金刚石飞切加工微结构表面的工艺参数优化

为了获得具有纳米级表面质量的微结构表面,利用‘Nanosys-300’超精密复合加工系统实现了微结构表面的三维金刚石飞切加工,研究了主轴转速、进给量以及背吃刀量对微结构表面粗糙度的影响。理论分析表明,金刚石飞切加工微结构时理论表面粗糙度沿法线方向并没有变化,而沿进给方向存在着周期变化。减小进给量和金刚石飞刀前端角或增大切削半径可以降低理论粗糙度值。实验分析表明,表面粗糙度值Ra随进给量的增加而增加,主轴转速对Ra影响不大。切削聚碳酸酯（PC）时,在5~40μmRa随背吃刀量的增加而增加;而切削铝合金（LY12）时,在2~10μmRa随背吃刀量的增加而减小。实验中Ra最好可达38 nm（LY12）和43 nm（PC）。最后,利用优化工艺参数加工出了微沟槽阵列和微金字塔矩阵微结构。

DFC-600A超精密单点金刚石飞切机床研制

单点金刚石切削是目前理想的KDP晶体加工方法。本项目立足自主技术研发,通过深入研究KDP晶体的单点金刚石切削机理,突破了超精密空气静压主轴和导轨设计及制造关键技术,解决了气浮主轴和工作台高精度恒速直驱问题,研制成功了超精密单点金刚石飞切机床DFC-600A。通过工艺实验表明,该机床能够实现大口径KDP晶体、铝合金及聚碳酸酯等光学元件的超精密加工的需求。

磷酸二氢钾晶体飞切过程中温度场的分布及其对切屑形貌的影响

研究了磷酸二氢钾(KDP)晶体飞切加工过程中温度场的分布,探索了切削温度对KDP晶体切削过程的影响。首先,采用热力耦合有限元分析对KDP晶体切削过程进行了仿真,获得了不同切削深度下材料内部温度场的分布。分别使用飞切机床和纳米压痕仪在不同速度下切削KDP晶体,发现不同切削速度下形成的切屑的微观形貌存在显著差异,分析指出这可能是由于在不同切削速度下切削区域温度差异导致的。最后,对低速加工过程中获得的切屑进行加热试验,并观测了不同温升条件下切屑微观形貌的变化。飞切加工仿真实验显示:当切深为200nm时,切削区域的温度达到110℃;而实际实验结果表明:当温度超过100℃时,切屑的微观形貌会发生明显变化。综合仿真及实验结果可知:在KDP晶体飞切加工过程中切削区域的温度将超过100℃,因此在对KDP晶体切削机理进行研究时,必须考虑温度对材料力学性能及其去除过程的影响。

用飞切法加工光学晶体平面镜

从单晶锗光学晶体结构入手，深入分析了光学晶体材料切屑切除与晶体结构方位的关系，确定了材料产生剪切滑移的最佳晶向，据此提出了在这些晶向上对单晶锗进行飞切加工的新工艺，从而有效地消除了已加工表面断裂破坏区，获得了表面粗糙度０．００７～０．００９均匀一致的光滑表面。

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。

微槽结构单点金刚石飞切加工的切削力建模

超精密单点金刚石飞刀切削技术是一种比较新颖的微槽类结构加工方式。在飞切过程中,切削力是切削过程中重要的物理量,对加工后的表面质量、刀具磨损等有着直接影响。提出了一种基于直角微切削理论的动态微槽类结构飞切的力学模型,基于微切削理论,得到了前、后刀面切削力的理论模型。根据飞切的几何运动特征,建立了飞切过程中剪切角的计算模型,并根据单圈飞切实验得到了飞切过程中剪切面的变化规律。为了验证模型的正确性,采用不同切削参数进行了多圈重叠飞切实验,对切削力进行了测量和分析。实验得到的切削力大小和变化规律与理论模型计算得到的基本一致,证明了该切削力模型的有效性。

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。

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。

KDP晶体单点金刚石飞切轨迹波纹误差辨识研究

频率辨识是消除或抑制KDP晶体超精密金刚石飞切轨迹波纹误差的重要前提。针对该问题,提出了一种基于空间频率变换的飞切轨迹波纹误差辨识方法。该方法通过提取表面飞切轨迹上的轮廓幅值,计算其波纹误差的空间频率,然后采用飞切线速度进行转换,获得时间域上的频率值,实现波纹误差特征频率的准确分离。将误差特征频率与切削振动频率、机床气浮主轴系统的固有频率进行对比分析,明确了气浮主轴在断续切削力作用下产生的自激振动和来自电机的受迫振动是导致KDP晶体金刚石飞切波纹误差的根本原因。在此基础上,通过对主轴驱动及结构的优化,工艺实验结果表明,大口径KDP晶体飞切后的PSD1(2.5~33mm)频段内波纹误差RMS值由53nm降低至12nm。

光波导微模具飞切加工工艺

针对目前模压制作工艺中高精度的光波导微模具加工工艺比较复杂的问题,基于金刚石超精密机械加工技术在光学元件微结构的广泛应用提出了光波导微模具的金刚石飞切高效快速的加工方法。通过超精密飞切加工系统以硬铝为模具材料进行了工艺优化的正交试验。试验结果表明:背吃刀量对光波导微结构表面质量的影响相当敏感,主轴转速对微结构表面质量的影响也比较大,进给量的影响则要小得多。综合考虑机床的稳定性及加工效率,确定了最优的光波导微模具的飞切加工工艺参数为:背吃刀量25μm、进给量20mm/min和主轴转速800r/min。通过优化工艺参数获得微结构侧壁表面粗糙度rms为17.1nm的光波导微模具。

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。

大尺寸薄铝板的单点金刚石飞切加工工艺研究

大尺寸薄铝板在加工过程中容易变形,因此无法满足使用要求,为了解决330mm×330mm×10mm薄铝板的高表面粗糙度和面型精度要求,文章介绍了采用单点金刚石飞切机床,进行了大尺寸薄铝板件的超精密切削工艺技术研究,探索了装卡方式和切削深度对表面粗糙度和面型的影响,优化切削工艺参数,实现了330mm×330mm×10mm大尺寸薄铝板件的加工精度要求。

锗晶体二维转鼓单点金刚石飞切工艺的研究

一维扫描转鼓的单点金刚石飞切工艺(SPDT)已为国内多家单位掌握,而高精度二维转鼓的SPDT飞切工艺仍待突破。作为扫描器中的核心元件,锗晶体二维转鼓的批量加工直接决定I类组件化热像仪的应用和普及,采用传统的光学冷加工工艺生产此转鼓,效率极低,无法满足市场需要。经过大量工艺试验,我们独创了特殊的粘接工艺、转鼓姿态在线检测和校正等技术,解决了加工二维转鼓的工艺难题,成为国内唯一批量生产此元件的单位,生产效率比原来提高6倍以上。

金刚石飞切单晶硅的切削力模型及试验研究

首先对金刚石飞切单晶硅的加工特点进行分析,建立了未变形切屑厚度模型及材料去除类型的理论判定条件;然后推导出了适合金刚石飞切加工特点和单晶硅材料特性的数学预测模型;最后进行了切削力正交试验,并通过切削力试验值与模型计算值对比验证了切削力模型的合理性。同时根据试验结果总结了各主要加工参数(切深ap、进给量f、主轴转速n)及其产生的最大未变形切屑厚度hmax对切削力的影响规律。

超声辅助金刚石飞切氧化锆切削力特性及刀具磨损的研究

针对陶瓷硬脆材料难加工特性,结合金刚石飞切与超声辅助加工的优点,提出超声辅助金刚石飞切这一新加工工艺,并将其应用于氧化锆陶瓷超精密切削,取得了较好加工效果。在分析了超声辅助金刚石飞切加工的特点基础上,建立其切削模型及切削力模型,搭建了超声辅助金刚石飞切实验平台,进行了氧化锆超声辅助金刚石飞切切削力试验及刀具磨损试验。通过实验对比,探讨超声辅助加工技术对切削力和刀具磨损的影响,分析金刚石飞切加工过程中切削参数(主轴转速、进给量速度、切削深度)对切削力的影响。结果表明,超声辅助金刚石飞切可明显降低切削力,并有效抑制刀具磨损进程。

铌酸锂晶体平面镜的金刚石飞切加工

铌酸锂 (LiNbO3 )晶体是常用的电光晶体、声光晶体和变频晶体 ,常用于制作电光开关、激光调制器、偏转器、光电倍增管等 ,在激光技术中应用较多。但LiNbO3 晶体脆性大 ,机械加工易使材料产生解理断裂破坏 ,可加工性极差 ;另外 ,由于LiNbO3 具有各向异性 ,车削加工时晶体的结晶方位相对于切削方向连续变化 ,已加工表面呈现各向异性特征 ,即产生以工件回转轴线为中心的扇形粗糙区和光滑区 ,严重影响已加工表面质量的一致性。为确保获得表面质量均匀一致的光滑表面 ,我们提出了LiNbO3 晶体平面镜的金刚石飞切加工工艺。飞切加工在应用光学国家重点实验室MSG 32 5数控金刚石车床上进行。自行设计制作2 2 0× 5 0mm飞切刀盘 ,在飞切刀盘外缘平行于轴线对称铣削 2个刀槽 ,其中一个刀槽装夹金刚石刀具 ,另一个刀槽装夹 1个等重平衡刀杆。取下机床真空夹盘 ,将飞切刀盘装夹在机床主轴上 ,由机床主轴通过飞切刀盘为金刚石刀具提供旋转主运动。在机床的工作台上设计安装一支架 ,支架上固定安装一精密胎具 ,将LiNbO3 晶体试件用热软胶粘在胎具上 ,其中心与机床主轴回转中心等高 ,由工作台带动支架 ,使工件作横向进给运动。安装工件时 ,必须确定最佳的飞切方向 ,即选择材料最容易产生剪切滑移的晶向 。

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。

超精密平面飞切机床关键技术研究

研制了一种用于KDP晶体加工的平面飞切机床,该机床直线轴基于直线电动机驱动、液体静压导轨支承;刀具旋转轴采用高刚度气浮主轴+高刚度主轴旋转机构。基于高精度分辨率位置反馈+线性驱动器+PID控制算法,直线轴获得了1 mm/min速度下,0.018 mm/min的低速波动以及±0.01μm的位置精度;刀具微进给装置采用差动螺纹进给来实现,最终获得了进给分辨率1μm、锁紧后位置移动量小于1μm高精度进给。在优化工艺参数后,金刚石飞切机床加工100 mm×100 mm×10mm的KDP晶体后获得表面粗糙度Rq优于2 nm高精度指标;加工400 mm×400 mm×30 mm的铝镜后获得面形PV值优于3μm的高精度指标。

超声辅助金刚石飞切纳米氧化锆陶瓷表面粗糙度研究

为解决硬脆材料超精密加工难题,提出将超声加工与金刚石飞切相结合的方法,对纳米氧化锆陶瓷超声辅助金刚石飞切超精密加工展开研究,首先从理论上,分别对普通金刚石飞切与超声辅助金刚石飞切的加工特点进行分析,建立了2种情况下的理论粗糙度数学模型,分析了各种加工因素对其加工表面粗糙度的影响规律,之后进行对比正交试验,分别分析了主轴转速,进给量以及背吃刀量等加工参数对纳米氧化锆陶瓷已加工表面粗糙度的影响规律,试验结果表明,超声辅助金刚石飞切技术适合于纳米氧化锆陶瓷等硬脆材料的精密超精密加工。

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。