纳米精度曲面弹性波加工方法的研究

发布时间：2020-11-19 17:21

　　 硬脆材料工件的超精密加工是高端装备制造的难点之一。随着高密度信息存储、精密光学工程和新能源等领域的发展,提出了全频谱(面型、波纹度和粗糙度)和异质表面纳米精度制造的要求。包括光刻机镜头、卫星望远镜、核主泵密封面等高精度曲面零件的制造水平,对我国超大规模集成电路、精确制导、空间观测、卫星成像、核能等工程的发展产生重要影响。由于硬脆材料的延性域狭窄,目前普遍采用的超精密磨削和单点金刚石切削均需装备复杂的精度保障设施,使得加工设备的制造和使用成本居高不下。以磨削为基本加工手段,要达到纳米级尺寸精度、面型精度、表面波纹度、表面粗糙度,且具有好的表面质量、小的表面变质层、小的残余应力并满足表面完整性的要求,需要磨床提供优于纳米精度的进给、准确控制磨粒的作用方向和作用力以及具备磨削工具形面的实时误差补偿。课题组在对超声电机界面磨损问题的研究工作中发现,超声电机定、转子接触界面出现类似磨削加工的痕迹,表明定子弹性波传播过程中,表面质点的微幅振动可以有效去除微量材料。考虑到行波或其他形式的弹性振动,通过调频、调压、调相以及改变接触界面压力等方式,可以对接触界面表面质点运动轨迹实施控制,实现磨粒切入力、切入速度、切入方向的有效控制,有望满足超精密磨削加工对临界切削速度和延性域加工的要求。尤其加工工具(类似超声电机定子)与工件(类似被固定的超声电机转子)之间没有宏观相对位移,不再需要对轴承等运动副进行运动精度保障,能大幅降低系统的复杂程度。此外,压电作动器的定位精度高、刚度大、响应快等特点,适于作为磨削加工的进给机构,支持弹性波磨削加工精度的实现。本课题的工作内容主要分为以下几个方面:一、提出弹性波加工方法的工作原理。以锥柱形压电振子和圆形加工盘为例,介绍工作模态的选择和表面质点运动规划方法。利用Ansys有限元仿真软件计算得出锥柱形压电振子的一阶纵向振动模态和二阶弯曲振动模态,以及加工盘面外弯曲振动模态和面内径向振动模态的振型和频率,同时得到锥柱形压电振子和加工盘的结构尺寸。根据上述原理分析和仿真计算结果,制造并装配了弹性波加工原理样机。在不同激励电压参数、预压力以及加工时间下,对相同批次玻璃镜片进行加工,通过建立不同输入条件与被加工尺寸精度和表面质量之间的关系,对弹性波加工方法进行可行性评估。二、建立锥柱形压电振子的机电耦合动力学模型,推导出压电振子自由振动以及考虑支反力情况下的振动方程。在此基础之上,建立纵振压电振子和弯振压电振子共同激励下加工盘的振动方程以及加工盘表面质点的运动方程,建立加工盘受迫振动的动力学模型。通过对比模态频率的解析解、有限元数值仿真以及实验测试结果,对所建立的动力学模型进行测评。实验表明,所建立的弹性波加工原理样机的动力学模型可以对弹性波加工工具进行参数化分析,有利于后期对该工具进行优化设计,并为探索弹性波加工的控制方法提供理论依据。三、建立弹性波加工样机的加工盘与被加工件的接触模型,推导出加工盘与被加工件接触区域大小与预压力之间的关系表达式。根据磨削原理,推导出弹性波加工方法磨削被加工表面时,最大未变形切屑厚度的计算公式。同时,利用小野浩二的考虑后续磨刃的加工表面粗糙度经验公式,结合弹性波加工方法的表面粗糙度实验结果,得出适用于弹性波加工样机粗糙度的预测公式。为了表征弹性波加工方法得到的加工表面的质量,利用实验对被加工后加工表面的过渡层以及变质层厚度进行了测量,表明通过改变弹性波加工样机输入参数,可以改变加工表面的质量。即通过改变弹性波加工样机的激励电压参数以及接触界面预压力和加工时间,可以实现对加工精度和表面质量的控制。四、构建了基于柔性铰链机构的六自由度定位平台,用于弹性波加工样机的支撑和加工进给。对每个自由度柔性铰链机构进行静力学分析,建立了压电叠堆驱动元件的激励电压与各自由度位移输出的关系表达式,并通过实验进行了验证。实验表明,所设计的六自由度定位平台各个自由度下的定位精度与行程等指标满足弹性波加工工具的进给要求,可以用于提供该弹性波加工样机的加工进给。以该六自由度微进给机构作为支撑,对弹性波加工系统进行了整机实验,获得在不同加工进给量以及加工时间下,加工区域形貌以及加工表面精度和质量,验证所设计的微进给机构的可控性。五、通过已加工光学镜片成像清晰度对所提出弹性波加工方法进行了测评。实验发现,镜片成像清晰度对加工参数有明显的依赖关系。除了随加工时间缓慢提高之外,存在最佳的接触压力、驱动电压和相位差,使成像清晰度最高。驱动电压400 V,相位差90°,接触压力6 N下,磨削时间超过4个小时,可以得到最好的表面质量(表面粗糙度0.027μm,变质层厚度3.67μm,过渡层厚度13.59μm)。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V261;TH161
【部分图文】：

（1）材料去除基础理论；（2）新型加工材料、新型加工方法和工艺；（3）微纳尺度结构功能表面加工和处理技术；（4）工件尺寸极大化、极小化；（5）绿色制造及其智能化。1.2 超精密加工技术1.2.1 超精密加工技术的发展超精密加工技术是以传统加工技术为基础，结合了当代最新科技成果的跨学科综合性技术，以纳米级加工精度为最终目标。它主要包含两层含义：一是高精度，能够实现传统加工手段无法达到的精度要求；二是微细加工尺寸，能够处理传统加工方法不能加工的微小尺寸零件[14]。学术界一般认为：超精密加工技术是指被工件加工的尺寸精度高于 0.1 μm，加工表面粗糙度 Ra小于 0.025 μm，同时位移精度和重复精度优于于 0.01 μm，逼近纳米级的极限精度的加工技术[15,16]。这个加工精度界限也不是一成不变的，是随着科技和时代的进步而不断改变的，日本学者TANIGUCHI[17]预测了加工精度几十年来的变化趋势，如图 1.1 所示。

（1）材料去除基础理论；（2）新型加工材料、新型加工方法和工艺；（3）微纳尺度结构功能表面加工和处理技术；（4）工件尺寸极大化、极小化；（5）绿色制造及其智能化。1.2 超精密加工技术1.2.1 超精密加工技术的发展超精密加工技术是以传统加工技术为基础，结合了当代最新科技成果的跨学科综合性技术，以纳米级加工精度为最终目标。它主要包含两层含义：一是高精度，能够实现传统加工手段无法达到的精度要求；二是微细加工尺寸，能够处理传统加工方法不能加工的微小尺寸零件[14]。学术界一般认为：超精密加工技术是指被工件加工的尺寸精度高于 0.1 μm，加工表面粗糙度 Ra小于 0.025 μm，同时位移精度和重复精度优于于 0.01 μm，逼近纳米级的极限精度的加工技术[15,16]。这个加工精度界限也不是一成不变的，是随着科技和时代的进步而不断改变的，日本学者TANIGUCHI[17]预测了加工精度几十年来的变化趋势，如图 1.1 所示。

图 1.3 DTM-3 型超精密金刚石车床 图 1.4 大型非球面光学超精密金钢石车床LODTM图 1.5 DIXI 公司的 DHP40 加工中心 图 1.6 DIXI 公司的 JIG-1200 卧式加工中心二十世纪 70 年代后，超精密加工技术进入快速发展时期。荷兰 Philips 公司在 1978 年成功研制了数控超精密加工机床 COLATH[21]，主要用于非球面塑料透镜的加工，尺寸精度可达 0.5μm，加工表面粗糙度 Ra可达 0.02 μm。1983 年和 1984 年[22]，为了满足美国国防尖端科技发展的需要，美国 LLNL（Lawrence Livermore National Laboratory）国家实验室研发了 DTM-3（Diamond Turning Machine 3）大型超精密金刚石车床（如图 1.3 所示）和 LODTM（Large Optics
【参考文献】

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本文编号：2890253