变定位基圆平面包络磨削凸曲面工件加工方法研究

发布时间：2020-11-11 21:25

　　 硬脆材料大型非球曲面元件以其优异的光学性能广泛应用于武器装备系统、科学仪器设备之中,是这些系统中起到支撑作用的关键部件,其加工制造技术已成为现代制造研究领域不可或缺的重要内容。硬脆材料大型非球曲面元件的加工通常包括镜坯成型、轻量化、磨削成型、研磨、抛光等多个环节,加工效率低,其中,研抛阶段效率远低于磨削,研抛过程反复的加工与检测使加工周期变长,因此,研究人员都希望尽量在磨削阶段多去除材料,并能获得较高的加工精度和表面质量,以减少研抛耗时。本课题从磨削加工方法入手,围绕着降低砂轮磨损、提高加工精度和加工效率这一目标,提出变定位基圆平面包络磨削加工自由凸曲面方法,此磨削法将杯形砂轮端面磨粒以端面圆心为中心划分为多个环带,通过控制杯形砂轮运动,有规律地让不同环带的磨粒参与磨削,同时使端面在加工中同工件曲面保持相切接触,沿着磨削轨迹将工件曲面包络成型。这种方法一方面可优化磨削轨迹,扩大轨迹行宽,提高磨削效率;另一方面可避免或减少砂轮磨损对加工精度的影响,增大砂轮有效使用面积,提高砂轮寿命。围绕这些内容,主要开展了以下工作:1.研究杯形砂轮端平面上分布在不同环带磨粒的磨耗规律。设计试验测定砂轮端面环带的磨耗规律,最终得到结论:砂轮端面环带的磨损受砂轮主轴向下进给速度的影响最显著,速度越大磨损越快;其次受到砂轮转速影响,砂轮转速越高,端面磨耗越慢。2.磨削轨迹规划是数控曲面加工的一个重要环节,直接影响到加工效率。本课题针对杯形砂轮端平面包络磨削凸曲面时,砂轮运动姿态及工件凸曲面的几何特性,提出了平面包络等残留高度轨迹算法。首先从微分几何学角度描述了平面包络磨削凸曲面这一物理过程,建立了平面包络曲面的向量方程,给出了等残留高度线的算法,证明了一个关于等残留高度曲线切向量的微分几何关系,以此为基础,构建了所提出的轨迹规划方法,通过对比分析和仿真计算,证明此轨迹规划方法在保证加工残留高度的前提下,可大大减少砂轮走刀轨迹,扩大磨削行宽,能显著提高加工效率。3.杯形砂轮端面磨削主要用于平面磨削中,本课题将其应用于曲面磨削加工,在新的加工应用场景下,尤其是同五轴数控加工技术结合时,五轴数控插补过程中所固有的非线性误差出现了新的形式。在研究过程中结合砂轮端平面的几何特点,对插补过程中出现的非线性误差分两种情况进行了分析,一种是机床数控系统具有RTCP功能,另一种是不具有RTCP功能,得到了两种情况下非线性误差的形成过程、出现的位置、分布规律和误差计算式,并通过实验验证了误差计算式的正确性。在RTCP功能模式下,非线性误差小于轨迹离散产生的弓高误差,加工中可忽略;在无RTCP功能的加工模式下,非线性误差远大于轨迹离散产生的弓高误差,最大误差出现在砂轮和工件曲面切触点的下方,进而提出密化刀位点的方法来控制非线性误差。4.基于上述试验和计算分析,实施变定位基圆平面包络磨削加工凸曲面实验,对实验数据进行对比分析,证明该磨削加工方法对提高加工精度有益,能扩大砂轮的有效使用面积,可有效减少磨削过程中砂轮磨损对加工精度的影响。
【学位单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TH74
【部分图文】：

课题“变定位基圆平面包络磨削凸曲面加工方法研究”来源于“863”重点课题“精细陶瓷典型复杂型面零件的高效精密磨削技术研究”,课题编号为“2009AA044306”。本课题针对大中型非球凸曲面精密加工磨削阶段如何提高加工效率和避免砂轮磨损的问题，从磨削工艺方法入手，提出一种新的磨削加工方法，从微分几何学角度对该磨削方法的加工过程进行了描述分析，优化了其磨削加工轨迹，研究了砂轮端面的磨耗特点和数控磨削时的非线性误差，在此基础上实施了变定位基圆平面包络磨削加工实验，证明此法对提高加工效率，减少砂轮磨损，提高加工精度有明显益处。1.2 课题背景及意义近年来硬脆性材料，例如玻璃、结构陶瓷及陶瓷基复合材料、硅晶体等，由于它们的硬度、耐磨性、高温高稳定性、抗蚀性及抗氧化性都比较优良[1]，这些材料在航空航天、国防军工、光学仪表仪器、汽车电子、模具等众多领域得到了广泛应用[2]。

课题“变定位基圆平面包络磨削凸曲面加工方法研究”来源于“863”重点课题“精细陶瓷典型复杂型面零件的高效精密磨削技术研究”,课题编号为“2009AA044306”。本课题针对大中型非球凸曲面精密加工磨削阶段如何提高加工效率和避免砂轮磨损的问题，从磨削工艺方法入手，提出一种新的磨削加工方法，从微分几何学角度对该磨削方法的加工过程进行了描述分析，优化了其磨削加工轨迹，研究了砂轮端面的磨耗特点和数控磨削时的非线性误差，在此基础上实施了变定位基圆平面包络磨削加工实验，证明此法对提高加工效率，减少砂轮磨损，提高加工精度有明显益处。1.2 课题背景及意义近年来硬脆性材料，例如玻璃、结构陶瓷及陶瓷基复合材料、硅晶体等，由于它们的硬度、耐磨性、高温高稳定性、抗蚀性及抗氧化性都比较优良[1]，这些材料在航空航天、国防军工、光学仪表仪器、汽车电子、模具等众多领域得到了广泛应用[2]。

图 1-3 哈勃太空望远镜镜片加工(HST) 图 1-4 直径 4.03 米的单体碳化硅反射坯Figure 1-3 Hubble Space Figure 1-4 Single silicon carbide mirror blankTelescope Lens with 4.03m diameter硬脆材料光学曲面通常按照其形状和口径大小两种方法进行分类。从形状上一般分为球面、回转体曲面非球面和非回转体非球曲面零件三大类。与球面镜片相比，非球曲面元件具有不可比拟的优势[5]。球面镜表面弧度统一，有像差存在，而非球面镜厚度减少，变薄变轻，能消除像差[9]。因此，现代光学系统中大量采用自由凸曲面镜以更正像差、改进像质、扩大视场，用一个或少数几个自由凸曲面镜能够代替较多的球面镜，简化系统、降低耗材、减轻重量[4,9]。按照口径大小，通常将小于 150mm 的光学非球曲面归为小型，大于 500mm为大口径，其余为中型[10]。大中型自由凸曲面以其优良性能被大量应用于军事装备系统及尖端仪器设备之中，如强激光武器系统、望远镜镜片系统、热核聚变和保形光学导引头等是大中型口径光学曲面工件的主要应用场合[10,11]。大型光学天
【参考文献】

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本文编号：2879766