按照磨削軟件生成的NC程序進行自由曲面的磨削加工，直到該自由曲面加工達到加工余量；

4、將自由曲面棱鏡及夾具從機床上拆下來，通過編碼器將自由曲面棱鏡在夾具上旋轉一定角度達到另一個面位置，并鎖緊自由曲面棱鏡在夾具上的位置；

5、將旋轉后的自由曲面棱鏡固定在磨削設備C軸上，重復步驟3和4，直至自由曲面棱鏡三個面都磨削達到加工余量；

6、將磨削后的自由曲面棱鏡及夾具固定在拋光設備主軸上，如圖1所示，調整夾具位置，使待加工自由曲面Y軸方向與拋光設備Y軸方向一致，按照拋光軟件生成的NC程序進行自由曲面的拋光加工，直到拋光該面至光亮、面形精度達到要求；

7、重復步驟4和6，直到自由曲面棱鏡三個面均拋光至光亮、面形精度達到設計要求。

所述自由曲面棱鏡專用夾具的結構為：主體3與夾具座5通過螺釘6聯結，夾具座5通過液壓的方式固定在機床主軸上，楔塊Ⅰ16和楔塊Ⅱ18通過螺釘4固定在夾具主體3上，移動夾板13放置在楔塊Ⅰ16和楔塊Ⅱ18之間，通過調整螺釘14可以調整移動夾板13在導向桿8上來回移動，通過鎖緊螺釘15和調整片17可以固定移動夾板13在夾具主體3上的位置，球頭桿11通過固定螺釘12與移動夾板13聯結，粘接塊Ⅰ2通過螺釘9固定在夾具主體3上，與自由曲面棱鏡的一端粘接，粘接塊Ⅱ10與球頭桿11通過兩個球面進行自定心聯結，并與自由曲面棱鏡的另一端粘接，編碼器轉接板1通過螺釘7與夾具主體3聯結，編碼器與編碼器轉接板1和粘接塊Ⅰ2聯結固定。

根據被加工自由曲面棱鏡的要求，先將自由曲面棱鏡一側與粘接塊Ⅰ2通過光學專用環氧膠粘接，固定在夾具主體3上，然后將火漆燒熱，將粘接塊Ⅱ10粘在棱鏡另一側，快速推動移動夾板13使球頭桿11與粘接塊Ⅱ10自定心聯結，擰緊調整螺釘14和鎖緊螺釘15，待火漆冷卻下來之后，檢查棱鏡與夾具粘接是否完好，確定棱鏡在一定壓力下不可自由旋轉后，將夾具固定在機床主軸上即可進行棱鏡的加工，當加工完棱鏡的一個面后，將編碼器轉接板1通過螺釘7與夾具主體3聯結，將編碼器和編碼器轉接板1安裝在夾具上，編碼器與粘接塊Ⅰ2另一側聯結，采集編碼器此時信號，然后將螺釘9、鎖緊螺釘15、調整螺釘14、移動夾板13依次松開，此時棱鏡可以進行自由旋轉，采集編碼器信號將棱鏡旋轉一定角度至另外一個待加工面，旋轉過程中注意防止用力過大使棱鏡粘接處脫落，當棱鏡位置調整好后，將螺釘9、鎖緊螺釘15、調整螺釘14、移動夾板13固定，然后卸掉編碼器及編碼器轉接板，開始棱鏡下一個面的加工，當加工到位置后，重復這一步驟完成棱鏡第三個面的加工。