基于圆弧刀补偿加工的平面调制切削技术研究

针对尖刀加工的平面调制微结构表面质量差以及尖刀顶部尖角易磨损的现象,本文系统分析了尖刀在加工平面调制结构时轮廓误差的形成机理,发现了尖刀加工调制表面的轮廓误差大且存在难以补偿的特性,调制结构的轮廓误差与刀尖宽度成正比,与调制的周幅比值(λ/a)成反比.为此,本文提出了采用圆弧刀具结合刀具半径补偿方法以降低平面调制样品轮廓误差的技术方案.实验结果表明,采用圆弧刀结合刀具补偿方法对平面调制结构的轮廓精度提升具有显著作用,相比于尖刀切削,圆弧刀补偿加工的一维调制样品获得了更高的表面质量和轮廓精度.针对幅值a=4μm,周期λ=60μm的平面调制样品,采用圆弧刀补偿加工方案,调制样品的表面粗糙度Ra值由59.66 nm降至21 nm,轮廓误差精度提高了约20%.

激光驱动冲击波实验用铝台阶加工与测量技术

铝台阶是激光驱动冲击波实验中的重要实验用靶零件。采用金刚石车削方式加工铝台阶,利用白光共焦光谱测量原理测量样品厚度,通过Vecco NT1100白光干涉仪测量样品表面粗糙度。测量结果表明:铝台阶厚度误差小于1μm;厚度最大值与最小值相差小于0.1μm,厚度均匀性优于99.5%,样品厚度测量不确定度57 nm,铝台阶表面粗糙度值小于10 nm。

状态方程实验用铜多台阶靶制备工艺

采用单点金刚石切削技术,通过合理的刀具设计、夹具设计及工艺过程设计,确定了加工工艺参数,完成了厚度几μm至几十μm的无氧铜多台阶靶的制备。通过触针式轮廓仪,台阶仪,白光干涉仪对表面轮廓及粗糙度进行了测量。结果表明:通过单点金刚石切削技术加工成形的铜多台阶靶,各台阶表面均方根粗糙度小于50 nm,工件表面轮廓平直,台阶垂直度较好。采用阿基米德原理对材料密度进行测量,加工成形后密度为(8.945±0.074)g/cm3,接近材料理论密度。

用SPDT技术制备正弦调制靶的表面起伏图形

正弦调制靶是瑞利-泰勒(Rayleigh-Taylor,R-T)不稳定性研究的重要实验用靶。从国内外实验用靶的需求出发,采用金刚石车削技术,在紫铜表面完成了振幅为10μm、波长为100μm等一系列正弦曲线的加工。采用直线插补原理编制数控加工程序,利用超精密金刚石车床,设计了合理的加工工艺过程,分析了对正弦曲线轮廓加工及测量的主要影响因素及误差,通过Form Talysurf series 2型触针式轮廓仪对正弦曲线轮廓进行测量。结果表明:正弦曲线轮廓平滑,波长和振幅数值上与理论值基本相同。通过SPDT技术制备的正弦曲线图形基本满足R-T不稳定性实验需求。

平面调制靶的正弦波曲面超精密加工与表征

采用超精密车削技术加工微尺度正弦波调制曲面微结构,解决了尖刃金刚石刀具刃磨和刀具对中等关键技术,研究了进给量、背吃刀量和主轴转速等主要切削参数对铜模板表面粗糙度的影响规律。加工出波长为(20～150)μm±0.5μm﹑峰谷高度差为(0.2～20)μm±0.1μm的带正弦波调制曲面。采用原子力显微镜对模板表面轮廓扫描,在20μm×20μm的范围内,其表面粗糙度均方根值小于10nm。将正弦波调制曲面测量结果与理论轮廓进行比较,采用最小二乘寻优算法评定轮廓误差。完成了曲面轮廓的功率谱表征,利用加工的曲面微结构制备了平面调制靶,实现正弦波调制曲面轮廓的精确转移。

单点金刚石超精密车削快点火靶丸微孔精度控制

研究了单点金刚石超精密车削技术(SPDT)加工靶丸微孔中的精度控制方法,建立了靶丸微孔加工误差的仿真模型,并理论分析了不同误差因素对微孔尺寸误差的影响规律;根据误差分析结果提出了基于刀具阶梯进给运动方式的微孔精度控制方法,用以控制靶丸微孔精度;在单点金刚石超精密车床上进行了辉光放电聚合物(GDP)靶丸微孔的车削实验,实验结果表明:采用该精度控制方法,靶丸微孔尺寸误差和圆度误差分别降低了70.7%和87.5%,实验结果表明了所提出方法的有效性。

冲击波实验用铝楔形靶加工技术

采用单点金刚石车削技术制备加工铝楔形靶,发现金刚石车削加工楔形靶实际轮廓为圆锥面。通过Veeco NT1100白光干涉仪对表面轮廓及粗糙度进行了测量,结果表明平面部分表面粗糙度小于50nm,最大峰谷值小于100nm,斜面部分表面粗糙度小于200nm。分析认为斜面部分粗糙度测量数值较大是由刀具工作角度变化导致的,而测量轮廓线非圆锥体母线又导致粗糙度测量结果大于实际值。

单点金刚石切削技术在EOS靶制备中的应用

针对激光状态方程(Equation of state,EOS)实验对靶的高精度、表面高质量、材料密度达到或接近理论密度的需求以及金刚石切削技术不改变原材料密度、加工精度高、粗糙度小的特点,阐述了单点金刚石切削技术(SPDT)在EOS靶制备中的应用情况,包括铝、铜等金属薄膜零件制备、多种结构整体式台阶靶制备、整体式楔形靶制备以及金刚石切削技术与其他技术结合制备阻抗匹配靶等靶零件。

多模调制曲面超精密加工轨迹优化技术

研究了采用单点金刚石超精密车削加工技术(SPDT)加工多模调制曲面过程中的刀具轨迹优化方法,首先,分析了SPDT方法加工多模调制曲面的基本原理;其次,理论分析了平行弦双圆弧插补算法的基本原理,推导了插补误差计算公式。在此基础上,提出采用插补步长伸缩变化方式实现了插补误差的动态控制,并获得了完整的插补计算公式;最后,采用Matlab软件对该插补算法进行了实例仿真分析,并分别与直线插补算法和固定步长双圆弧插补算法进行了对比分析,结果表明,该方法能在保证插补允差的前提下最大程度的减少插补区间数,从而有助于提高加工效率和延长刀具寿命。该方法在调制靶金属模板的制备中获得了广泛应用。

微切削力对快点火Au锥丝靶成型的影响

为解决快点火分解物理研究中锥丝靶的整体成型问题,基于超精密车削技术,提出了制备无缝、无胶锥丝靶的方法。通过建立的Au丝超精密切削成型过程中的微切削力模型,研究了相关工艺条件下微切削力对锥丝靶成型的影响。采用有限元分析方法和实验验证手段研究多种参数Au丝的切削变形问题,获得了微切削力条件下Au丝的变形规律。研究结果表明:微切削力对丝径10μm附近锥丝靶的成型影响较大,对丝径更大的锥丝靶则无明显影响。

靶精密微加工技术

空腔是惯性约束聚变（ICF）研究中间接驱动靶的主要靶零件之一。在空腔制备工艺过程中，有两个步骤尤为重要。一个是芯轴的加工质量，因为芯轴的质量限制了腔靶所能达到的质量上限；另一个是镀金芯轴的二次装夹。本年度在这两个方面进行了改进。研究了进给量、主轴转速和背吃刀量等主要切削参数对芯轴表面粗糙度的影响。