超精密机床研究现状与展望

对国内外超精密机床研究现状和进展进行综述,对超精密机床技术发展趋势进行展望,分析我国在超精密机床研究领域存在的主要问题以及与国外的差距,提出我国超精密机床领域基础研究、技术及产业发展策略与对策.

脆性材料超精密磨削时影响表面质量因素的研究

首先从理论上分析了脆性材料在超精密磨削过程中影响表面质量的各种主要因素。然后针对影响脆性材料已加工表面质量的各种主要因素作了大量的试验研究。研究结果表明，对于脆性材料，砂轮的平均磨粒尺寸对已加工表面质量的影响很大。试验证明：当采用超精密磨床并在Ｖｓ＝１２００ｍ／ｍｉｎ、ｆ＝０—２００μｍ／ｒ、ａｐ＝０．１—１０μｍ的磨削条件下进行磨削时，只有当金刚石砂轮的平均磨粒尺寸小于 ２０μｍ，才能在塑性磨制模式下加工出高质量的超光滑表面。

精密仪器用超低频非线性并联隔振系统研究

在分析了负刚度的形成机理基础上 ,设计研制了一种正负刚度并联的新型隔振系统。隔振系统采用负刚度机构在平衡点某一领域内抵消了弹性元件的部分正刚度 ,使隔振系统刚度呈现非线性 ,从而使得隔振系统总刚度趋向于零。经过设计 ,隔振系统具有高的支撑刚度和很低的运动刚度。在隔振系统中 ,可通过调节负刚度机构两端的受力情况来降低其固有频率。大量实验结果表明 ,该隔振系统的固有频率从 10 Hz降到 1Hz,从而使得其隔振频带加宽 ,隔振能力显著提高 ,达到了较好的设计效果。

光学玻璃塑性模式超精密磨削加工的研究

利用超精密磨床磨削加工 6种典型的光学玻璃 ,先从理论上研究了脆性材料脆塑转变的临界值。然后对脆性材料作了大量磨削实验 ,实验结果表明 ,超精密磨削脆性材料时存在着断裂模式、断裂与塑性模式、塑性模式 ,这些模式主要由砂轮磨粒的切削深度进行控制 ,该磨削表面粗糙度与磨粒尺寸的大小、砂轮的进给量及玻璃的材料有关。当光学玻璃在塑性模式磨削时 ,其表面层不会产生任何裂纹缺陷。利用超精密磨床进行磨削加工 ,获得的表面粗糙度 Ra低于

光学非球曲面器件的超精密磨削加工技术研究

为磨削加工出高精度、高质量的光学非球曲面器件。详尽分析了砂轮的安装及半径等误差对零件加工精度的影响。设计研制出了一套非球曲面磨削系统 ,并用它进行了实验研究。实验结果表明 :要获得高精度的非球曲面器件 ,只有当金刚石砂轮的平均磨粒尺寸低于 10 μm ,并在采用较高的砂轮线速度和较小的进给量的情况下 ,才能实现光学非球曲面的超精密磨削加工 ,经过各种磨削参数的优化选择 ,其非球曲面最终的零件轮廓精度为 0 4 μm ,表面粗糙度Ra优于 0 0 1μm。

超精密机床模糊轮廓控制技术研究

为解决轮廓控制系统的非线性和时变性所引起的控制系统控制精确度低、鲁棒性差的问题,在建立了基于光学通用方程的非球光学曲面轮廓误差模型的基础上,提出了模糊耦合轮廓误差补偿控制策略.仿真和圆弧轮廓跟踪试验结果表明,这种结构的模糊轮廓控制器可以有效地提高轮廓控制器的鲁棒性,并能大幅度提高轮廓控制精确度.

超精密非球曲面磨削系统中砂轮修整技术的研究

为了磨削加工出高质量的非球曲面器件 ,砂轮的修整是非常重要的一个影响因素。本文首先从理论上分析了砂轮的半径误差对非球曲面器件加工精度的影响。然后设计研制了一套砂轮的电火花修整机构 ,具有结构简单、修整速度快、在位修整等特点 ,修整后的砂轮形状精度很高。最后 ,用修整好的砂轮进行非球曲面的磨削实验 ,结果表明 ,其磨削加工的零件轮廓精度为 0 .3μm ,表面粗糙度Ra 优于 0 .0 1μm .

超精密车削表面微观形貌的几何建模与仿真研究

在综合考虑刀具几何参数、刀具振动和最小切削厚度等因素对已加工表面形貌影响的前提下编写了表面微观形貌的仿真程序 ,在仿真时把一个随机振动信号成功地叠加在理论表面粗糙度中。提出一种建立圆弧刃金刚石车刀超精密车削表面粗糙度模型的新方法。结果表明 ,仿真得到的表面微观形貌 ,能够比较正确地反映出超精密加工将要获得的表面轮廓。

超精密机床的主动隔振系统研究

本文以HCM_I型亚微米超精密车床为研究背景 ,在分析了机床结构与振动的基础上 ,建立了机床主动隔振系统的力学模型。通过几种作动器的性能对比选择了磁致伸缩作动器为执行器。通过反馈控制分析和实验 ,表明 :采用主动隔振可以明显提高机床减振性能 ,尤其对低频隔振效果较好。

微晶玻璃塑性域超精密磨削加工的研究

本文对微晶玻璃脆性材料的超精密磨削加工作了大量的实验研究。研究结果表明 ,对于微晶玻璃等脆性材料 ,其表面粗糙度主要与砂轮的平均磨粒尺寸、砂轮速度、进给量及磨削深度等因素有关。当采用超精密磨床并在 vs=12 0 0 m/ min、f=0～2 0 0μm/ rev、ap=0 .1～ 10μm条件下磨削时 ,只有当金刚石砂轮的平均磨粒尺寸低于 2 0μm,才能在塑性磨削模式下加工出高质量的光滑表面 ,其磨削后的表面粗糙度为 rms:8.0 2 1nm、Ra:6.2 0 0 nm。

超精密机床溜板的模糊-PID振动主动控制研究

振动是影响超精密加工质量的关键因素之一，而溜板的横向振动将通过刀架直接影响被加工工件的表面质量。为此，本文提出了溜板的振动主动控制。作动器采用自行研制的主动空气轴承作动器，以实现无摩擦接触，从而实现溜板纵向运动中的横向振动控制。控制采用模糊-PID控制，误差大时，采用模糊控制；误差小时，采用PID控制。实验结果表明，基于主动空气轴承的模糊-PID控制可以有效地减小溜板振动。

误差预算在精密与超精密机床中应用的研究概述

误差预算对精密机械系统优化设计有重要意义,在精密和超精密机床的设计制造中不可或缺。对国内外在该领域的研究进行概述,分别在误差预算的总体流程、组合规则和误差预算应用研究等方面进行展开,最后指出误差预算研究的不足和未来研究趋势。

超精密机床位置伺服控制器的研究

介绍了自行研制的HCM－l超精密机床位置伺服控制器的硬件结构和何服控制策略。其中，硬件方面采用了基于PC总线的开放式的体系结构；伺服控制方面，则在双轴同步控制的基础上，采用了由单频激光干涉仪和高精度光电码盘构成的双反馈复合控制算法，可实现半闭环和全闭环控制。实验结果表明，使用本位置伺服控制器的超精密机床的轮廓跟踪精度可达0．5μm。

正弦波微结构的超精密加工技术研究

阐述了同轴调制正弦波微结构的加工原理。结合试验分析讨论了刀具刀尖圆弧半径、被加工材料、切削液等切削条件与主轴转速和刀具进给速度等切削用量对金刚石超精密切削加工后的微结构功能表面的影响。为复杂微结构的金刚石超精密加工技术研究积累了一定经验。

熔融石英半球谐振子精密磨削工艺研究

半球谐振子是高精度半球谐振陀螺的核心部件,特征为熔融石英材料薄壁Ψ型复杂结构件,其加工方法和制造精度是制约陀螺性能和产量提升的技术瓶颈。为解决石英谐振子异形复杂球面加工难题,从工程应用出发综合考虑了谐振子加工参数要求,分析探讨了谐振子球面加工涉及的球面展成、轨迹磨削、磁流变抛光等工艺方法及技术可行性,提出了采用小直径球形砂轮的全包络轨迹磨削加工方法。研究结果表明,满足工程使用需求的谐振子加工后,内外球面圆度小于3μm,同心度小于2μm,表面粗糙度小于0.2μm,品质因数Q>1×10^(7),显著提高了半球谐振陀螺随机漂移精度。

基于PMAC的超精密磨床开放式数控系统的研究

根据超精密磨床的结构特点和功能需求,分析了基于PMAC的开放式数控系统的硬件结构,软件组成及软件开发的关键技术;利用Visual C++6.0,采用模块化设计思想开发了超精密磨床的数控系统软件,并对软件模块的功能和实现方法进行了较为深入的探讨,试验结果表明:该数控系统的功能齐全,可以满足超精密磨床的要求。

应用AFM研究单晶硅、锗的超精密车削表面微观形貌

单晶硅、锗的超精密车削表面存在明暗相间的分布特征。本文主要对该现象的产生原因进行了研究,认为车削过程中垂直解理面的切削分力的连续变化是产生这种分布特征的主要因素。

超精密加工中铣削力波形的数字滤波研究

在简要介绍超精密铣削加工试验系统的基础上,详细介绍了利用MATLAB中的sptool工具箱设计FIR低通数字滤波器的过程。对铣削力波形的滤波结果进行分析,得出滤波器的幅频参数对滤波效果的影响规律,并给出数字滤波器的设计原则。

原子精度制造新原理和新方法

目前航空航天、核物理、微电子、光电子和半导体等国家战略领域高性能装备的性能需求日渐严苛,核心零部件的制造精度必须迈进原子级水平,亟需研究原子精度的高性能制造新原理和新方法。本文归纳并提出了目前迫切需求的原子级表面精度、原子级结构精度、原子级损伤控制以及原子级特征尺寸结构创成四大原子精度制造核心能力,从能场辅助原子级切削、多能场辅助原子有序排布、表面能弱化原子精度材料去除以及超光学衍射极限的原子精度制造四大方向进行系统梳理,介绍了面向不同应用场景的原子精度制造新原理和新方法的研究现状,并概述了各类方法的优势和缺点,从中提炼出多能场耦合条件下的能量和原子间相互作用机理这一关键科学问题,并从四大方向上对未来我国原子级制造的基础研究提出了建议。

复杂曲面微织构五轴联动激光微铣削精密加工技术研究

激光微加工被广泛用于制备平面功能表面微织构,具有质量高、成本低和效率高等优势,但是在加工曲面微织构时存在烧蚀范围有限、光束入射角频繁变化而导致加工质量低等问题。为了实现曲面工件高质量表面微织构的高精度激光加工,提出一种将多轴联动精密运动平台与纳秒脉冲激光束耦合的多轴联动激光微铣削加工方法,采用激光束与曲面法线恒定重合的策略来实现高质量曲面微织构的激光微加工。首先,解析研究平面-曲面微织构的投影变化法则、激光-曲面相互作用点位置和姿态调整的运动学特性,确定激光加工轨迹的离散约束条件。其次,提出激光束与曲面法线恒定重合的加工策略,设计并研制了五轴联动激光微铣削机床,通过开发虚拟仿真环境确定其加工性能。最后,开展复杂曲面微织构的五轴联动激光微铣削加工实验和表征,在高陡度小尺寸的不锈钢曲面工件上制备了形状复杂的高精度表面微织构。研究结果显示,采用多轴联动精密运动平台与纳秒脉冲激光束耦合的加工方法可以实现曲面微织构连续且均匀地激光微加工,为在高陡度小尺寸复杂曲面上制备高质量微织构提供了一种可行方法。