（机械工程专业论文）热压多晶氟化镁保形头罩加工工艺研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 相比传统整流罩而言，保形光学头罩能够大幅减小飞行器的雷达反射面积， 大幅减小航空器的飞行阻力，并减小航空器周围的空气湍流，同时增加头罩后端 传感器的视场，并增大传感器安装位置选择的柔性，从而增加导弹的射程，加快 飞行速度，减小飞行时间，这使得导弹的作战效能大大增加。 本文针对目前广泛应用于红外导引头罩领域的材料热压多晶氟化镁，对该材 料高陡度保形头罩工艺进行研究，主要进行了以下几方面的工作： 1 加工精度和误差分析。在保形头罩加工工艺流程上，为了保证磨削后表面 误差与车削加工能力相适应，基于多体系统低序体阵列描述方法对磨削加工机床 进行了精度建模与误差分析，理论上证明了磨削后表面形状误差满足后续车削加 工的要求；并探讨了砂轮刀具与头罩工件相对位置误差引起的加工误差。 2 氟化镁的磨削、车削加工工艺参数的确定。研究了保形头罩采用的热压多 晶氟化镁材料的可磨削性、可车削性，运用正交试验方法得出了该材料的最佳磨 削用量和车削用量；在此基础上基于磁流变抛光斑点法检测了磨削、车削等加工 方法产生的压表面损伤深度；为保形头罩的加工提供了参考。 3 根据之前的分析和结论，运用球头砂轮平行磨削方法对保形头罩进行磨削 成型，选择合适的车刀并设计内壁刀杆完成后续车削加工，并利用传统手工抛光 工艺对精车的头罩进行车痕去除抛光。 4 进行了保形头罩面形测量技术研究。参考各种测量方式方法，本文对磨削 后表面使用三坐标测量机测量形状误差，使用轮廓仪采用拼接方法对车削后表面 进行形状误差测量。测量结果表明加工满足设计要求。 主题词：氟化镁保形头罩加工工艺 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t p a c t c o m p a r i n gw i t hc o n v e n t i o n a ld o m e ，c o n f o r m a lo p t i c a ld o m ec a r ll a r g e l yr e d u c e t h er a d a rr e f l e c t i o na r e a , t h ef l y i n gr e s i s t a n c eo fa e r o s t a ta n dt h eo n f l o wa r o u n dt h e a i r c r a f t a tt h es a m et i m e ，i tc a l li n c r e a s et h es i g h tf i e l do ft h es e n s o r sb e l l i n dt h ed o m e a n dt h es e t t i n gp o s i t i o ns e l e c tf l e x i b i l i t yo ft h es e n s o r s t h e r e f o r ei ti n c r e a s e st h ef l i g h t o ft h em i s s i l e ，q u i c k e n st h ef l y i n gv e l o c i t ya n dm i n i s h e st h ef l y i n gt i m e ，s og r e a t l y u p g r a d e sb a t t l ee f f i c i e n c yo ft h em i s s l e i nt h i sw o r kt h em a t e r i a lh o t - p r e s s e dp o l y c r y s t a lm a g n e s i u mf l u o r i d e ( m g f 2 ) t h a tw i d e l yu s e di nt h ef i e l do fi n f a r e dl e a d i n gd o m e si sf o c u s e do n , a n dr s e a r c hi n t o t e c h n i c so fh i g hg r a d i e n tc o n f o r m a ld o m e t h em a i nr e s e a r c hi n c l u d e s ： 1 硼1 ew o r ko np r o c e s s i n gp r e c i s i o na n de r r o ra n a l y s i ss h o w sb e l o w t oe n s u r et h a tt h es u r f a c ee r r o rm a t c h e st h el a t h i n gp r o c e s s i n gc a p a b i l i t yd u r i n g t h ep r o c e s s i n gf l o wo fc o n f o r m a ld o m e ，p r e c i s i o nm o d e l i n ga n de r r o ra n a l y s i si sm a d e o ng r i n d i n gm a c h i n eb a s e do nm u l t i - s y s t e ml o w - s e q u e n c e a r r a ym e t h o d t h u si tp r o v e d t h e o r e t i c a l l yt h a tt h e s u r f a c ee r r o ra f t e rg r i n d i n gm a t c h e st h el a t h i n gp r o c e s s i n g c a p a b i l i t yr e q u i r e m e n t a l s or e s e a r c ht a k e so np r o c e s s i n ge r r o ra r o s eb yr e l a t i v e p o s i t i o ne r r o rb e t w e e ng r i n d i n gt o o la n dd o m ew o r k - p i e c e 2 t h ew o r ko np r o c e s s i n gp a r a m e t e r so fg r i n d i n ga n dl a t h i n gs h o w sb e l o w i tt a k e sar e s e a r c ho nt h ef e a s i b i l i t yo fg r i n d i n ga n dl a t h i n go nm g f 2a n dg e tt h e b e s tp r o c e s s i n gp a r a m e t e ro ft h em a t e r i a lb yu s i n gs c i e n t i f i cc r o s s - t e s tm e t h o d t h e ni t g e t st h e s u b s u r f a c ed a m a g ed e p t h ( s s d ) a f t e rg r i n d i n ga n dl a t h i n gb a s e do n m a g n e t o - r h e o l o g i c a lf l u i d ( m r f ) f i n i s h i n gs p o t t i n g m e t h o d t h ew o r ko f f e r s r e f e r e n c et ot h em a c h i n i n go fc o n f o r m a ld o m e 3 a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sa n dc o n c l u s i o nf o r e g o i n g i tg r i n d i n gt h er o u g h c a s tt o s h a p e 埘mb a l lt o o l so np a r a l l e lg r i n d i n gm e t h o d a n dt a k el a t h i n gs t e ps u b s e q u e n t l y a f t e rw es e l e c tp r o p e rl a t h et o o la n dd e s i g ht h ek n i f e - r e s tf o rc o n c a v es i d e t h e nw e p o l i s ht h es u r f a c ec o n v e n t i o n a l l yt oc l e a rt h et r a c eo fl a t h i n g 4 r e s e a r c hi st a k e no nt h ep r o f i l em e a s u r e m e n to fc o n f o r m a ld o m e a f t e rar e v i e w o nv a r i o u sm e a s u r i n gm e t h o d ，i td e c i d e dt om e a s u r et h ep r o f i l eo fg r i n d i n gs u r f a c e 晰t l l t r i c o o r d i n a t em e a s u r i n ga p p a r a t u sa n dt h a to fl a t h i n gw i t hp r o f i l e rb yc o m p o s i t i n g m e t h o dr e s p e c t i v e l y t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ep r o c e s s i n gs a t i s f i e dd e s i g nt a r g e t k e yw o r d s ：m a g n e s i u mf l u o r i d e c o n f o r m a ld o m e p r o c e s s i n g t e c h n i c s 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表1 1 表2 1 表2 2 表 表 表 表 - 3 1 2 3 表3 4 ：表5 1 表目录 氟化镁材料磨削车削加工可行性研究4 保形光学整流罩磨削机床低序体列表1 1 保形光学整流罩磨削机床的自由度列表1 1 保形光学整流罩磨削机床相邻体之间的变换矩阵列表“ 磨削表面粗糙度因素和水平分布表2 2 磨削表面粗糙度正交实验表2 2 车削表面粗糙度因素和水平分布表2 7 车削表面粗糙度正交实验表2 7 拼接测量中各转换矩阵4 5 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1保形光学元件的应用领域( 红外探测器窗口、导弹整流罩和飞机光学窗口) 1 图 图 图 图 2 3 4 5 图1 6 图1 7 图1 8 图1 9 图1 1 0 图1 1 1 图1 1 2 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 保形头罩和传统半球头罩2 椭球形整流罩示意图和整流罩性能参数f 与导弹阻力系数的关系1 2 导弹射程与发射角度的关系和导弹射程与飞行时间的关系3 氟化镁材料磨削车削加工可行性研究5 r a y t h e o n 方法得到的心轴和z n s 保形头罩5 n a n o t e c h5 0 0 f g 非球面研磨机及其加工出的保形光学整流罩6 磁射流抛光内腔实例7 磁射流抛光大长径内腔的试验7 氟化镁保形头罩外表面磨削过程。8 氟化镁保形头罩内表面磨削和成形头罩。8 氟化镁保形头罩内表面车削示意。9 保形头罩磨削机床结构示意图和拓扑结构1 0 对刀误差引起的形状误差1 5 根据形状误差来判断对刀误差的类型1 6 砂轮半径误差的影响1 6 磨削陶瓷产生切屑示意图1 9 不同形状尺寸的金刚石砂轮2 1 磨削表面的因素与指标关系图2 3 工艺参数b 3 d 1 a 1 c 1 和b 3 d 1 a 3 c 1 组合得到的表面质量2 3 菱形刀片图纸。2 4 刀架设计与刚度分析2 5 菱形刀片车削保形头罩内表面演绎图。2 6 车削表面粗糙度的因素与指标关系图2 8 未做加工材料的亚表面损伤情况2 9 中线处深度变化曲线2 9 小磨头铣磨后的亚表面损伤情况3 0 中线处深度变化曲线3 0 精密金刚石车削后的亚表面损伤情况3 0 中线处深度变化曲线31 金刚石车削、传统抛光、磁流变抛光表面粗糙度31 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 传统三轴、两轴联动轴对称非球面磨削方式3 3 轴对称非球面平行法磨削原理3 3 非球面平行磨削时球头砂轮运动模型3 4 金刚石磨头3 5 m r f s 2 0 0 和磨削单元一3 6 头罩内表面和外表面磨削的刀具加工轨迹3 6 外表面磨削实例3 7 内表面加工夹具和外表面加工夹具3 7 外表面磨削实例3 8 外表面车削实例3 8 端面磨削加工实例3 8 内表面磨削实例3 9 内表面车削加工实例3 9 内外表面手工抛光实例4 0 保形头罩零位测试光路示意图。4 1 通过光学实验来测试保形头罩一4 1 内表面三座标测量机测量图4 3 内表面三座标测量机多次测量结果4 3 外表面三座标测量机测量图4 4 高陡度保形头罩拼接测量原理4 4 高陡度保形头罩拼接测量试验4 7 三段拼接测量结果4 8 五段拼接测量结果4 9 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名： 镁一一 日期： 硼年1 1 月1 7 日 学位论文版权使用授权书 本入完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名：军垣公 作者指导教师签名：三主墨丛笙： 日期：砌 年lj 月，7 日 日期口7 年f 月。夕日 国舫科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 本章介绍了课题的柬源、背景及意义。针对目前应用较广泛的保形光学头罩 作为研究对象，并介绍了国内外相关加工能力和加工实例，最后介绍了论文的主 要内容。 1 1 课题来源及意义 1 1 1 课题的来源 本课题来源干部委级项目“x x x 加工技术研究” 1 12 课题研究的背景及意义 现代科学技术的飞速发展，特别是现代化武器装备的发展，保形光学 ( c o n f o r m a lo p t i c s ) 元件已经广泛应用于航空器的窗口，先进武器装各光电系统 的窗口和导弹整流罩等，如图l1 所示。 孪 幽ii 保形光学元件的应用领域( 红外探测器窗1 2 、导弹整流军和飞机光学窗口) 传统的平面或球面导弹导引头整流罩，虽然其设计和加工容易，但却使得导 弹在飞行的过程中受到很大的空气阻力。尤其是平面，其空气动力学特性最差。 这就需要设计具有良好空气动力学特性的新型导引头整流罩。保形光学的概念就 是在这一背景下产生的。保形的意思就是使用这类元件可以使导弹等飞行器具有 第1 页 一 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 和保形头罩的区别。 麓、 图1 2 保形头罩和传统半球头军 保形光学元件应用于导弹的最大益处在于大幅减小导弹高速飞行时的空气阻 力，从而增加导弹的射程，加快飞行速度，减小飞行时间。这使得导弹的作战效 能太大增加。对于诸如巡航导弹之类的亚音速导弹来讲，使用保形光学元件可以 减小其雷达反射面积，增大视场，也利于控制导弹周围的空气流场。定义椭球形 导引头整流罩性能参数f 为：f = l d ，此参数与导弹的阻力系数间的关系如图l3 所示l 2 3 1 【4 】： 图1 3 椭球形整流罩示意图和整流罩性能参数f 与导弹阻力系数的关系 2 1 1 3 1 图1 4 所示的分别是半球形整流罩导弹和性能参数f = i5 的保形光学整流罩导 弹射程与技射角度和飞行时间关系的比较”。相对于半球形整流罩导弹而言，在相 同发射角的情况下或飞行时间相同时，采用保形光学整流罩的导弹射程更远嘲。 第2 页 釜 二 u0口 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 4 佗 堇： 奎e 叠 2 o 翮凰 2 o 01 0 3 04 05 0e 0 7 98 0 102 03 0 4 0 s o 6 07 0 8 0 嘶翩咖社州t i m e f l i g h tl 。 图1 4 导弹射程与发射角度的关系和导弹射程与飞行时间的关系【5 i 保形光学元件已经成为精确制导武器和航空器不可缺少的关键元件之一，其 在军事领域中所起的作用会越来越大，而国外对保形光学元件超精密加工的关键 技术对我国保密，超精密加工设备也对我国禁运，因此针对保形光学元件的超精 密加工技术必须成为我国先进制造技术领域的一个重要的研究和发展方向。 1 2 国内外相关研究情况 1 2 1 关于氟化镁材料加工的相关研究情况 导弹飞行时处于高速气动加热、加载以及雨滴冲击等恶劣环境中，因此头罩 必须保持结构完整，尽可能透过电磁辐射波和某一波长的红外线【丌。为满足高速导 弹红外窗口材料或头罩材料的要求，材料必须具有综合的光学、物理、机械、化 学性能，满足下列要求瞄j ： ( 1 ) 光学性能：在工作波段具有高的透过率、低的热辐射、低的散射及双折射： ( 2 ) 力学性能：导弹高速飞行时整流罩必须承受巨大的冲击，所以要求材料具 有高强度、高硬度、抗雨滴和沙粒等冲击能力强的特点； ( 3 ) 热学性能：高的熔点并耐高温。热导率越高、热膨胀系数越小，则整流罩 抗热冲击能力越好；同时热导率越高，导弹飞行造成的整流罩升温越小，间接地 提高了整流罩的耐高温性能； ( 4 ) 化学性能：耐酸碱腐蚀、耐海水、雨水侵蚀、耐阳光紫外线辐照； ( 5 ) 低成本、易加工。 普通光学玻璃的透光范围仅局限于整个可见光区和近紫外区，而为工作在红 外、紫外波段设计的光学元件，主要是采用光学晶体材料。目前应用最多的是在 3 l x m - 5 l 肛n 和8 t m - - 1 2 1 x m 透过的红外光学晶体材料【9 】，如蓝宝石( a 1 2 0 3 ) 、氧化物 多晶光学陶瓷( m g a i ：! 0 4 ) 、a l o n 、g a a s 、g a p 、z n s 、z n s e 以及氟化镁( m g f 2 ) 和 氟化钙( c a f 2 ) 等。氟化镁是较早用做高速飞行器窗口和整流罩的材料之一，是很重 第3 页 _ 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 要的红外材料。近年来，一些地空、空空导弹的整流罩也逐步由石英玻璃、锗酸 盐等材料向多晶氟化镁材料转化。 热压多晶氟化镁是由颗粒分布均匀、粒径适当的高纯氟化镁粉末经高温高压 加工而成的，在中红外波段具有很高的透过率，在该波段热辐射、散射、双折射 性能都较低，具有良好的偏振作用。此外，热压多晶氟化镁机械强度高，力学性 能好；热膨胀系数小，热导率高，耐高温，高热冲击性能优异；耐酸碱腐蚀，耐 海水、雨水侵蚀。所以热压多晶氟化镁适合用于制作红外制导的导弹整流罩。目 前，热压多晶氟化镁整流罩已大量应用在3 一- 5 1 a m 波长范围的红外制导系统中，是 比较成熟的红外材料【l 。 洛阳光电研究所通过对整流罩( 半球面) 的加工发现，氟化镁材料本身有许 多杂质加工中不断出现散射颗粒，抛掉一层又出现一层严重影响零件的表面 质量。在慢速机器上进行抛光，费时又费力，且加工效率很低。该所通过高速工 艺的摸索，掌握了一套加工半球氟化镁整流罩的工艺路线和加工方法，改善了零 件的表面质量，提高了生产效率【1 1 1 。 源于其多晶体的各向同性特点，氟化镁材料对于磨削和单点金刚石车削都表 现出了很好的加工适应性。下表1 1 和图1 5 所示为e l c a n - t e x a so p t i c a l t e c h n o l o g i e s 对该材料可加工性能的实验结果【6 】，o 表明热压多晶氟化镁在单点金刚 石车削中对于刀具前刀面角度没有特殊要求，加工该材料时刀具损耗也是非常小， 并且采用常用加工参数就可以轻松的达到r m s 值l o n m 以下的表面粗糙度。这一 指标正好适用于3 - 5 1 x m 波段的中红外光学头罩应用。 表1 1 氟化镁材料磨削车削加工可行性研究 6 1 磐型墼 型：塑暨： 出 la ，0 ：6o ：o ：s 2 o ：1o 2 o 瓤嚣 o j ia l0 4 1l 4o 髓 o 3 0 o ，口j ， ，0 1 l4 ，3 2o ，3 伍弱 o 3 70 7 车2o ，乳j i ，041a 挣o j ，0 4 2 o 0 , 4 4o j 7矗船 o j t0 ，l蛾 坤o ，7o 。3 49 ，l口赫 残s m t i 佃s ，【m s 瓤曩p t 对l 1 2 氅盥誊蟹! i 耋蟹篮；耋2 墨量丝 10 4 ：o4 4o4 604 zo 3 40 ，j0 mo 3 s 5 0 , , 4 0 0 ，：o 强0 ，7 4 0 3 jo2 o j 70 ，3 2 5- ，年口1 7o 善0 2 9 i 3 i0 ，4 0o ，io ，3 4 70 3 毒口_ ：4o ：彳o ，鞠 o j 6o j 4o ，艚o ，j ； ，d ， o ， o 。0 ” 口j so j lo 拍 日弱 r m sa 精扩砸嗣 鼻m s 棚妒( ) 一 0 5 峨胀鼢d s 幽瓤伽匦 。1 5 嘶撙l 渖熟耋s 加帕m 峨 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 4 5 日女b 6 m m - 1 5 m 埔h m b 抽| m h 图1 5 氟化镁材料磨削车削加工可行性研究1 6 1 122 高陡度非球面保形光学零件加工的相关研究 光学非球面的传统加工过程中，一般需要对镜坯先后进行铣磨、研磨、抛光 和修形四道工序【1 日。该过程加工周期长、效率低、劳动强度大，而且不能保证加 工精度。随着光学镜面的精度要求越来越高，需求量越来越大，传统的加工过程 已经不能满足现在大量光学元件的加工要求。另外，已有成熟的加工设备和工艺 都是基于平面和球面的，而保形光学元件却是高陡度的非球面，且可能是非对称 的，这对加工提出很大的挑战。 针对保形光学元件的外形特点，国外开发出了多种加工方法，主要有： 1 、r a y t h e o n 方法( s p d t + c v d ) 化学气相沉积( c v d ) 的方法可以产生理论上致密、无空隙、高纯度( 9 9 9 9 9 5 ) 的具有优异的光学、机械、热及物理性能的多晶体材料，并且精确度很高。现以 化学气相沉积制作z n s 整流罩为例，介绍r a y t h e o n 方法( s p d t + c v d ) 的加工工 艺呷j ：首先用单点金剐石车削方法加工出具有内表面形状的铜基心轴，之后对所 加工出的心轴沉积a l 涂层，然后在该心轴上用气相沉积法沉积一定厚度的z n s 直 到其生长到外表面需要的尺寸后去掉心轴。得到满足设计要求的z n s 整流罩毛坯。 舷蝻 图1 6r a y t h e o n 方法得到的心轴和z n s 保形头罩【l 用此方法得到的z n s 沉积的表面粗糙度达到2 l g n m ，工件大小2 3 英寸。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 平面工件采用非涂层的钽和蓝宝石作为芯模。对于曲线工件，涂铝或s i 0 2 的z n s 以及涂s i 0 2 的钽均可以作为芯模。随着技术的进步，沉积材料己不局限于z n s ， 还可以是c a f 2 以至于可以是m g f 2 。 对于其他方法制得的零件毛坯( 如压制成的热压多晶氟化镁整流罩毛坯) ， 则可直接用单点金刚石精车以满足加工要求。 2 、确定性微磨( d m g ) 技术 r o c h e s t e r 大学的光学加工中心( c o m ) 基于d m g 技术开发出了n a n o t c c h 系 列机床，并利用该机床加工出a l o n 材料保形光学整流罩，如图1 7 最右图i l ”所 示。此机床具有多种加工方式和能力，适合于保形光学元件的加工。它可将多种 材料加工成对称、非对称光学元件。还可以加工非球面、球面、柱形、二次曲面 队及平面等的任意组合形状；能够加工的材料包括光学玻璃、红外光学材料、不 含铁的材料以及水晶、有机聚合物和陶瓷。 盛圆匦吨翔 图i7n a n o t e c h5 0 0 f g 非球面研磨机及其加工出的保形光学整流罩 此法能够较容易的进行延展性加工以获取反射面。通过加工参数优化和进一 步优化机床可以用d m g 技术直接加工出符合最终要求的表面。但d m g 也存在缺 点，最大的缺点就是刀具磨损很快，尽管此磨损是可预测的，但最终工件表面的 形状误差和曲率误差仍然源于此。另外，砂轮的大小、形状使之无法到达内角、 小倒角和深孔。此方法需要后续的抛光。图中所示的加工出的保形光学整流罩就 是在d m g 之后手工抛光达到表面的光整效果的。 3 、液体射流抛光 为了解决高陡度光学零件内内腔表面抛光修形问题，目前发展了射流抛光技 术，主要有液体射流抛光技米( f l u i dj e tp o l i s h i n g ，f j p ) 和磁射流抛光技术 ( i a g n e t o r h e o l o g i c a lj e t p o l i s h i n g ，m j p ) 。 液体射流抛光( f j p ) 技术 1 5 i 是通过一定形状的喷嘴将分散有抛光磨料颗粒的 液体射向工件，依靠磨料的高速冲击和液体的冲刷实现材料去除的一种方法。液 体射流抛光技术已经实现商品化，荷兰的t n o 物理研究所与英国z e e k o 公司合作 的6 轴水射流抛光机床f j p 6 0 0 抛光自由曲面时面形精度p v 值能小于6 0 r i m ，表 面粗糙度r m s 值能达到l n m ；加拿大l i g h t m a c h i n e r y 公司的水射流抛光机床 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 租糙度的r m s 值可达i n t o 。 图18 磁射流抛光内 由于f j p 技术的液体束流容易受到扰动，去除函数不稳定。为解决这一问题， 结合了f j p 和m r f 技术的一项新技术磁射流抛光( m j p ) 技术已经出现【1 7 1 ， 如图18 。m j p 技术利用低粘度磁流变液在外磁场作用下会发生磁流变效应，表观 粘度增大来增加射流束表面的稳定性，使得磁射流抛光的稳定性优于普通液体射 流的稳定性。 f j p 技术和m j p 技术由于对抛光距离不敏感，因此适于对高陡度非球面和太 长径内腔等复杂形面进行确定性抛光。如图1 9 所示。q e d 公司为了验证碰射流 抛光技术在保形光学方面的应用，制造了一个铝的尖拱形的头罩，在其顶部塞入 一个凹球形的小玻璃体，使用这样的模拟器件来验证磁射流抛光尖拱形头罩内表 面的可行性i l 。图( a ) 是该零件的照片，其中铝外罩的直径为5 8 m m ，垂度为 3 9 m m ，凹形玻璃体的曲面半径为2 0 m m ，直径为2 3 r a m ，球形玻璃体近似头罩顶 部的形状。抛光后，同时修正了对称和不对称误差，抛光前凹形玻璃体的p v 值约 为2 2 3 n m ，r m s 值约为5 0 r i m ，而抛光后p v 值约为4 4 r i m ，面型误差精度提高了 5 倍，r m s 值降低到大约6 r i m ，其精度提高超过了8 倍。 “凹的尖拱姆铋璃塞售”仆崭黧蕊太( 5 长o h 径m r 内m 腔s ) 的删( c ) 光后酣r m s 123 氟化镁保形头罩加工工艺路线 r a y t h e o ne l c a n ( d a l l a s ，t x ) 在p c o t 项日资助下，使用n a n o t e c h5 0 0 f g 和 n a n o t e c h1 5 0 a g 机床加工一个三次样条曲线回转而成、长径比高达1 5 ：i 的氟化 镁材料的导弹整流罩 ”l 。该薄壁零件从毛坯到晟终零件，包括内外表面的加工仅 第7 页 门一 囤团 西区 冈n 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 i ii i 二是要使冷却雾沿刀具方向进入内腔并使切屑尽快脱离前刀面【1 9 】。图1 1 4 所示即 为其进行单点金刚石车削加工时的原理图。 图1 1 2 氟化镁保形头罩内表面车削示耐1 9 1 结合本单位实际并参考国内外相关研究情况，本文研究热压多晶氟化镁材料 保形头罩的加工工艺，决定采用粗磨成形、精车修形、抛光去痕的工艺路线对加 工过程进行深入研究。 1 3 本文的主要研究内容 第一章绪论：介绍课题的来源，研究背景与意义；论述氟化镁材料在保形光 学材料中的优越性，保形头罩加工现状，高陡度非球面加工技术国内外发展概况， 总结氟化镁保形头罩加工工艺路线。 第二章在对保形头罩加工前，通过多体系统理论研究磨削加工机床的加工精 度、刀具与工件的相对位置误差引起的加工误差，确定出磨削加工机床的加工能 力以保证与后续车削加工的可延续性。 第三章通过对同一批次氟化镁材料试样进行工艺探索试验，在得到最好的表 面粗糙度和最小的亚表面损伤的指标下，确定了磨削、车削加工的工艺参数，为 后面章节内容起到指导的作用。 第四章在研究球头砂轮平行磨削法原理的基础后，进行了对热压多晶氟化镁 保形头罩的加工，按照磨削成形、精车修形、高速抛光的路线最终得到满足要求 的工件。 第五章在头罩工件的加工过程中，磨削、车削、抛光每个阶段完成后都要对 得到的工件进行误差测量与评定。本章独立探讨了测量的方法与面形评定，最后 对各个阶段的工件表面面形进行了测量。 第六章总结与展望：对论文的主要研究成果进行总结，提出今后需要进一步 细致研究的方面。 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章j l - r 机床精度建模与误差分析 2 1 加工机床精度建模 2 1 1 磨削机床空间误差建模 为了考察磨削机床的加工能力，并使得磨削后表面形状误差和后续车削加工 能力相适应，首先利用多体系统低序体阵列描述语言1 2 0 1 对磨削加工机床进行精度 建模。图2 1 为本课题所设计制造的保形光学零件磨削机床k d m r f 2 0 0 的结构示 意图和其拓扑结构图。 k d m r f 2 0 0 机床具有x 、y 、z 、a 、b 、c 六轴数控联动功能，在磨削加工 中c 轴不参与运动，在实际的铣磨加工中参与运动的为x 、z 、a 三轴，拟采用球 头砂轮平行磨削方法。加工时，工件绕a 轴进行转动，砂轮绕其回转轴高速转动 并在x z 平面内按给定轨迹运动插补即可加工所需的轴对称非球面。 机床结构简图如图2 1 所示，其中l 一机床基体，2 _ - x 轴进给单元，3 z 轴 进给单元，4 _ 磨削主轴，5 y 轴进给单元，6 _ - b 轴俯仰姿态轴，7 _ _ a 轴旋转主 轴，8 一工件头罩。 图2 1保形头罩磨削机床结构示意图和拓扑结构 根据低序体运算公式【2 1 】可以求出图2 1 所示多体系统的各阶低序体阵列，如表 2 1 所示。它即是保形光学整流罩磨削机床的低序体阵列。表2 2 给出了该机床相 邻体之间的自由度情况，它表示出机床各单元之间的约束情况，其中“0 表示不 能自由运动，“1 表示能自由运动。 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表2 1 保形光学整流罩磨削机床低序体列表 典型体1 2 345 678 f ( - j ) 1 2 345 6 7 8 z ( ) o 123l567 l 2 ( j ) oo 120156 f ( ，) oo olo015 ( ，) 0 0o0 0 0ol 表2 2 保形光学整流罩磨削机床的自由度列表 相邻体 xyz口 87 1 - 2 10oo0o 2 - 3 oo1o o o 3 4 00o0o1 1 5 0l o 0 oo 5 6 0oo010 6 7 00 o1oo 7 - 8 00o00o 在一般的多体系统中，体与体之间的相对位姿( 位置和姿态) 由三个位置参数和 三个姿态参数确定。在每一体上建立与体固定的子坐标系，各子坐标系构成广义 坐标系，那么体与体之间的位姿问题转化为子坐标系之间的位姿问题。根据子坐 标系的位姿参数，可以得到各种确定的4 4 阶齐次特征矩阵，而参数的变化与 否反映了体与体之间的相对静止和相对运动状况l 2 l 】。由此可以得到k d m r f 2 0 0 机床各相邻体的理想特征矩阵和误差特征矩阵如下表2 3 所示。 表2 3 保形光学整流罩磨削机床相邻体之间的变换矩阵列表 相体间理想静止体间静止误差体间理想运动体间运动误差 邻 特征矩阵特征矩阵特征矩阵 特征矩阵 体 l - 2 lo 0 x 1 也必趣 x 0100觎1 也皱 轴 0 olo雄趣1 包 互；= 。石于= 厶“互；= 000l 臂= o0 0 1 2 - 3 l0oo1 也鲤趣 z 轴 磋= l “磺= k 。磁= 0loo 互爹=觎1 趣鲤 o 0lz 瑚趣1每 oool 0 00 1 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 3 - 4 - 1 0 姚o - c o s c s j i l co0 1 呶解趣 c o 1 也0 s i n cc o s c0 0 壤1 句锄 轴 吗艮咄1 0ool0 嘲衄1趣 残= 气。砰= ，0 0 1 瑶= oo0l 瓒= p 00 1 1 - 5 1 一，礴0 0looo l 也钙每 y 每1 也每 轴 ，f 100010 y oo l0 oolo瑚每1 每 石；= 厶。五；= 00 01 咒= o0ol 瑶= o00 1 5 - 6 c o s b0s i n b01 嘲鸲如 b 0l00锄1 出锄 轴 一如b0c o s b 0 嘲她1匈 瑶= 厶。瑶= 气。砭= 0o ol 瑶= oool 6 7 1 硝观0 1000 1 也鸲心 a 钆1 00 0c o s 彳一s 抽爿o 锄1 硝锄 轴 0s i n 彳c o s 彳0 瑚1包硇忍0 10 瑶= 厶。翳= ，0 0 1 瑶= 0 0 0 l 翳= o00 1 电 c o s ( p - s i n 伊00 1 也孵每 主 s i n 缈s 妒00铝i嘭彩 轴 焉=0 01o 雄瓴1 包 磺= 气。瑶= 厶“ o0ol瑶= 0 00 1 7 8 100 1 电馘d 工 匈o 1 乜每k 件 磁= 瑶= 厶“ 瑶： 01 0 瑶= 安 0 01 铂 氓姒一1 0 0olo0ol 装 注：艮、分别z 轴与x 、y 轴之间的垂直度误差；、_ 比分别为 a 轴与y 轴、z 轴之间的垂直度误差；为x 轴、y 轴之间的垂直度误差；艮、 分别为c 轴与x 轴、y 轴之间的垂直度误差。 2 1 2 理想成形函数与运动约束方程和空间误差模型 特征矩阵的一个重要作用是可以用来实现空间点在不同坐标系中的变换，根 据这些特征矩阵，可以得到空间点在不同子坐标系的坐标，进而求得空间点在理 想变换与实际变换的误差【2 2 1 。设刀具成形点在刀具坐标系中的坐标为： = 魄，岛，忍，矿 那么，刀具成形点在工件坐标系内的理想成形函数为： 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 厂 u = l - i _ r t = 1 乞删= i f i 磁4 ，。4 ，巧。4 ，。4 ，l i f i 瑶9 巧。9 。9 ，1 只 l 趣= 疗，( 4 ) = ojl f = 疗，( 9 ) = oj ( 2 _ 1 ) 在机床存在各种误差的实际加工过程中，刀具成形点在工件坐标系中的实际 成形函数和无误差的理想加工过程不同，其实际成形函数为： r ：i - i - 1r 忙i - i 乞= i兀乙( 4 ) 矿l ( 4 ，il兀乙( 9 ) ( 9 ，1 只 l 脚，( 4 ) = ojl 闭，f ( 9 ) = oj r 2 - 2 ) 在实际加工过程中，刀具成形点的实际位置不可避免地会偏离理想位置，产 生空间位置误差。根据前面介绍的坐标系间变换矩阵，可对理想的磨削空间点和 实际的刀具成形点进行坐标变换，求解出刀具成形点的综合空间位置误差【2 2 1 ，： r 搿：1 厂 f ：1 - i e = l 兀乙( 4 ) ( 4 ) l 己一i 兀乙( 9 ( 9 ) i l 俐，p ( 4 ) = ojl f 翎，r ( 9 网j ( 2 3 ) 式中，为实际成形点p 在刀具坐标系中的齐次坐标5 为理想成形点在工件坐标系中的齐次坐标； e 为理想点与实际点之间的误差，它是一个标量。 根据设计要求，刀具成形点的实际位置约束方程为： r 肿= ( 见，p yp ：，1 ) 1 ( 2 4 ) 刀具成形点的实际位置与约束方程之间的误差为： 厂 u = l - i 一广t = i e = 一只= 一i f i 乙。炉- 。，ll 兀乙。9 ，矿t ( ，i c l 嗍，r ( 4 ) 2 0 jl f = 一，f ( 9 ) 2 0 j ( 2 5 ) 得到磨削机床空间误差模型后，将各轴误差值代入误差模型【2 3 1 ，计算出磁流 变研抛机床k d m r f 2 0 0 的运动积累误差为2 4 岫，即k d m r f 2 0 0 运动误差满足 保形光学整流罩磨削加工的要求。 此外，根据空间误差模型可以估计所有的静态误差对加工面形误差的影响， 并将所有静态误差转化为对刀误差进行补偿，并通过建立实用补偿模型来避免求 解、校正各项具体误差，从而减小机床加工后零件的形状误差【2 4 1 。 2 2 磨削时刀具和工件的相对位置引起的加工误差研究 对刀误差是产生形状误差的另一个重要原因，设计的头罩是严格沿回转中心 对称的，工件绕其回转中心线匀速转动的同时，刀具沿其中心运动轨迹对工件进 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 行磨削加工，即刀具与工件接触点