硬脆材料工件的超精密加工是高端裝備制造的難點(diǎn)之一。隨著高密度信息存儲(chǔ)、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(jī)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(duì)我國超大規(guī)模集成電路、精確制導(dǎo)、空間觀測(cè)、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(diǎn)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(jí)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(jìn)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(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償。課題組在對(duì)超聲電機(jī)界面磨損問題的研究工作中發(fā)現(xiàn),超聲電機(jī)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(diǎn)的微幅振動(dòng)可以有效去除微量材料�？紤]到行波或其他形式的彈性振動(dòng),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(duì)接觸界面表面質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)施控制,實(shí)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(duì)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(jī)定子)與工件(類似被固定的超聲電機(jī)轉(zhuǎn)子)之間沒有宏觀相對(duì)位移,不再需要對(duì)軸承等運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行運(yùn)動(dòng)精度保障,能大幅降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度。此外,壓電作動(dòng)器的定位精度高、剛度大、響應(yīng)快等特點(diǎn),適于作為磨削加工的進(jìn)給機(jī)構(gòu),支持彈性波磨削加工精度的實(shí)現(xiàn)。本課題的工作內(nèi)容主要分為以下幾個(gè)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(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法。利用Ansys有限元仿真軟件計(jì)算得出錐柱形壓電振子的一階縱向振動(dòng)模態(tài)和二階彎曲振動(dòng)模態(tài),以及加工盤面外彎曲振動(dòng)模態(tài)和面內(nèi)徑向振動(dòng)模態(tài)的振型和頻率,同時(shí)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(jì)算結(jié)果,制造并裝配了彈性波加工原理樣機(jī)。在不同激勵(lì)電壓參數(shù)、預(yù)壓力以及加工時(shí)間下,對(duì)相同批次玻璃鏡片進(jìn)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(duì)彈性波加工方法進(jìn)行可行性評(píng)估。二、建立錐柱形壓電振子的機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)模型,推導(dǎo)出壓電振子自由振動(dòng)以及考慮支反力情況下的振動(dòng)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(lì)下加工盤的振動(dòng)方程以及加工盤表面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程,建立加工盤受迫振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型。通過對(duì)比模態(tài)頻率的解析解、有限元數(shù)值仿真以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果,對(duì)所建立的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行測(cè)評(píng)。實(shí)驗(yàn)表明,所建立的彈性波加工原理樣機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型可以對(duì)彈性波加工工具進(jìn)行參數(shù)化分析,有利于后期對(duì)該工具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),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(jī)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(shí),最大未變形切屑厚度的計(jì)算公式。同時(shí),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(yàn)公式,結(jié)合彈性波加工方法的表面粗糙度實(shí)驗(yàn)結(jié)果,得出適用于彈性波加工樣機(jī)粗糙度的預(yù)測(cè)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(shí)驗(yàn)對(duì)被加工后加工表面的過渡層以及變質(zhì)層厚度進(jìn)行了測(cè)量,表明通過改變彈性波加工樣機(jī)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(jī)的激勵(lì)電壓參數(shù)以及接觸界面預(yù)壓力和加工時(shí)間,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)構(gòu)的六自由度定位平臺(tái),用于彈性波加工樣機(jī)的支撐和加工進(jìn)給。對(duì)每個(gè)自由度柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析,建立了壓電疊堆驅(qū)動(dòng)元件的激勵(lì)電壓與各自由度位移輸出的關(guān)系表達(dá)式,并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明,所設(shè)計(jì)的六自由度定位平臺(tái)各個(gè)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(jìn)給要求,可以用于提供該彈性波加工樣機(jī)的加工進(jìn)給。以該六自由度微進(jìn)給機(jī)構(gòu)作為支撐,對(duì)彈性波加工系統(tǒng)進(jìn)行了整機(jī)實(shí)驗(yàn),獲得在不同加工進(jìn)給量以及加工時(shí)間下,加工區(qū)域形貌以及加工表面精度和質(zhì)量,驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的微進(jìn)給機(jī)構(gòu)的可控性。五、通過已加工光學(xué)鏡片成像清晰度對(duì)所提出彈性波加工方法進(jìn)行了測(cè)評(píng)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),鏡片成像清晰度對(duì)加工參數(shù)有明顯的依賴關(guān)系。除了隨加工時(shí)間緩慢提高之外,存在最佳的接觸壓力、驅(qū)動(dòng)電壓和相位差,使成像清晰度最高。驅(qū)動(dòng)電壓400 V,相位差90°,接觸壓力6 N下,磨削時(shí)間超過4個(gè)小時(shí),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(jí)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(jí)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(shí)位移精度和重復(fù)精度優(yōu)于于 0.01 μm，逼近納米級(jí)的極限精度的加工技術(shù)[15,16]。這個(gè)加工精度界限也不是一成不變的，是隨著科技和時(shí)代的進(jìn)步而不斷改變的，日本學(xué)者TANIGUCHI[17]預(yù)測(cè)了加工精度幾十年來的變化趨勢(shì)，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(jí)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(shí)位移精度和重復(fù)精度優(yōu)于于 0.01 μm，逼近納米級(jí)的極限精度的加工技術(shù)[15,16]。這個(gè)加工精度界限也不是一成不變的，是隨著科技和時(shí)代的進(jìn)步而不斷改變的，日本學(xué)者TANIGUCHI[17]預(yù)測(cè)了加工精度幾十年來的變化趨勢(shì)，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(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。荷蘭 Philips 公司在 1978 年成功研制了數(shù)控超精密加工機(jī)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(shí)驗(yàn)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(xiàn)】

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本文編號(hào)：2890253