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非球曲面的超精密加工工艺及加工系统的研究【3张图纸】【优秀】【原创】

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非球曲面 精密 加工 工艺 系统 研究 钻研 图纸 优秀 优良 原创
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非球曲面的超精密加工工艺及加工系统的研究

42页 15000字数+说明书+3张CAD图纸【详情如下】

Drawing1.dwg

Drawing2.dwg

Drawing3.dwg

支承架.dwg

超精密机床 结构简图.dwg

非球曲面的超精密加工工艺及加工系统的研究说明书.doc

非球面磨削装置总装图.dwg


摘  要

　　　非球面光学零件可以获得球面光学零件无可比拟的良好的成像质量，在光学系统中能够很好的矫正多种像差，改善成像质量，提高系统鉴别能力，它能以一个或几个非球面零件代替多个球面零件，从而简化仪器结构，降低成本并有效的减轻仪器重量。可广泛应用于各种现代光电子产品，几乎在所有的工程应用领域中，无论是现代国防科技技术领域，还是普通的工业领域都有着广泛的应用前景，开展光学玻璃非球面零件的高精密光学技术研究具有重要的理论意义和现实指导意义。

　　　本次设计研究内容为非球曲面的超精密加工系统的研究，非球曲面的超精密加工工艺的研究。重点内容是非球曲面加工超精密磨削装置的设计，主要为砂轮主轴装置的选取，中心高位调机构的设计，各个运动的传动设计以及砂轮运动轨迹的分析。在研究过程中详细的分析了影响零件加工精度的各种主要因素并提出相应的控制措施，尤其是对非球曲面的磨削加工设备进行详细设计，并简要分析了非球曲面加工机床的数控及伺服控制系统等。


关键词：非球曲面；超精密加工；微调机构；金刚石砂轮


目  录

摘要I

目录III

第1章 绪论1

　　1.1非球面加工的优点和意义1

1.2非球曲面研究概述 1

1.2.1 非球面的定义1

1.2.2 非球面应用领域2

1.2.3 非球曲面加工技术近年来发展概况2

1.2.4 非球曲面加工的发展趋势和研究方向4

1.3 非球面光学零件材料及其加工方法4

1.3.1 计算机数控单点金刚石技术（SPDT）5

1.3.2 超精密磨削技术5

1.3.3 计算机控制光学表面成型（CCOS）技术5

1.3.4 光学玻璃模压成型技术6

1.3.5 光学塑料成型技术6

1.3.6 其他非球面加工技术6

1.4非球面精密磨削加工理论6

1.4.1 微量加工理论7

1.4.2 脆性材料的延性域磨削8

第2章  超精密非球面加工方案选择及误差分析10

2.1  超精密非球曲面磨床的总体布局10

2.1.1 空气主轴系统10

2.1.2 伺服进给系统11

2.1.3 微位移测量系统11

2.1.4 中心高微调系统11

2.1.5 数控系统11

2.2  非球曲面磨削方案的确定12

2.2.1加工零件的技术参数13

2.2.2 非球曲面磨削方案确定13

2.3 加工误差分析14

2.3.1 中心高微调机构对零件加工精度的影响15

2.3.2 在X轴上砂轮安装误差对零件加工精度的影响17

2.3.3 砂轮半径误差对零件加工精度的影响18

2.3.4 及综合作用时对零件面形精度的影响19

第3章 非球面磨削装置设计21

3.1 超精密加工的关键技术21

3.1.1 超精密主轴21

3.1.2 超精密导轨21

3.1.3 传动系统22

3.1.4 超精密刀具22

3.1.5 超精密加工其他技术23

3.2 传动系统设计23

3.2.1 磨削参数的计算23

3.2.2 导轨的整体设计24

3.2.3 传动参数的计算25

3.3 磨削系统设计25

3.3.1 系统结构设计26

3.3.1 中心高微调机构设计27

3.3.2 砂轮主轴的选择28

结  论31

致  谢32

参考文献33


CONTENTS

AbstractI

CONTENTSIII


Capter 1 Introduction1

1.1 The meaning of the processing of aspheric surface1

1.2 The introuduction of the aspheric surface’s research1

1.2.1 Definition of aspheric surface1

1.2.2 Application of aspheric surface2

1.2.3 The development of aspheric surface in recent years2

1.2.4 Aspheric pricesssing trends and research directions4

1.3 The parts’ material and the processing method4

1.3.1 Computer-controlled single-point diamond technology（SPDT）5

1.3.2 Ultra-precision grinding technology5

1.3.3 Computer Controlled Optical Surfacing（CCOS）5

1.3.4 Optical glass compression molding technology6

1.3.5Optical plastic molding technology6

1.3.6 Other processing technology6

1.4Aspheric surface precision grinding theory6

1.4.1 Trace processing theory8

1.4.2 Ductile-regime grinding of brittle materials8

Capter 2 Ultra-precision aspheric processing alternatives and error analysis10

2.1  Ultra precision aspherical surface grinding machine layout10

2.1.1 Air spindle system10

2.1.2 Servo feed system11

2.1.3 Micro-displacement measurement system11

2.1.4 Center high tuning system11

2.1.5 Numerical control system11

2.2  Aspherical surface grinding scheme12

2.2.1 Processing part of the technical parameters13

2.2.2 Aspherical surface grinding scheme13

2.3 Processing error analysis14

2.3.1 Center high fine-tuning mechanism on the impact of cutting accuracy15

2.3.2 In the X axis on the wheel on the impact of cutting accuracy17

2.3.3 Wheel radius error on the part of machining precision18

2.3.4 Both and on the part 19

Capter3 Aspheric tooling design21

3.1 Ultra-precision machining technology21

3.1.1 Ultra-precision spindle21

3.1.2 Ultra-precision guide21

3.1.3 Drive system22

3.1.4 Ultra-precision cutter22

3.1.5 Other technology23

3.2 Transmission System Designing23

3.2.1 Grinding parameters23

3.2.2 The overall design of the Rails24

3.2.3 Calculation of transmission parameters25

3.3 Grinding systems design25

3.3.1 System architecture design26

3.3.1 Center high micro-adjusting mechanism design27

3.3.2 Wheel spindle design28

Conclusion31

Thanks32

References33

内容简介：
摘 要非球面光学零件可以获得球面光学零件无可比拟的良好的成像质量，在光学系统中能够很好的矫正多种像差，改善成像质量，提高系统鉴别能力，它能以一个或几个非球面零件代替多个球面零件，从而简化仪器结构，降低成本并有效的减轻仪器重量。可广泛应用于各种现代光电子产品，几乎在所有的工程应用领域中，无论是现代国防科技技术领域，还是普通的工业领域都有着广泛的应用前景，开展光学玻璃非球面零件的高精密光学技术研究具有重要的理论意义和现实指导意义。本次设计研究内容为非球曲面的超精密加工系统的研究，非球曲面的超精密加工工艺的研究。重点内容是非球曲面加工超精密磨削装置的设计，主要为砂轮主轴装置的选取，中心高位调机构的设计，各个运动的传动设计以及砂轮运动轨迹的分析。在研究过程中详细的分析了影响零件加工精度的各种主要因素并提出相应的控制措施，尤其是对非球曲面的磨削加工设备进行详细设计，并简要分析了非球曲面加工机床的数控及伺服控制系统等。关键词：非球曲面；超精密加工；微调机构；金刚石砂轮3636AbstractThe aspheric optical parts can get good image quality, good optical system correction of various aberrations, to improve the image quality, and improve the system ability to identify it to one or several non-spherical spherical optical parts unparalleledparts instead of a number of spherical parts, thus simplifying the instrument structure, reduce costs and reduce instrument weight. Its widely used in many realms, such as national defense, machine chemical and aviation. Its very useful to develop the grinding theory and important practical significance to study the high precision grinding methods about the optical glass aspheric surface parts.This article discussed in the ultra-precision grinder, the CNC operation program,and the aspheric surface optics parts grinding craft. The center height micro-adjusting mechanism and the drive system. In the process of the research, we analysis it detailed that the main factor influence the process precision of the parts, and make something to solve it, especially for the precision grinding equipments, and analysis it simplify for the precision machine tool for aspheric surface optics parts and the servo-control system and the other technology. Key words: the aspheric surface; ultra-precision machining; the micro-adjusting mechanism; diamond wheel 目 录摘要I目录III第1章 绪论11.1非球面加工的优点和意义11.2非球曲面研究概述 11.2.1 非球面的定义11.2.2 非球面应用领域21.2.3 非球曲面加工技术近年来发展概况21.2.4 非球曲面加工的发展趋势和研究方向41.3 非球面光学零件材料及其加工方法41.3.1 计算机数控单点金刚石技术（SPDT）51.3.2 超精密磨削技术51.3.3 计算机控制光学表面成型（CCOS）技术51.3.4 光学玻璃模压成型技术61.3.5 光学塑料成型技术61.3.6 其他非球面加工技术61.4非球面精密磨削加工理论61.4.1 微量加工理论71.4.2 脆性材料的延性域磨削8第2章 超精密非球面加工方案选择及误差分析102.1 超精密非球曲面磨床的总体布局102.1.1 空气主轴系统102.1.2 伺服进给系统112.1.3 微位移测量系统112.1.4 中心高微调系统112.1.5 数控系统112.2 非球曲面磨削方案的确定122.2.1加工零件的技术参数132.2.2 非球曲面磨削方案确定132.3 加工误差分析142.3.1 中心高微调机构对零件加工精度的影响152.3.2 在X轴上砂轮安装误差对零件加工精度的影响172.3.3 砂轮半径误差对零件加工精度的影响182.3.4 及综合作用时对零件面形精度的影响19第3章 非球面磨削装置设计213.1 超精密加工的关键技术213.1.1 超精密主轴213.1.2 超精密导轨213.1.3 传动系统223.1.4 超精密刀具223.1.5 超精密加工其他技术233.2 传动系统设计233.2.1 磨削参数的计算233.2.2 导轨的整体设计243.2.3 传动参数的计算253.3 磨削系统设计253.3.1 系统结构设计263.3.1 中心高微调机构设计273.3.2 砂轮主轴的选择28结 论31致 谢32参考文献33CONTENTSAbstractICONTENTSIIICapter 1 Introduction11.1 The meaning of the processing of aspheric surface11.2 The introuduction of the aspheric surfaces research11.2.1 Definition of aspheric surface11.2.2 Application of aspheric surface21.2.3 The development of aspheric surface in recent years21.2.4 Aspheric pricesssing trends and research directions41.3 The parts material and the processing method41.3.1 Computer-controlled single-point diamond technology（SPDT）51.3.2 Ultra-precision grinding technology51.3.3 Computer Controlled Optical Surfacing（CCOS）51.3.4 Optical glass compression molding technology61.3.5Optical plastic molding technology61.3.6 Other processing technology61.4Aspheric surface precision grinding theory61.4.1 Trace processing theory81.4.2 Ductile-regime grinding of brittle materials8Capter 2 Ultra-precision aspheric processing alternatives and error analysis102.1 Ultra precision aspherical surface grinding machine layout102.1.1 Air spindle system102.1.2 Servo feed system112.1.3 Micro-displacement measurement system112.1.4 Center high tuning system112.1.5 Numerical control system112.2 Aspherical surface grinding scheme122.2.1 Processing part of the technical parameters132.2.2 Aspherical surface grinding scheme132.3 Processing error analysis142.3.1 Center high fine-tuning mechanism on the impact of cutting accuracy152.3.2 In the X axis on the wheel on the impact of cutting accuracy172.3.3 Wheel radius error on the part of machining precision182.3.4 Both and on the part 19Capter3 Aspheric tooling design213.1 Ultra-precision machining technology213.1.1 Ultra-precision spindle213.1.2 Ultra-precision guide213.1.3 Drive system223.1.4 Ultra-precision cutter223.1.5 Other technology233.2 Transmission System Designing233.2.1 Grinding parameters233.2.2 The overall design of the Rails243.2.3 Calculation of transmission parameters253.3 Grinding systems design253.3.1 System architecture design263.3.1 Center high micro-adjusting mechanism design273.3.2 Wheel spindle design28Conclusion31Thanks32References33第1章 绪论1.1非球曲面加工的意义和优点非球面技术应用于光学零件，相对于球面而言，具有许多优点，它可以消除球面镜片在光传递过程中产生的球差、慧差、像散、场曲及畸变等诸多不利因素，减少光能损失，从而获得高质量的图像效果和高品质的光学特征。一般来说，在光学仪器上，一块非球面透镜的作用相当于三块球面镜，因此，光学仪器设备采用非球面镜片具有重量轻、透光性能好、成本低、且使光学系统设计更具灵活性的优点1。图1-1 球面和非球面透镜的光学性能1.2非球曲面研究概述1.2.1 非球面的定义非球曲面是指光学表面具有无数个对称轴，并且没有一定的曲率半径的曲面。非球面按照有无回转轴可以分为两种类型：一类是具有一个回转轴，例如抛物面、椭球面等；另一类是没有回旋轴，如离轴抛物面、自由曲面等。自由曲面是一种复杂的、非回转型非球面1。1.2.2 非球曲面应用领域非球面曲面光学零件因其优良的光学性能而日益成为一类非常重要的光学零件。可广泛应用于各种现代光电子产品，几乎在所有的工程应用领域中，无论是现代国防科技技术领域，还是普通的工业领域都有着广泛的应用前景。军用方面，西方国家在70年代以后研制和生产的军用光电系统，如军用激光装置、热成像装置、微光夜视头盔、红外扫描装置、导弹引导头和各种变焦镜头，均已在不同程度上采用了非球面光学零件。在一般民用光电系统方面，非球面零件可以大量地应用到各种光电成像系统中，如飞机中提供飞行信息的显示系统；摄像机的取景器、交焦镜头；红外广角地平仪中的锗透镜；录像、录音用显微物镜读头；医疗诊断用的间接眼底镜，内窥镜，渐进镜片等，以及数码相机、VCD、DVD、电脑、CCD摄像镜头，大屏幕投影电视机等图像处理产品。如今，非球面光学零件在机载设备卫星惯性制导及惯性导航系统、激光制导系统、红外探测系统等国防科技工业领域以及民用光电产品方面都有着越来越广泛、越来越重要的应用1。1.2.3 非球曲面加工技术近年来的发展概况我国从20世纪80年代初才开始超精密技术的研究，发展比较缓慢。近年来，我国加快了非球曲面零件超精密加工技术的研究步伐，成功研制出了非球曲面超精密加工磨床和车床，但是真正意义上的非球面超精密加工技术至今还未开展起来。在非球面超精加工工艺的研究方面，我国尚在起步阶段，还没有对加工工艺进行深入系统的研究3。国内对光学非球面加工技术的研究越来越重视，清华大学在非球面计算机控制研磨、哈尔滨工业大学在非球面超精密磨削抛光、国防科技大学在非球面磨削研抛加工一体化、长春理工大学和中科院长春光机所在非球面新加工原理方法、成都精密光学工程研究中心在大型非球面加工等方面都作了很多研究工作，推动了我国光学非球面超精密加工技术的发展，但与国外仍有较大的技术差距3。“九五”期间，超精密加工国防科技重点实验室对九五”重点预研课题“非球面曲面的超精密加工与测量技术”进行了卓有成效的、系统的科研攻关，成功地研制出了“Nanosys-300非球面曲面超精密复合加工系统” 2。本课题的研究成果，将有效地解决我国国防科研生产对非球面光学零件需求的矛盾，并有效地促进我国非球面超精密加工技术的跨越式发展。在Nanosys-300系统设计时，考虑到被加工对象材料以及精度要求的不同，采用了模块化设计理论，即在同一台机床上通过不同的模块组合来实现超精密车削（SPDT)和超精密磨削（ELID）等功能。对于有色金属材料，如铜、铝及其合金等工件采取金刚石车削工艺加工，而对于黑色金属、玻璃和陶瓷等工件则采取超精密磨削（ELID）工艺加工3。 国外从20 世纪60年代开始进行超精密加工技术的研究，到20世纪80年代以后，出现了许多新的非球面超精密加工技术，如计算机数控单点金刚石车削技术（SPDT）、计算机数控磨削技术、计算机数控超精密抛光技术等。这些加工方法基本解决了各类非球面零件的加工问题，加工零件精度和效率高，适于批量生产。非球面曲面加工应根据工件材料、形状、精度和口径等因素的不同，采用不同的加工方法。如对于铜、铝等软质材料，可采用单点金刚石切削（SPDT）进行超精密加工，对于玻璃、陶瓷等硬脆材料，则主要是通过超精密磨削、研磨和抛光进行加工。目前，国外许多公司已将超精密车削、磨削、研磨及抛光等加工功能集于一体，研制开发出新型的非球面超精密复合加工系统。如Rank Pneumo公司生产的Nanoform 300、Nanoform 250，英国Cranfleld大学的精密工程研究所（CUPE）研制的Nanocentre，日本丰田工机的AHN60-3D、ULP-100A(H)等都具有复合加工功能，这样就使得非球面曲面零件的加工变得更加灵活2,3,4。在光学非球面的超精密加工机床方面美国Moore 公司的产品轴分辨率达到1 nm美国Rochester 大学光学研究所和光学加工中心(COM) 基于先进光学加工技术开发如Nanotech150AG非球面加工机Q22 磁流变抛光机等在光学非球面超精密测量方面有Taylor Hobson 公司的接触式非球面形状精度测量机ZYGO公司的非接触表面粗糙度测量系统6。1.2.4 非球曲面的加工发展趋势和研究方向由于非曲面光学零件的诸多优点，从事非球曲面零件加工的国家也越来越多，到目前为止，对非球曲面的相关研究主要有一下几个方面：1.非球面加工材料的开发以及非球曲面加工磨具材料的研究2.高精度非球曲面加工技术及加工方法的研究3.非球面加工机械设备的研发4.计算机数控加工非球曲面的软件研发5.非球面加工检测以及设备的研究11而非球曲面的零件也正朝着以下的方向发展：1.向高精度3、低表面粗糙度方向发展2.向大批量、高效率方向发展3.由简单的轴对称旋转二次非球面，向离轴非球面以及高次自由光学曲面发展4.向大型化、巨型化光学零件方向发展5.向小型化、微型化光学零件方向发展6.向自动化柔性生产技术发展1.3 非球面光学零件材料及其加工方法目前，用于非球面光学零件的主要材料有光学塑料、玻璃、石英、红外锗材料以及铜铝等软属材料23，国外从上世纪60年代就开始了对非球面加工技术的研究，20世纪80年代以来出现了多新的非球面超精密加工技术，它们主要是：计算机数控单点金刚石车削技术(SPDT)、计算机数控超精密磨削及抛光技术以及光学塑料成型技术等。这些加工方法基本解决了各类非球面零件的加工问题，加工零件精度和效率高，适于批量生产非球面曲面加工1。根据工件材料形状精度和口径等因素的不同，加工非球面零件采用的加工方法也不同。对于铜、铝等软质材料可采用单点金刚石切削(SPDT)进行超精密加工，对于玻璃、陶瓷等硬脆材料则主要是通过超精密磨削、研磨和抛光进行加工，也可以采用玻璃模压成型法，而对于光学树脂材料则采用光学塑料成型技术，如注射成型技术等。1.3.1 计算机数控单点金刚石技术（SPDT）计算机数控单点金刚石技术(SPDT)是美国国防科研机构于20世纪60年代率先开发、80年代得以推广应用的一项非球面光学零件加工技术，它是在超精密数控车床上，采用天然单晶金刚石刀具，在对机床和加工环境进行精确控制条件下，直接利用天然金刚石刀具单点车削加工出符合光学质量要求的非球面光学零件，该技术主要用于加工中小尺寸、中等批量的红外晶体和软金属材料的光学零件，其特点是生产效率高、加工硬度较低、重复性好、适合批量生产、加工成本比传统的加工技术明显降低。目前采用单点金刚石技术可以加工的材料有：有色金属、锗、塑料、红外光学晶体、无电镍等。上述材料均可直接达到光学表面质量要求。此技术还可用来加工玻璃、钛、钨等材料，但是目前还不能直接达到光学表面质量要求，还要进一步研磨抛光。该技术与粒子束抛光技术相结合，可以加工高精度非球面光学零件，与镀硬钛膜工艺和环氧树脂技术相结合，可以生产高精度非球面光学零件，且价格相对低廉1。1.3.2 超精密磨削技术对于玻璃、陶瓷等硬脆材料来说，若采用车削方式加工非球面光学零件，其面型精度及表面粗糙度很难达到光学零件的要求，必须通过磨削或抛光进一步提高其表面精度。在磨削加工中，为了使加工表面不产生脆性断裂现象，使材料以“塑性”流动方式去除，必须保证未变形切削厚度小于脆性塑性（或称为延性）转换临界值，能满足这种磨削条件的方式称为延性磨削方式。1.3.3 计算机控制光学表面成型（CCOS）技术计算机控制光学表面成形(computer optical surfacing，CCOS)技术即用计算机控制的方法，使得在单位时间内，加工面上某一点的材料去除量正比于磨盘压强及磨盘与加工点之间的相对速度。这种加工方法的实现难度很大7。1.3.4 光学玻璃模压成型技术 光学玻璃模压成型技术是一种高精度光学元件加工技术，它是把软化的玻璃放入高精度的模具中，在加温加压和无氧的条件下，一次性直接模压成型出达到使用要求的光学零件。这项技术自20世纪80年代中期开发至今已经有20余年的历史了，现在已成为国际上最先进的光学零件制造技术方法之一。1.3.5 光学塑料成型技术光学塑料成型技术是当前制造塑料非球面光学零件的先进技术，包括注射成型、铸造成型和压制成型等技术。光学塑料注射成型技术主要用来大量生产直径100mm以下的非球面光学零件，也可制造微型透镜阵列。而模压和铸造主要应用于直径在100mm以上的非球面光学零件。其中注射成型法具有重量轻、成本低，光学零件和安装部件可以一体化，节省装配工作量，耐冲击等诸多优点。1.3.6 其他非球面加工技术非球面的加工方法较多，但根据形成方法，非球面零件的加工可归纳为四类：复制成型法、附加成型法、去除成型法和特种加工法。1.4非球面精密磨削加工理论非球曲面精密磨削加工时，将精密磨削加工机理和非球曲面的范成加工方法结合在一起，在特定的精密磨削加工设备上实现。1.4.1 微量加工理论精密加工的关键是能够在被加工表面上进行微量加工，其加工量的大小标志着精密加工的水平18。当前，精密切削主要以金刚石刀具精密车削和金刚石微粉砂轮精密磨削为代表。微量切削时，其水平可达分子级、原子级，这就需要精密车床和精密磨床，锋利的刀具和砂轮7。微量切削机理与一般切削是有很大差别的，因为这时的切削厚度绩效，被吃刀量(切削深度)可能小于晶粒的大小，切削就在晶粒内进行，因此，切削不是在晶粒之间的破坏切削力一定要超过晶体内部非常大的原子、分子结合力，刀刃上所承受的切应力就急速地增加并变得非常大。如在切削低碳钢的情况下，刀刃上的切应力值接近材料的抗剪强度极限，当切削厚度在l m以下时，被切材料的切应力可达13000MPa。刀刃在受到很大应力的同时，切削区会产生很大的热量、刀刃切削处的温度会很高，要求刀具材料应有很高的高温强度和高温硬度24。因此，只有超硬刀具材料，如金刚石、立方氮化硼等才能胜任。1、微切削理论采用细粒度砂轮，用极小的修整导程(砂轮轴向)，即纵向进给量和修整深度精细修整砂轮，使磨粒表面微细破碎而产生微刃。从而，一颗磨粒就形成了多颗磨粒，使磨粒变细，造成了微切削作用，得到了低粗糙度表面。图1-2磨粒的微刃性和等高性2、滑挤、摩擦、抛光作用砂轮修整得到的微刃开始比较锐利，切削作用较强，随着磨削时间的增加而逐渐钝化，同时，等高性得到改善。这时，切削作用减弱，滑挤、摩擦、抛光作用加强。同时，磨削区的高温使金属软化，钝化微刃的滑擦和挤压将工件表面的凸峰辗平，降低了表面粗糙度。3、微刃的等高切削作用砂轮精细修整所形成的微刃，分布在砂轮表层上，具有很好的等高性，从而使加工表面的磨削残留高度极小，且均匀而无过深的划痕，降低了表面粗糙度。1.4.2 脆性材料的延性域磨削在一定的条件下，脆性材料通过精密磨削能产生无裂纹无缺陷的表面，这种加工称为延性域磨削16。目前延性域磨削作为硬脆材料高质量高精度零件的重要加工方法已引起工业界的特别关注，特别是在生产结构陶瓷零件的镜面磨削领域中起着日益重要的作用。为控制加工表面裂纹的产生，发展了延性域磨削技术。1989年，T.G.Bifano明确提出加工脆性材料的延性域磨削新工艺，认为采用高刚度高分辨率精密磨床，通过控制进给率，就可使硬脆材料以延性域模式去除材料。Bifaao对延性域磨削方式的定义是基于脆性材料被磨表面的破碎表面相对面积率，Bifano定义的延性域磨削方式下，被磨表面的破碎表面面积率为10%及以下。在磨削陶瓷等硬脆材料时，如果把磨削深度控制在相应的量级，则脆性材料在磨削过程中的去除机制可由脆性去除变为延性流动7。实现脆性材料延性域精密磨削加工的条件是，砂轮单个磨粒的最大切削深度应小于脆性材料的临界切削厚度ac，如公式(1-1)所示。 (1-1)其中：E为材料的弹性模量（Mpa） H为材料的显微硬度（Gpa） Kc为材料的断裂韧性( MPam1/2）公式应考虑实际磨削条件影响，需进行模型系数的修正。从理论分析可知，砂轮平均磨粒尺寸、砂轮速度、工件速度以及磨削深度等因素是影响脆性材料延性域磨削的重要因素。此外，为了实现稳定的延性域方式去除，对机床主轴回转精度、剐度、机床导轨的运动精度、进给控制系统的分辨率、砂轮修整等都有很高的要求。选择合适磨削参数，使磨粒实际磨削深度小于临界切削深度，可在延性域磨削过程中形成磨削加工表面7。 第2章 超精密非球曲面加工方案选择及误差分析2.1 超精密非球曲面磨床的总体布局本课题的超精密磨床拟由现有的亚微米超精密车床改装而成。在改装后该机床不仅能够实现非球曲面精密磨削加工，而且仍具有超精密车削加工的功能。本机床的总体结构19,20简图如图2-1所示。其结构主要包括以下几个部分。1-伺服电机1，2-主轴电机，3-激光测量系统1，4-Z向气浮溜板5-磁性联轴节，6-主轴箱，7-气浮主轴，8-真空吸盘，9-伺服电机210-激光测量系统2,11-X向气浮溜板，12-磨头，13-工件图2-1 超精密机床机构示意图2.1.1 空气主轴系统它采用了主轴电机与主轴分体式设计方案，空气主轴由经改装过的带空气静压轴承的直流电机并通过磁性联轴节带动空气主轴转动，主轴和轴承均采用白色的密玉材料制成，其主轴的回转精度小于0.05m,主轴径向刚度不小于220N/m,轴向刚度不小于160N/m,导轨径向刚度不小于200N/m,工件则通过真空吸盘吸附而夹紧8。2.1.2 伺服进给系统图2-1中纵溜板和横溜板的微量进给是由分辨率为1 024 000 step/r的高分辨率伺服电机来直接驱动的。首先伺服电机直接拖动滚珠丝杠，再通过丝杠螺母把电机的转动变成直线运动。它接收来自CNC插补装置的脉冲/方向信号，其中脉冲数代表了位移指令。脉冲频率代表了速度指令+由伺服电机的辨率可知，该伺服系统的直线位移分辨率为4.9nm8。2.1.3 微位移测量系统该系统采用双反馈策略，角位移反馈通过与电机集成在一起的光电码盘来实现，其分辨率为655 360 pulse/r，经过4倍频后，其角位移分辨率可达262 1440 pulse/r，直线位移则通过日本东京精密株式会社的DLSTAXL-TM-20B型单频激光干涉仪实现,其分辨率为5nm8。2.1.4 中心高微调系统在设计中为了能保证y方向的精确微调，中心高微调系统采用了常见的斜楔机构，微调范围是2mm能实现0.1m的精确微调，以保证零件加工的面形精度。2.1.5 数控系统它主要控制.轴和/轴作相应的运动，以获得不同的非球曲面。非球曲面数控系统的关键在于非球曲面的数控插补。本数控系统采用独特的“双圆弧步长伸缩数控插补算法”，其数控系统的分辨率为5nm。2.2 非球曲面磨削方案的确定在磨削加工方面，无论对于硬脆材料还是金属材料，采用弧形金刚石砂轮在一定的行走轨迹和修整条件下都可以在数控机床上实现非球面的成形加工。最新研发的几种弧形金刚石砂轮成形磨削方法都可以大致分为交叉磨削法、平行磨削法、倾斜磨削法、球面砂轮磨削法和斜轴圆柱砂轮磨削法2。如下图所示。 (a) 单点金刚石切削法 (b) 交叉磨削法 (c) 平行磨削法 (d) 倾斜磨削法 (e) 球面砂轮磨削法 (f) 斜轴圆柱砂轮磨削法图2-2 光学非球面加工方法 交叉磨削法的加工表面质量较差，为此，将砂轮轴旋转60，使砂轮轴速与工件速度方向平行进行磨削，即采用平行磨削法。实验结果表明，平行磨削法比交叉磨削法能获得更好的表面加工质量。倾斜磨削法是将砂轮轴倾斜一定角度，适用于加工更深的凹形非球面。球面砂轮磨削法是利用砂轮球面按照非球面的运动轨迹与工件点接触进行磨削加工，它能使球面的砂轮均衡磨耗，形状精度可达到0.089m，但球面砂轮成形修整比较困难1。斜轴圆柱砂轮磨削法是采用小直径砂轮加工较深的凹面，主要用于超精密光学非球面零件的加工。2.2.1加工零件的技术参数本课题所要求加工加工的零件图及如图2-3所示：光学零件图的技术指标：1加工直径范围10-100mm；2焦距范围：30-3000.5mm；3面形精度优于/2-/5；4，表面疵病等级B=图2-3 光学零件图 该非球曲面零件内凹的最小圆弧曲率半径为R9，内凹最深处为14mm.2.2.2 非球曲面磨削方案确定在光学玻璃、陶瓷轴承等脆性材料的超精密磨削过程中，磨削系统对零件加工精度的影响很大9，如磨头主轴的回转速度、回转精度、砂轮的形状及修整等因素对零件加工精度影响较大。此外，磨头中心高与工件中心高的微调对零件加工时的面型精度、尺寸精度也有较大的影响。因此在研制非球曲面磨削系统时，我们应根据被加工零件的尺寸、形状、面型精度及表面粗糙度来确定它的设计方案。如图2-3，对于该光学零件，其外凸曲面1由于曲率半径较大，故而较容易加工。但是对于凹的较深的非球曲面，当曲面的最小曲率半径较小，其最小曲率半径R=9mm，因此只能用半径R9mm的金钢石砂轮进行磨削加工，并且该零件凹面深度为14mm，如果砂轮与工作台垂直放置，砂轮轴会与工件发生干涉，如图2-4所示。因此本非球曲面磨削系统的砂轮轴拟采用倾斜放置方式，以便能磨削加工最小曲率半径较大的非球曲面零件时，还能磨削加工凹得较深的非球曲面零件。 (a)砂轮轴倾斜放置 (b)砂轮轴垂直放置图2-4 凹非球曲面加工时砂轮的两种放置方式2.3 加工误差分析在确定了非球曲面磨削的方案之后，为了加工出高质量的零件，我们在研制非球曲面磨削系统之前，有必要对光学零件超精密磨削时的加工误差做较为详细的分析21。图2-5是超精密非球曲面磨削系统的结构件图，磨头主轴拟倾斜45。该磨削系统主要分为五大部分：空气主轴系统，位于纵溜板之上；伺服进给系统，包括纵溜板的微进给驱动系统和横溜板微进给驱动系统；微位移测量系统，主要用来进行z向和x向的微位移监测；中心高微调系统，主要用于微调磨头在y向的高度，y向微调精度的高低直接决定着被加工零件轮廓精度的大小；数控系统，将控制纵溜板和横溜板的进给。数控系统在磨削加工非球曲面时，有数控系统控制纵溜板（Z轴）及横溜板（X,Y轴）作相应的纵向和横向进给，即可实现非球曲面的超精密磨削加工【8】。1-纵溜板 2-主轴箱 3-主轴 4-真空吸盘 5-过渡盘 6-工件7-高速磨头 8-中心高微调机构 9-微调支座 10-横溜板图2-5 超精密光学非球曲面磨床结构简图2.3.1 中心高微调机构对零件加工精度的影响图2-6所示为砂轮与工件磨削时的接触情况。当砂轮的磨削点与工件的回转中心不在同一水平面内时，就会出现图2-6所示的两种情况。加工后会在工件表面出现一个未磨削到的小圆锥，它将直接影响被加工零件的加工精度，这是由于磨削时中心高微调机构微位移精度不够而造成的。图2-7a为磨削时中心高微调误差（即砂轮与工件的接触点低于工件回转中心）的这种情况，此时小圆锥的磨削痕迹方向为顺时针方向。因此可根据工件磨削痕迹方向及残留面的大小来判断砂轮中心高的微调误差及其方向10。从图2-6中我们可以看出，由于中心高微调机构的精度不够而在被磨削工件表面残留一个小圆锥，其小圆锥的直径为d，高度为，很显然： (2-1) (2-2)式中： -中心高微调误差，即微调精度 -砂轮与工件之间的夹角图2-6 砂轮在Y方向的位置误差图2-7 砂轮在Y方向中心高位置误差对零件加工精度的影响从公式(2-1)及公式(2-2)可以看出，由于中心高微误差，因此会使得零件表面产生较大的轮廓误差，亦即方向是误差的敏感方向。设砂轮与工件之间的夹角为45，要使得已加工零件的轮廓精度达到0.3m,在光学非球面的磨削过程中，由于零件的轮廓精度还受到数控插补算法、机床导轨本身运动精度、砂轮的安装及磨损等因素的影响。因此实际磨削时中心高微调机构的微调精度应达到0.1m。2.3.2 在X轴上砂轮安装误差对零件加工精度的影响砂轮在安装时，如在X轴方向与工件回转轴线有不重合误差，则此误差会对零件磨损加工后的形状精度产生较大的影响，如图2-8所示。设磨削点处倾角为，则在此点处Z轴方向的误差值 （2-3）对于图2-3所示曲率半径小于9mm的内凹非球曲面零件，当砂轮在X轴方向的安装误差有变化时，会对零件的形状误差产生较大的影响。从公式(2-3)中可以看出，一方面加工误差随绝对值的增大而增大；另一方面，当值固定时加工误差随值的增大而增大。当=0时，。从公式(2-3)可算出，若零件的形状精度要求控制在0.1m范围内，则必须控制在0.1m范围内，这对于超精密非球曲面磨削系统的设计来说非常关键11。图2-8 砂轮X向误差对零件面形精度的影响2.3.3 砂轮半径误差对零件加工精度的影响在磨削加工过程中，当砂轮有半径所产生的Z轴方向上的误差可表示如下： （2-4）从图2-9中可以看出，一方面加工误差随砂轮半径误差绝对值的增大而增大；另一方面，当砂轮半径误差值固定，加工误差随角的增大而增大，当=0时，。由公式(2-4)可知，对于最小曲率半径为R9的非球曲面，当工件与砂轮接触点的倾角达到最大值时，如果工件的面形精度要求控制在0.1m范围内，则必须控制在0.17m范围内10。图2-9 砂轮误差对零件面形精度的影响2.3.4 及综合作用时对零件面形精度的影响之前已分析了中心高微调误差，砂轮在X方向的安装位置误差及砂轮半径误差单独作用时对零件面形精度的影响，而实际加工时往往是几种误差(、)同时对零件的面形精度产生影响，当砂轮的微调中心高满足所需微调精度要求时，设、等误差对零件面形精度的影响值为。则综合上面的分析可得=+ (2-5)由公式(2-5)可知，对于最小曲率半径R=9mm的内凹非球曲面来说当和综合作用对零件的面形精度产生影响时，如果和同时取正值，则值增大，零件加工后的面形精度会显著降低；反之当和取相反值时，则变小，零件加工后的面形精度提高10。在实际的磨削加 工中应重视这一理论分析的结果，以最大限度地提高零件的加工精度。下面给出该项综合误差在加工中进行补偿的一种方法。图2-10 砂轮磨削轨迹示意图图2-10所示为砂轮磨削时的轨迹示意图。在磨削加工时，CNC数控系统控制工件在Z轴方向和砂轮在X轴方向同时运动，从而得到所需的非球曲面轨迹。设砂轮的中心点轨迹坐标为(X0，Z0)，砂轮与工件接触点的轨迹坐标为(Xw，Zw)，砂轮半径为R，砂轮磨削点法线方向与Z轴夹角为，则有下式： (2-6) (2-7)当数控系统生成砂轮轨迹之后，磨削系统进行初次磨削，磨削完毕后用高精度的检测设备对非球曲面的面形误差进行检测，然后补偿砂轮轨迹，再次进行磨削加工，如此重复，直到满足精度要求为止11，其流程如图2-11所示。图2-11 磨削过程示意图 第3章 非球曲面磨削装置设计3.1 超精密加工的关键技术超精密技术发展到今天，已不是孤立的加工方法和单纯的工艺问题，而成为包括广泛内容的系统工程。实现超精密切削技术，不仅需要超精密的机床和刀具，也需要超稳定的环境条件，还需要运用计算机技术进行实时检测，反馈补偿2。只有将各个领域的技术成就集结起来，才有可能实现超精密加工。3.1.1 超精密主轴 超精密加工机床的主轴在加工过程中直接支持工件或刀具的运动，故主轴的回转精度直接影响到工件的加工精度。现在超精密加工机床中使用的精度最高的主轴是空气静压轴承主轴，目前的磁悬浮轴承还远达不到空气静压轴承的精度，所以还必须依靠空气轴承。本次设计所选即为空气静压轴承主轴。3.1.2 超精密导轨超精密加工机床导轨应有的基本要求是：动作灵活、无爬行等不连续动作；直线精度好；在实用中应具有与使用条件相适应的刚性；高速运动时发热量少；维修保养容易。超精密加工机床中常用的导轨有V-V型滑动导轨和滚动导轨，液体静压导轨和气体静压导轨。传统的V-V型滑动和滚动导轨在美国的应用都取得了良好的效果。液体静压导轨由于油的粘性剪切阻力而发热量比较大，因此必须对液压油采取冷却措施。另外液压装置比较大，而且油路的维修保养也较为麻烦。气体静压由于支撑部是平面，可获得较大的支撑刚度，它几乎不存在发热问题，若设计合理，则在后续的维修保养方面几乎不会发生什么问题，只需要注意导轨面的防尘。3.1.3 传动系统目前用于精密加工和超精密加工的传动系统主要有：滚珠丝杠传动、静压丝杠传动、摩擦驱动和直线电机驱动。精密滚珠丝杠是超精密加工机床常采用的驱动方法，超精密加工机床一般采用C0级滚珠丝杠，利用闭环控制最高可达0.01m的定位精度。利用滚珠丝杠的微小弹性变形原理，可实现纳米分辨率的进给。但丝杠的安装误差、丝杠本身的弯曲、滚珠的跳动及制造上的误差、螺母的预紧程度等都会给导轨运动精度带来影响4。通常超精密传动机构应特殊设计，例如丝杠螺母与气浮平台的连接器是高轴向刚度，而水平、垂直、俯仰和偏转四自由度无约束的机构，电机与丝杠的连接器采用纯扭矩、无反向间隙的连接器。气浮丝杠和磁浮丝杠可进一步减小滚珠丝杠的跳动误差和因摩擦和反向间隙引入控制系统的非线性环节。静压丝杠的丝杠和螺母不直接接触，有一层高压膜相隔，因此没有摩擦引起的爬行和反向间隙，可以长时间保持其精度，进给分辨率可更高。由于介质膜（油、空气）有匀化作用，可以提高进给精度，在较长行程上，可以达到纳米级的定位分辨率4。3.1.4 超精密刀具 利用天然金刚石刀具进行超精密切削加工是获得高质量加工表面的主要方法25，采用天然金刚石刀具加工球曲面、非球曲面零件，可保证切削的纹理粗糙度较小，容易安装刀具以及刀具磨损后对加工表面的影响较小。但圆弧刃金刚石刀具制造工艺的（要求同时产生锋利度和圆弧精度），特别是刃磨工艺一直阻碍我国超精密曲面切削技术的发展。圆弧刃金刚石车刀的制造包括金刚石晶体定向、刃磨、刃磨质量测试以及刀体焊接等，其刃磨设备精度和刃磨工艺技术是其制造的关键22。3.1.5 超精密加工其他技术 超精密加工其他技术包括机床位移测量技术、高度CNC数控系统、非球面面形测量装置、延性磨削装置、恒温供液系统和系统振动控制技术等。3.2 传动系统设计3.2.1 磨削参数的计算磨削基本参数：1、砂轮速度 (3-1)式中：-砂轮速度(m/s) -砂轮直径(mm) -砂轮转速(r/min)本机构采用高速磨削，其磨削速度45m/s150m/s,砂轮直径为12mm,高速电主轴和砂轮转速为80000r/min,可求得砂轮速度：=50m/s。 2、工件速度 (3-2)式中：-工件速度(m/min) -工件直径(mm) -工件转速(r/min)从公式(3-1)和公式(3-2)13中可以看出，当公式中任何两个参数为已知时，可计算出另外一个参数的数值。初定纵向进给=1m/min,工件速度为=20m/s，=30mm，则得： (3-3)计算，得，=212r/min3.2.2 导轨的整体设计本次设计传动部分中X轴Z轴运动导轨呈“T”形安排在机床的床身上。检测导轨运动位置的光栅测量系统的读数头安装在固定不动的床身上，而其测量位置用的标尺光栅则安装在X、Z轴导轨的移动溜板上。导轨采用液体静压导轨。由于油液粘性剪切阻力较大，发热问题较为突出，故采用恒温供液系统控制温度。导轨采用伺服电动机通过C0级精密滚珠丝杠以及结构新颖的4自由度精密丝杠溜板耦联机构，驱动工作台实现直线进给运动。X轴导轨采用空气静压导轨作为支撑，用滚珠丝杠作为驱动组件。针对X轴导轨自重及外载荷产生的变形，设计了载荷系统，采用可调节载荷力的机械卸荷方式，把X轴导轨移动部分重量加载到卸荷梁上，减轻了X轴导轨的负担。Z轴导轨采用液体静压导轨作为支撑，并采取桁架式结构以减轻导轨的重量，同时防止其重量使X轴导轨产生扭曲变形，对Z轴导轨设计了配重系统，通过精确控制液体静压轮的位置，保证配重体的重心与Z轴导轨的重心相对于X轴导轨中心线严格对称。传动部分选用滚珠丝杠来驱动气、液体静压导轨，为满足运行要求，采用一端固定一端游动的安装方式，两端采用无径向间隙钢球回转结构；丝杠与电机的连接处设计了特殊的滚珠连接轴节，以消除电机与丝杠安装所产生的同轴误差对电机及丝杠传动的干涉影响；丝母与导轨的连接为多点式钢球连接，其结构形式既能减小丝杠的挠度及晃动对导轨的影响，又能保证传动链的刚度。为了提高机床定位精度，用双频激光干涉仪作为位置反馈组件进行全闭环的控制4。3.2.3 传动参数的计算横溜板和纵溜板的通过滚珠丝杠来传动 (3-4)式中：-回转件的转速(r/min) -移动件的线速度(m/min)由公式（3-4）12计算可得，=9.43mm 导程与螺距的关系为 (3-5)取=2，则取螺距=5mm。（表G18-1 ZBJ51004-1989）3.3 磨削系统设计 在第2章误差分析中得知，要使得零件磨削后的面形精度优于0.3m，而且在光学非球曲面的磨削过程中，由于零件的轮廓精度还受到数控插补算法、砂轮在X方向的安装位置误差、砂轮半径及机床导轨本身运动精度等因素影响。因此实际磨削加工时中心高微调机构的微调精度应达到0.1m。3.3.1 系统结构设计该磨削系统主要分为五大部分：空气主轴系统，位于纵溜板之上；伺服进给系统，包括纵溜板的微进给驱动系统和横溜板微进给驱动系统；微位移测量系统，主要用来进行z向和x向的微位移监测；中心高微调系统，主要用于微调磨头在y向的高度，y向微调精度的高低直接决定着被加工零件轮廓精度的大小；数控系统，将控制纵溜板和横溜板的进给。数控系统在磨削加工非球曲面时，有数控系统控制纵溜板（Z轴）及横溜板（X,Y轴）作相应的纵向和横向进给，即可实现非球曲面的超精密磨削加工8。1-纵溜板 2-主轴箱 3-主轴 4-真空吸盘 5-过渡盘 6-工件7-高速磨头 8-中心高微调机构 9-微调支座 10-横溜板图3-1 超精密光学非球曲面磨床结构简图3.3.2 中心高微调机构设计中心高位调机构的微位移误差对零件轮廓精度及表面粗糙度影响较大，是零件加工误差敏感方向。本次设计的中心高微调机构如图3-2所示，它主要运用了斜楔移动产生微位移的原理10。斜楔与水平方向有一个很小的夹角，本微调机构的斜楔夹角为6。微调杆或采用的是螺旋千分尺，且对它原有的刻度再次进行了细分。螺旋千分尺每回转一小格，斜楔在水平方向上将产生=1m的微位移，在垂直方向上的微位移为 (3-6)由公式(3-6)可得=0.1m，正好满足我们磨削时需要达到的微调精度指标。1-微调杆，2-微调支撑板，3-斜楔，4-磨头支座，5-磨头，6-磨头夹紧盖，7-微调杆图3-2 中心高微调机构示意图对于已经设计制造出的中心高微调机构，要对其进行微位移标定，可以用电感测微仪进行标定，当微调杆I或II旋转一个小格时，用测微仪测出该机构在垂直方向上的位移，所得数据如下表3-1所示：表3-1 中心高微调机构标定数据表格数微位移量（m）格数微位移量（m）格数微位移量（m）10.110.0910.0910.0910.110.110.110.110.0810.110.110.0910.0810.0910.0910.0910.0910.0810.110.0910.0910.110.110.110.110.110.110.0910.110.1从表中可以看出，微调杆旋转一小格时，最大的微位移量是0.1m，并且在垂直方向有2mm的调整范围，可实现磨削加工时的砂轮的中心高微调。3.3.3 砂轮主轴的选择由之前的计算可知，砂轮主轴的转速大于10 000r/min，普通的三相异步电动机为磨头的磨床砂轮主轴转速为150r/min7000r/min,所以需要选用高速电主轴作为砂轮主轴。高速精密主轴是一种直接依赖于高速轴承技术、油气润滑技术、精密制造与装配技术、电机设计与制造、高速驱动与精密数控等技术的高度机电一体化的高科技产品。在高速精密主轴系统中，主要有高速电主轴，高速气浮主轴，高速磁力主轴，磁气/空气混合主轴等14。本砂轮主轴的高速主轴所采用的为高速气浮主轴。气浮主轴主要是采用空气静压轴承作主轴的支承，采用变频电机驱动。气浮轴承采用“全支承”结构与国内传统的设计相比，能成倍地提高轴系的承载和刚度。如图3-3所示，工作时，来自管道经过精密过滤的压缩空气进入壳体的通道，再流入轴承的节流小孔。然后流经轴承与主轴之间的间隙，形成一层压力气膜，将主轴浮起。启动电机驱动主轴，通过改变电源的频率，使主轴以不同的速度旋转。轴系回转精度受构成其运动的部件的几何精度、装配精度和润滑介质性质的影响。取决于其间的运动基准的数目、基准和动体（或定体）间的间隙或干涉，接触机构的特性以及固有摩擦力的大小等因素。不同摩擦机理的轴系具有不同的精度水平，在精度比较上，空气静压轴系占有较大的优势14。图3-3 气压静压滑动轴承原理示意图 (1) 运动基准少，精度传递增益大：空气静压主轴不像滚动轴系那
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本文标题：非球曲面的超精密加工工艺及加工系统的研究【3张图纸】【优秀】【原创】
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