硬脆材料工件的超精密加工是高端裝備制造的難點之一。隨著高密度信息存儲、精密光學(xué)工程和新能源等領(lǐng)域的發(fā)展,提出了全頻譜(面型、波紋度和粗糙度)和異質(zhì)表面納米精度制造的要求。包括光刻機鏡頭、衛(wèi)星望遠(yuǎn)鏡、核主泵密封面等高精度曲面零件的制造水平,對我國超大規(guī)模集成電路、精確制導(dǎo)、空間觀測、衛(wèi)星成像、核能等工程的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。由于硬脆材料的延性域狹窄,目前普遍采用的超精密磨削和單點金剛石切削均需裝備復(fù)雜的精度保障設(shè)施,使得加工設(shè)備的制造和使用成本居高不下。以磨削為基本加工手段,要達(dá)到納米級尺寸精度、面型精度、表面波紋度、表面粗糙度,且具有好的表面質(zhì)量、小的表面變質(zhì)層、小的殘余應(yīng)力并滿足表面完整性的要求,需要磨床提供優(yōu)于納米精度的進給、準(zhǔn)確控制磨粒的作用方向和作用力以及具備磨削工具形面的實時誤差補償。課題組在對超聲電機界面磨損問題的研究工作中發(fā)現(xiàn),超聲電機定、轉(zhuǎn)子接觸界面出現(xiàn)類似磨削加工的痕跡,表明定子彈性波傳播過程中,表面質(zhì)點的微幅振動可以有效去除微量材料�？紤]到行波或其他形式的彈性振動,通過調(diào)頻、調(diào)壓、調(diào)相以及改變接觸界面壓力等方式,可以對接觸界面表面質(zhì)點運動軌跡實施控制,實現(xiàn)磨粒切入力、切入速度、切入方向的有效控制,有望滿足超精密磨削加工對臨界切削速度和延性域加工的要求。尤其加工工具(類似超聲電機定子)與工件(類似被固定的超聲電機轉(zhuǎn)子)之間沒有宏觀相對位移,不再需要對軸承等運動副進行運動精度保障,能大幅降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度。此外,壓電作動器的定位精度高、剛度大、響應(yīng)快等特點,適于作為磨削加工的進給機構(gòu),支持彈性波磨削加工精度的實現(xiàn)。本課題的工作內(nèi)容主要分為以下幾個方面:一、提出彈性波加工方法的工作原理。以錐柱形壓電振子和圓形加工盤為例,介紹工作模態(tài)的選擇和表面質(zhì)點運動規(guī)劃方法。利用Ansys有限元仿真軟件計算得出錐柱形壓電振子的一階縱向振動模態(tài)和二階彎曲振動模態(tài),以及加工盤面外彎曲振動模態(tài)和面內(nèi)徑向振動模態(tài)的振型和頻率,同時得到錐柱形壓電振子和加工盤的結(jié)構(gòu)尺寸。根據(jù)上述原理分析和仿真計算結(jié)果,制造并裝配了彈性波加工原理樣機。在不同激勵電壓參數(shù)、預(yù)壓力以及加工時間下,對相同批次玻璃鏡片進行加工,通過建立不同輸入條件與被加工尺寸精度和表面質(zhì)量之間的關(guān)系,對彈性波加工方法進行可行性評估。二、建立錐柱形壓電振子的機電耦合動力學(xué)模型,推導(dǎo)出壓電振子自由振動以及考慮支反力情況下的振動方程。在此基礎(chǔ)之上,建立縱振壓電振子和彎振壓電振子共同激勵下加工盤的振動方程以及加工盤表面質(zhì)點的運動方程,建立加工盤受迫振動的動力學(xué)模型。通過對比模態(tài)頻率的解析解、有限元數(shù)值仿真以及實驗測試結(jié)果,對所建立的動力學(xué)模型進行測評。實驗表明,所建立的彈性波加工原理樣機的動力學(xué)模型可以對彈性波加工工具進行參數(shù)化分析,有利于后期對該工具進行優(yōu)化設(shè)計,并為探索彈性波加工的控制方法提供理論依據(jù)。三、建立彈性波加工樣機的加工盤與被加工件的接觸模型,推導(dǎo)出加工盤與被加工件接觸區(qū)域大小與預(yù)壓力之間的關(guān)系表達(dá)式。根據(jù)磨削原理,推導(dǎo)出彈性波加工方法磨削被加工表面時,最大未變形切屑厚度的計算公式。同時,利用小野浩二的考慮后續(xù)磨刃的加工表面粗糙度經(jīng)驗公式,結(jié)合彈性波加工方法的表面粗糙度實驗結(jié)果,得出適用于彈性波加工樣機粗糙度的預(yù)測公式。為了表征彈性波加工方法得到的加工表面的質(zhì)量,利用實驗對被加工后加工表面的過渡層以及變質(zhì)層厚度進行了測量,表明通過改變彈性波加工樣機輸入?yún)?shù),可以改變加工表面的質(zhì)量。即通過改變彈性波加工樣機的激勵電壓參數(shù)以及接觸界面預(yù)壓力和加工時間,可以實現(xiàn)對加工精度和表面質(zhì)量的控制。四、構(gòu)建了基于柔性鉸鏈機構(gòu)的六自由度定位平臺,用于彈性波加工樣機的支撐和加工進給。對每個自由度柔性鉸鏈機構(gòu)進行靜力學(xué)分析,建立了壓電疊堆驅(qū)動元件的激勵電壓與各自由度位移輸出的關(guān)系表達(dá)式,并通過實驗進行了驗證。實驗表明,所設(shè)計的六自由度定位平臺各個自由度下的定位精度與行程等指標(biāo)滿足彈性波加工工具的進給要求,可以用于提供該彈性波加工樣機的加工進給。以該六自由度微進給機構(gòu)作為支撐,對彈性波加工系統(tǒng)進行了整機實驗,獲得在不同加工進給量以及加工時間下,加工區(qū)域形貌以及加工表面精度和質(zhì)量,驗證所設(shè)計的微進給機構(gòu)的可控性。五、通過已加工光學(xué)鏡片成像清晰度對所提出彈性波加工方法進行了測評。實驗發(fā)現(xiàn),鏡片成像清晰度對加工參數(shù)有明顯的依賴關(guān)系。除了隨加工時間緩慢提高之外,存在最佳的接觸壓力、驅(qū)動電壓和相位差,使成像清晰度最高。驅(qū)動電壓400 V,相位差90°,接觸壓力6 N下,磨削時間超過4個小時,可以得到最好的表面質(zhì)量(表面粗糙度0.027μm,變質(zhì)層厚度3.67μm,過渡層厚度13.59μm)。
【學(xué)位單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V261;TH161
【部分圖文】：

（1）材料去除基礎(chǔ)理論；（2）新型加工材料、新型加工方法和工藝；（3）微納尺度結(jié)構(gòu)功能表面加工和處理技術(shù)；（4）工件尺寸極大化、極小化；（5）綠色制造及其智能化。1.2 超精密加工技術(shù)1.2.1 超精密加工技術(shù)的發(fā)展超精密加工技術(shù)是以傳統(tǒng)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合了當(dāng)代最新科技成果的跨學(xué)科綜合性技術(shù)，以納米級加工精度為最終目標(biāo)。它主要包含兩層含義：一是高精度，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)加工手段無法達(dá)到的精度要求；二是微細(xì)加工尺寸，能夠處理傳統(tǒng)加工方法不能加工的微小尺寸零件[14]。學(xué)術(shù)界一般認(rèn)為：超精密加工技術(shù)是指被工件加工的尺寸精度高于 0.1 μm，加工表面粗糙度 Ra小于 0.025 μm，同時位移精度和重復(fù)精度優(yōu)于于 0.01 μm，逼近納米級的極限精度的加工技術(shù)[15,16]。這個加工精度界限也不是一成不變的，是隨著科技和時代的進步而不斷改變的，日本學(xué)者TANIGUCHI[17]預(yù)測了加工精度幾十年來的變化趨勢，如圖 1.1 所示。

（1）材料去除基礎(chǔ)理論；（2）新型加工材料、新型加工方法和工藝；（3）微納尺度結(jié)構(gòu)功能表面加工和處理技術(shù)；（4）工件尺寸極大化、極小化；（5）綠色制造及其智能化。1.2 超精密加工技術(shù)1.2.1 超精密加工技術(shù)的發(fā)展超精密加工技術(shù)是以傳統(tǒng)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合了當(dāng)代最新科技成果的跨學(xué)科綜合性技術(shù)，以納米級加工精度為最終目標(biāo)。它主要包含兩層含義：一是高精度，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)加工手段無法達(dá)到的精度要求；二是微細(xì)加工尺寸，能夠處理傳統(tǒng)加工方法不能加工的微小尺寸零件[14]。學(xué)術(shù)界一般認(rèn)為：超精密加工技術(shù)是指被工件加工的尺寸精度高于 0.1 μm，加工表面粗糙度 Ra小于 0.025 μm，同時位移精度和重復(fù)精度優(yōu)于于 0.01 μm，逼近納米級的極限精度的加工技術(shù)[15,16]。這個加工精度界限也不是一成不變的，是隨著科技和時代的進步而不斷改變的，日本學(xué)者TANIGUCHI[17]預(yù)測了加工精度幾十年來的變化趨勢，如圖 1.1 所示。

圖 1.3 DTM-3 型超精密金剛石車床 圖 1.4 大型非球面光學(xué)超精密金鋼石車床LODTM圖 1.5 DIXI 公司的 DHP40 加工中心 圖 1.6 DIXI 公司的 JIG-1200 臥式加工中心二十世紀(jì) 70 年代后，超精密加工技術(shù)進入快速發(fā)展時期。荷蘭 Philips 公司在 1978 年成功研制了數(shù)控超精密加工機床 COLATH[21]，主要用于非球面塑料透鏡的加工，尺寸精度可達(dá) 0.5μm，加工表面粗糙度 Ra可達(dá) 0.02 μm。1983 年和 1984 年[22]，為了滿足美國國防尖端科技發(fā)展的需要，美國 LLNL（Lawrence Livermore National Laboratory）國家實驗室研發(fā)了 DTM-3（Diamond Turning Machine 3）大型超精密金剛石車床（如圖 1.3 所示）和 LODTM（Large Optics
【參考文獻】

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本文編號：2890253