隨著空間光學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對大口徑空間反射鏡的需求日益增大,但口徑增大會導(dǎo)致鏡體重量大幅度增加,因此需要對鏡體進行輕量化設(shè)計與制造。反應(yīng)燒結(jié)碳化硅(Reaction Bonded Silicon Carbide,RB-SiC)具有比剛度大、減重效果好等優(yōu)良特性,是目前制備大口徑空間反射鏡的首選材料。但RB-SiC是典型的硬脆陶瓷材料,機械加工過程中易產(chǎn)生亞表面損傷。旋轉(zhuǎn)超聲磨削技術(shù)是一種將傳統(tǒng)固結(jié)磨料磨削加工與超聲加工相結(jié)合的復(fù)合加工技術(shù),在硬脆材料加工領(lǐng)域被公認(rèn)為是一種經(jīng)濟有效的加工技術(shù)。本文利用課題組自行裝配的超聲振動數(shù)控機床進行RB-SiC旋轉(zhuǎn)超聲磨削試驗與普通磨削試驗,以亞表面損傷為對象,對亞表面損傷檢測方法、超聲振動效應(yīng)、各加工參數(shù)影響規(guī)律進行了研究,并歸納分析了RB-SiC旋轉(zhuǎn)超聲磨削亞表面損傷特征。本文的主要研究內(nèi)容與結(jié)論如下:(1)采用硅片作陪襯的截面拋光法、聚酯作陪襯的截面拋光法和界面粘接法檢測相同加工條件下RB-SiC旋轉(zhuǎn)超聲磨削亞表面損傷,并選用四個亞表面損傷評價指標(biāo)對各方法的檢測結(jié)果進行統(tǒng)計分析,以確定最優(yōu)檢測方法。試驗結(jié)果表明,采用硅片作陪襯的截面拋光法檢測到的四個亞表面損傷評價指標(biāo)值均最小,則截面拋光法(硅片作陪襯)在檢測過程中引入的二次損傷最小,其檢測結(jié)果最接近真實的亞表面損傷情況。(2)通過旋轉(zhuǎn)超聲單因素試驗及相應(yīng)普通磨削試驗,研究了超聲振動有無與強弱對亞表面損傷的影響。試驗結(jié)果表明,一定加工條件下,超聲振動的引入可有效降低亞表面損傷;亞表面損傷隨超聲振動的增強先減小后增大。同時,基于壓痕斷裂力學(xué)模型,綜合考慮磨粒的運動學(xué)和動力學(xué)特性,對試驗結(jié)果進行了理論分析,進一步探究了超聲振動效應(yīng)。(3)通過七因素三水平的RB-SiC旋轉(zhuǎn)超聲磨削正交試驗,系統(tǒng)研究了各加工參數(shù)對亞表面損傷深度的影響規(guī)律。試驗結(jié)果表明:進給速度、磨粒粒度、磨削深度、超聲功率、主軸轉(zhuǎn)速、超聲頻率和磨粒濃度對亞表面損傷深度的影響程度依次降低;亞表面損傷深度與磨削深度、進給速度、超聲功率和磨粒粒度呈正相關(guān),與主軸轉(zhuǎn)速呈負相關(guān);亞表面損傷深度隨超聲頻率增大先減小后增大;磨粒濃度對RB-SiC旋轉(zhuǎn)超聲磨削亞表面損傷影響較小。(4)通過對RB-SiC旋轉(zhuǎn)超聲磨削亞表面損傷特征進行歸納與分析,獲得如下結(jié)論:(1)材料以脆性斷裂去除為主;(2)裂紋傾向于沿著顆粒邊界擴展,同時顆粒邊界具有屏蔽裂紋延伸的作用;(3)在大粒度SiC顆粒上,材料的去除是較大的橫向裂紋向自由表面延伸或裂紋之間的交叉所致,在小粒度SiC顆粒與單質(zhì)游離硅組成的混合區(qū)上,材料的去除是由許多微小橫向裂紋的交叉或延伸到自由表面所造成;(4)對材料有重要影響的亞表面損傷,如大型凹坑和較深的中位裂紋,主要存在于大粒度SiC顆粒上。綜上,為減小RB-SiC材料磨削加工帶來的損傷,不僅要選擇合理的加工方法和加工參數(shù),還應(yīng)在材料制備時盡量細化SiC顆粒。
【學(xué)位單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TH74
【部分圖文】：

面形和平面度精度無法滿足要求[18]。此外，在大口徑反射鏡的鍍體中由加工引發(fā)的殘余應(yīng)力釋放，導(dǎo)致鏡體變形，影響成像系強度[19]。因此，亞表面損傷會極大影響光學(xué)元件的使用壽命與各削加工后需繼續(xù)進行研磨拋光以去除亞表面損傷，這勢必會延成本。聲磨削[20-22]是一種將超聲加工和傳統(tǒng)磨削加工結(jié)合在一起的加，加工工具隨機床主軸做高速轉(zhuǎn)動，同時沿主軸軸向做高頻振頭上的磨粒以一種新的高頻運動方式對材料進行去除。針對碳旋轉(zhuǎn)超聲磨削取得了良好的加工效果，相比普通磨削方式，旋減小磨削力和工具磨損[23-25]。為有效降低 RB-SiC 磨削過程中產(chǎn)將進行 RB-SiC 旋轉(zhuǎn)超聲磨削亞表面損傷研究，這對鏡體輕量化縮短及加工成本的降低有著重要意義。

驗設(shè)備究的磨削試驗在自主裝配的超聲振動數(shù)控加工中心上進行，將超聲式數(shù)控加工中心上，使超聲振動系統(tǒng)依托數(shù)控加工中心對加工工件。振動系統(tǒng)如圖 2-1 所示，系統(tǒng)由超聲電源、換能器、變幅桿和加工工超聲電源、換能器及變幅桿由天津思達機械設(shè)備制造有限公司生產(chǎn)工作原理為：超聲電源將交流電轉(zhuǎn)換為超聲高頻振蕩電壓，通過換電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槌暀C械振動，而后經(jīng)變幅桿放大使小振幅的機械振動轉(zhuǎn)超聲加工的大振幅機械振動，加工工具隨變幅桿做高頻振動，最工件的旋轉(zhuǎn)超聲加工。

圖 2-2 超聲電源超聲電源產(chǎn)生的超聲高頻振蕩電壓轉(zhuǎn)化為超聲機械振部件，其特性參數(shù)對整個超聲系統(tǒng)的性能起到?jīng)Q定性器轉(zhuǎn)化后所能產(chǎn)生的機械振動幅度較小，無法應(yīng)用于大振動振幅及提高機械品質(zhì)因數(shù)。換能器與變幅桿集成壓通過刀柄上的磁性材料無線傳輸至超聲換能器。采用固定在刀柄上。具有高硬度、高脆性的特點，一般采用金剛石砂輪對其驗中使用的加工工具是鄭州三磨所生產(chǎn)的金屬基金剛徑為 6mm，圖 2-3 為金剛石砂輪實物圖。

【參考文獻】

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1 謝杰;潘風(fēng)明;劉近超;曹浩;;基于有限元法的主鏡輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計及性能分析[J];光電子技術(shù);2017年03期

2 王健;鄭非非;董志剛;康仁科;劉津廷;郭東明;;碳化硅磨削亞表面損傷檢測方法[J];金剛石與磨料磨具工程;2015年04期

3 葉常青;吳振偉;王小偉;管法東;;碳化硅陶瓷材料的制備工藝和應(yīng)用研究進展[J];信息記錄材料;2014年04期

4 呂東喜;黃燕華;唐永健;王洪祥;;基于SPH算法的磨粒沖擊工件表面過程數(shù)值模擬[J];振動與沖擊;2013年07期

5 張景旭;;地基大口徑望遠鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)綜述[J];中國光學(xué);2012年04期

6 楊佳文;黃巧林;;大口徑反射鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計[J];中國空間科學(xué)技術(shù);2011年04期

7 閆勇;金光;;RB-SiC反射鏡的材料制備、表面改性及非球面加工[J];光學(xué)精密工程;2011年08期

8 劉健;馬占龍;王君林;;光學(xué)元件亞表面損傷檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀[J];激光與光電子學(xué)進展;2011年08期

9 張舸;趙汝成;趙文興;;空間用反應(yīng)燒結(jié)碳化硅反射鏡坯體制備技術(shù)研究[J];空間科學(xué)學(xué)報;2011年03期

10 王卓;吳宇列;戴一帆;李圣怡;周旭升;;光學(xué)材料研磨亞表面損傷的快速檢測及其影響規(guī)律[J];光學(xué)精密工程;2008年01期

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1 鄭非非;張嘉桐;董志剛;劉津廷;康仁科;;超聲振動對單顆金剛石工具劃擦RB-SiC的材料去除行為的影響[A];2016年全國超聲加工技術(shù)研討會論文集[C];2016年

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1 呂東喜;硬脆材料旋轉(zhuǎn)超聲加工高頻振動效應(yīng)的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2014年

2 喬國朝;氮化硅陶瓷超聲振動銑磨加工表面完整性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

3 秦娜;旋轉(zhuǎn)超聲波磨削制孔的切削力建模與試驗研究[D];大連理工大學(xué);2011年

4 姚旺;反應(yīng)燒結(jié)碳化硅材料磨削去除機理和加工參數(shù)優(yōu)化研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2008年

5 王卓;光學(xué)材料加工亞表面損傷檢測及控制關(guān)鍵技術(shù)研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2008年

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1 高峰;RB-SiC超聲輔助磨削及剩余強度研究[D];大連理工大學(xué);2016年

2 周宇翔;空間反射鏡bipod支撐技術(shù)研究[D];中國科學(xué)院研究生院(上海技術(shù)物理研究所);2016年

3 王健;RBSiC超聲輔助磨削工藝研究[D];大連理工大學(xué);2015年

4 劉民慧;碳化硅陶瓷精密磨削亞表面損傷及預(yù)測研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2014年

5 曾艷芬;RB-SiC材料的磨削加工表面層質(zhì)量研究[D];大連理工大學(xué);2014年

6 王超;空間大口徑反射鏡優(yōu)化設(shè)計及其支撐技術(shù)研究[D];中國科學(xué)院研究生院（西安光學(xué)精密機械研究所）;2014年

7 梁曉輝;碳化硅磨削去除機理及亞表面裂紋研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

8 魏士亮;Si_3N_4陶瓷超聲旋轉(zhuǎn)磨削加工過程技術(shù)研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2012年

本文編號：2830600