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。

液压金刚石飞切机床整机模态分析

以我国自主研制的某液压金刚石飞切机床为研究对象,对考虑地基的机床整机动态性能进行研究。使用UG和ANSYS Workbench联合仿真对机床整机进行有限元模态分析,得到机床的前6阶固有频率和振型;运用模态测试系统对机床整机进行模态测试,基于实模态参数识别方法获得机床的模态参数。通过有限元仿真与试验结果对比分析发现,前6阶固有频率误差均不超过10%且对应模态振型基本一致,验证了研究结果的正确性。机床整机低阶模态振型表现为床身系统相对地基的整体转动与平动,说明机床整体机构设计合理,为机床整机进一步的时变多体动力学规律预测奠定了基础。

超精密飞切机床结合面虚拟材料法建模及模态优化

在超精密飞切加工中,机床自身的动态特性是引起加工表面微波纹的主导因素。为探究超精密金刚石飞切机床的动态特性及其对加工表面微波纹的影响机理,将虚拟材料法的结合面建模方法引入整机动力学模型中。进一步地,利用有限元分析软件进行整机的模态分析及优化。结果表明:相较于传统的弹簧-阻尼模型,该模型具有更高的综合精度。同时模态分析表明,机床固有频率为268Hz的第五阶模态对加工尤为敏感,而通过适当增加结合面的结合刚度,可优化机床模态进而消除波纹提高表面质量。

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。

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。