精密與超精密加工論文模版.doc

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1、精密與超精密加工論文模版論文題目：碳化硅輕量反射鏡的超精密加工班級：…?…姓名：?……學(xué)號:?……指導(dǎo)老師：……摘要:運(yùn)用在線電解磨削技術(shù)(ELID)加工大型碳化硅球面鏡(口徑<360mm)，設(shè)計(jì)了一套專用的靜壓組合夾具用以抑制加工過程中因磨削力引起的工件變形。結(jié)合在線面形測量和基于誤差補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)正加工方法，可以獲得面形精度為P?V值0.8Um、表面粗糙度為Ra7.8nm的高質(zhì)量碳化硅球面鏡。關(guān)鍵詞:燒結(jié)碳化硅宇宙望遠(yuǎn)鏡ELID磨削超精密加工正文碳化硅(SiC)是硬度僅次于金剛石的陶瓷材料。它具有耐熱、耐蘑損、耐環(huán)境、比剛度高、熱

2、傳導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)良特性，現(xiàn)已在半導(dǎo)體、能源及航空與航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。特別是在航天領(lǐng)域，隨著反射鏡的大型化，對高剛性輕量主鏡的需求也隨之增大。而碳化硅制造技術(shù)的進(jìn)步,使之成為大型主鏡的首選材料[1][2]o例如,口木即將發(fā)射的遠(yuǎn)紅外探測衛(wèi)星(ASTRO?F)的<760mm主鏡即采用了碳化硅陶瓷材料，它以3mm厚多孔質(zhì)碳化硅作為鏡坯骨芯，兩側(cè)再用化學(xué)蒸氣沉積法覆以015mm厚的CVD-SiC膜[2]o歐盟HERSCHEL計(jì)劃和日歐聯(lián)合SPICA計(jì)劃也正在研討采用碳化硅作為主鏡材料。在線電解修整（ELID）磨削技術(shù)已

3、經(jīng)在各類硬脆性材料的超精密加工中得到廣泛的應(yīng)用[3]，可實(shí)現(xiàn)陶瓷材料的高效鏡面加工，加工后表面粗糙度可控制在納米級尺度，甚至可免除后續(xù)拋光丁序[4],從而大大減少加工所需時(shí)間，降低加工成本。在本研究中，利用ELID磨削技術(shù)來加工口徑為<360mm的碳化硅球面反射鏡。該鏡設(shè)計(jì)成三角形多孔結(jié)構(gòu)以減輕重量，且光學(xué)面和背面加強(qiáng)筋都很薄。為此我們開發(fā)了一套專用的靜壓組合夾具，以減少加工過程中因磨削力引起的工件變形,保證球面鏡的輪廓形狀精度。同時(shí)在加丁過稈中利用機(jī)載在線測量系統(tǒng)跟蹤球面鏡的面形誤差，反復(fù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償磨削以提高面形精度。1碳化

4、硅鏡坯設(shè)計(jì)與制造研制大口徑反射鏡要求在具冇足夠高的動靜態(tài)剛度的條件下對它進(jìn)行最大程度的輕量化設(shè)計(jì)，以降低高精度運(yùn)動機(jī)構(gòu)控制的難度和發(fā)射成本。筆者在H本理化學(xué)研究所研究期間,與日本Kyocera（京陶）株式會社合作，設(shè)計(jì)制作了一個(gè)口徑為360mm的常壓燒結(jié)碳化硅球面鏡坯，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了減輕重量，碳化硅反射鏡背部設(shè)計(jì)成三角形多孔結(jié)構(gòu)，中心斷面呈梯形狀，屮心孔徑為110mmo根據(jù)反射鏡實(shí)際尺寸耍求,反射面（球面）輪廓直徑為2138m;考慮到陶瓷毛坯燒結(jié)過程中的收縮變形和翹曲導(dǎo)致的形狀偏差，鏡坯光學(xué)面的初始厚度定為5mg而后通過粗磨降

5、低到4mrm鏡坯制備過程為：①SiC粉+樹脂粘合劑+燒結(jié)添加劑均勻攪拌；②壓力成型；③數(shù)控加工三角孔等;④高溫除去樹脂；⑤常壓燒結(jié)。其中燒結(jié)前的機(jī)械加工必須非常謹(jǐn)慎,以避免粉末成型體出現(xiàn)裂紋或破損2加工變形預(yù)測與對策加工將在圖2所示的超精密二軸CNC磨床（型號RG-800,H本NAGASE制造）上進(jìn)行。該機(jī)床具有直徑為800mm的旋轉(zhuǎn)工作臺。進(jìn)給驅(qū)動軸為全閉環(huán)反饋控制，進(jìn)給分辨率為10nmo各軸均用油靜壓導(dǎo)軌，主軸和工作臺軸承也是油靜壓軸承，主軸和旋轉(zhuǎn)工作臺的最大轉(zhuǎn)速分別為2000r/min和200r/mino由于鏡坯前反射面較?。?

6、mm）,在磨削該面時(shí)可能發(fā)生彈性變形。一般三角形單元的重心附近薄弱，當(dāng)受到磨削壓力吋會發(fā)生退讓,磨削壓力解除后很快回彈，從而產(chǎn)生表面輪廓誤差。為此，我們利用ANSYS應(yīng)用軟件，對加工變形進(jìn)行了三維冇限元分析。將鏡體幾何模型劃分為32萬余高次四面體體積單元，以提高計(jì)算精度。對鏡坯底面施加約束，限制三個(gè)位移和三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。載荷形式為鏡面法線方向施加壓力。材料彈性模量410MPa,泊松比0.16o圖3為在外緣三角形重心處施加40N磨削壓力時(shí)的變形解析結(jié)果。此時(shí)的最大變形量為01518Um,對面形精度的影響是很大的。為了減小加工變形對面形精

7、度的影響，我們開發(fā)了一套由多個(gè)微型靜壓缸組成的專用組合夾具，如圖4所示。鏡坯反射面朝上安裝，背部則由3個(gè)定位圓柱及多個(gè)靜壓缸支撐，靜壓缸活塞桿正好置于球面鏡三角形孔單元的薄弱點(diǎn)（三角形重心）。開啟氣壓閥，靜壓缸的活塞桿升起并頂住球面鏡背面薄弱點(diǎn)，接觸壓力可通過氣壓調(diào)節(jié)控制在低于4N的水準(zhǔn)，以減小受壓變形。在每個(gè)微型靜壓缸內(nèi)有一薄壁彈性元件，在油壓作用下可產(chǎn)生變形并沿半徑方向鉗緊活塞桿使之軸向鎖定。這樣鎖緊后，撤除氣壓和油壓供給也可保持很長吋間。3實(shí)驗(yàn)過程與討論為提高加工效率,采用了ELID磨削法加工碳化硅球面。所用磨削工具為鑄鐵結(jié)合劑

8、金剛石砂輪。砂輪自身為陽極，它與固定陰極之間留有約0125mm的間隙。當(dāng)電解液通過兩極間隙并受到脈沖電壓作用時(shí),鑄鐵即被電解而生成氧化膜，即便超細(xì)金剛石磨粒也能保持突出，從而維持砂輪的修銳狀態(tài)，防止堵塞。對于大口徑球面的