超精密飞切加工表面微波纹分析研究

超精密飞切加工技术被广泛应用于大口径软脆性平面光学元件的加工,并获得了优质的最终表面,但是加工后检测发现其最终表面微观形貌存在沿切削方向的波纹,这些微波纹对于元件的光学性能有不利影响。通过对机床主轴系统进行仿真分析,发现与条纹频率接近的模态,进而改变飞切机床主轴的结构,研究了刀盘结构对飞切加工表面微波纹的影响。并采用小波分解对表面特征进行提取验证。结果表明：主轴结构对表面微波纹的产生有重要影响,改变主轴结构后加工表面微波纹的形成受到大幅抑制,平面光学元件的微观表面质量得到提高。

基于机床动态特性的超精密飞切加工表面波纹机理解析

采用超精密飞切加工技术可获得软脆性平面光学元件的最终表面,而元件表面微观形貌的加工可控性对于光学元件使用性能有直接影响。首先运用多尺度小波分解方法,对飞切机床的加工表面波纹进行了特征提取,得到了工件表面波纹的频率组成及占比;然后通过对机床主轴系统的有限元分析,结合冲击振动测试,找到了与工件表面波纹对应的模态;最后通过对机床的在线振动测试及加工实验进一步明确了飞切加工表面微波纹的成因。结果表明:表面波纹在17 mm左右的空间周期上存在最大的分量,显著影响光学元件的精度和使用效果,该波纹由主轴系统在间断切削的冲击响应所引起,可以通过改变主轴结构实现波纹频率和幅值的控制。

碲锌镉晶片的超精密飞切减薄工艺研究

运用晶体材料的脆塑转变理论,建立了碲锌镉晶体材料生长晶面(111)面上的脆塑转变临界切削深度模型。然后通过碲锌镉典型样件(111)晶面的超精密飞切铣削实验进行了弧形槽结构的检测和分析,获得了碲锌镉晶体材料(111)晶面的脆塑转变临界切削深度数值。并确定了切削单晶碲锌镉材料时的最佳飞切晶向,实现了飞切方向和最小切削厚度值的匹配。最后通过组合夹具的使用,进行了超精密飞切减薄试验,实现了一整套晶体材料的超精密飞切减薄加工工艺。

超精密飞切二维转鼓用伺服分度装置的研制

针对光学应用领域中二维转鼓的超精密飞切装卡与自动定位需求,设计开发了一套二维转台伺服分度装置。其中二维转台采用方位轴和横滚轴相结合的运动方式来实现二维转鼓超精密飞切时的精密分度调控,然后开发了伺服控制系统并采用一种特殊结构形式的锁紧方式来实现单轴位置分辨率小于2″、重复定位精度小于5″的精确锁紧定位,最后通过连接夹具和胶接工艺的采用综合实现二维转鼓超精密飞切加工负载及精度需要。基于电子经纬仪和超精密机床配套电子拷表对该伺服分度装置进行了测试和分析,表明该装置可以应用于二维转鼓的超精密飞切加工。

超精密飞切加工表面微波纹分析研究

超精密飞切加工技术被广泛应用于大口径软脆性平面光学元件的加工,并获得了优质的最终表面,但是加工后检测发现其最终表面微观形貌存在沿切削方向的波纹,这些微波纹对于元件的光学性能有不利影响。通过对机床主轴系统进行仿真分析,发现与条纹频率接近的模态,进而改变飞切机床主轴的结构,研究了刀盘结构对飞切加工表面微波纹的影响。并采用小波分解对表面特征进行提取验证。结果表明:主轴结构对表面微波纹的产生有重要影响,改变主轴结构后加工表面微波纹的形成受到大幅抑制,平面光学元件的微观表面质量得到提高。

基于三维形貌仿真的超精密飞切加工表面质量影响因素分析

在超精密飞切加工中,加工表面的三维形貌特征主要包括粗糙度、波纹度和面形,不同的三维形貌特征受到不同表面质量因素的影响.为了研究不同因素对表面质量的影响情况,首先对超精密飞切加工过程中的影响因素进行了分析;然后,基于刀刃复印的原则,建立了一种超精密飞切加工表面三维形貌的仿真模型;最后,基于该模型,对工艺参数及刀具-工件的相对振动等主要因素的影响规律进行了分析,获得了加工表面主要空间频率与相对振动频率之间的关系.

基于MSTMM的超精密飞切机床动态特性分析

采用集中质量法建立超精密飞切机床的动力学模型,基于多体系统传递矩阵法推导了系统总传递方程。根据模态试验数据,以相对误差最小为目标,运用自适应遗传算法识别动力学模型中铰的线刚度与角刚度参数;采用MSTMM对机床动态特性进行求解。通过比较计算结果与试验结果,除第7阶外,前18阶频率的相对误差均<5%,证实了模型的准确性与方法的可行性;对比有限元计算方法,效率提升了近70倍。

超精密径向调刀飞刀盘研制及弧形微结构的飞切实验

采用超精密飞切技术实现的脆性光学晶体材料表面的微结构功能具有重要应用。针对超精密车削机床缺乏竖直Y轴的问题,开发了一种铝制径向调刀飞刀盘,从而可以保证飞切槽形时对槽深的控制。采用差动螺旋进给机构在传统飞刀盘盘面径向设计了金刚石刀具的微调进给装置,并设计了动平衡的粗、精调功能。通过对单晶锗片表面的超精密飞切弧形槽微结构阵列的加工实验表明,该飞刀盘既可以有效相对工件表面进行对刀,也可以精确控制落刀深度;通过合理确定落刀深度,可以实现脆性晶体材料单晶锗表面弧形槽微结构的塑性区超精密飞切加工。

DFC-800LC超精密单点金刚石飞切机床控制系统设计与开发

根据超精密单点金刚石飞切机床工艺特点,采用"IPC+总线+伺服驱动器"架构实现X轴/主轴的运动控制,并通过IPC与西门子PLC的OPC通讯,实现飞切机床逻辑控制及智能状态监测。针对测控系统新架构进行功能梳理,基于Qt5.9开发平台,完成飞切机床人机交互界面的开发。经过长时间工艺实验测试,机床软硬件运行良好,控制系统性能稳定,实现KDP晶体加工粗糙度达1.173nm,大口径铝件加工PV值优于3μm的高精度指标。

主轴回转误差引入飞切加工表面微波纹的形成机理与解决方案

为分析超精密飞切机床加工表面微波纹的形成机理,研究了主轴回转误差信息提取与表面形貌仿真技术,获取微波纹误差来源并研究解决方案。首先,在超精密飞切机床主轴上搭载五通道在线电容位移检测系统,并对采集到的信号进行误差分析提取。然后,建立飞切加工表面微观形貌三维仿真模型,仿真分析主轴误差引入的加工表面微波纹,并与表面检测结果比对确定误差来源。最后,通过调整主轴电机控制系统抑制该误差。三维仿真和实测结果相吻合,证实超精密飞切机床主轴转速波动导致的回转误差造成了工件表面1 Hz左右的规律性条纹,对主轴转速控制系统进行数字化改造后,基本消除了该因素导致的表面微波纹,表面粗糙度从5 nm以上抑制到2 nm左右,PV值优于10 nm。超精密飞切机床主轴转速波动会对飞切加工表面微观形貌以及表面粗糙度产生显著影响,需至少控制在0.5 r/min以内。

基于分子动力学单晶锗的切削特性分析

单晶锗属于硬脆性光学晶体材料,这类材料脆性大、易解理。由于硬脆光学材料精密成形工艺性能差、晶格的各向异性和脆塑转变机理的存在,导致对其切削加工时,加工表面易产生裂纹和凹坑等缺陷,这就严重影响其表面质量,而分子动力学模拟则完全可以克服在超精密加工过程中的试验、计算和分析等这些困难。利用分子动力学模拟对切削过程进行研究,可得出理想的加工表面质量。

数据驱动的KDP晶体加工表面质量分类研究

为辅助监控超精密飞切机床对磷酸二氢钾(KDP)精加工过程中偶发的加工误差,结合机床加工过程中的振动数据和温度数据关键特征提取,建立晶体加工表面的预测模型。基于ResNet-18分析振动数据与KDP晶体表面是否合格之间的联系进行二分类预测,最终在测试集上模型准确率达到88.5%。同时,基于XGBoost模型分析温度数据与KDP晶体表面质量低频指标P-V的联系并进行预测,实验结果表明预测模型能较快预测加工元件表面质量,且整体误差在可接受范围内。对加工误差进行溯源分析,构建机床的整机模型,利用有限元分析计算长时间的加工状态下机床的瞬态温度场,仿真结果表明在机床运行8580 s后机床最高温度达26.9℃,并开展实验证明了仿真结果的准确性,证实了“KDP晶体加工后期质量变差”与“机床主轴系统随加工过程持续升温”有关的推论。

立式液体静压主轴的设计及温度场分析

目前国内外大口径KDP晶体加工都采用立式空气静压主轴超精密飞切机床加工,但立式空气静压主轴存在阻尼低、抑振困难的缺陷。利用液体的高阻尼特性,设计出采用大止推盘的立式液体静压主轴结构,研究止推油膜厚度和偏心量对立式主轴的最高温升及承载力的影响规律。结果表明:随着油膜厚度的减小,温升量和承载力逐渐增大,且增大的越来越快;主轴温升主要出现在轴承油膜区域,同时由于结构和散热条件的影响,止推轴承区域的温升明显高于径向轴承区域温升。