硬脆材料大型非球曲面元件以其優(yōu)異的光學(xué)性能廣泛應(yīng)用于武器裝備系統(tǒng)、科學(xué)儀器設(shè)備之中,是這些系統(tǒng)中起到支撐作用的關(guān)鍵部件,其加工制造技術(shù)已成為現(xiàn)代制造研究領(lǐng)域不可或缺的重要內(nèi)容。硬脆材料大型非球曲面元件的加工通常包括鏡坯成型、輕量化、磨削成型、研磨、拋光等多個(gè)環(huán)節(jié),加工效率低,其中,研拋階段效率遠(yuǎn)低于磨削,研拋過程反復(fù)的加工與檢測(cè)使加工周期變長(zhǎng),因此,研究人員都希望盡量在磨削階段多去除材料,并能獲得較高的加工精度和表面質(zhì)量,以減少研拋耗時(shí)。本課題從磨削加工方法入手,圍繞著降低砂輪磨損、提高加工精度和加工效率這一目標(biāo),提出變定位基圓平面包絡(luò)磨削加工自由凸曲面方法,此磨削法將杯形砂輪端面磨粒以端面圓心為中心劃分為多個(gè)環(huán)帶,通過控制杯形砂輪運(yùn)動(dòng),有規(guī)律地讓不同環(huán)帶的磨粒參與磨削,同時(shí)使端面在加工中同工件曲面保持相切接觸,沿著磨削軌跡將工件曲面包絡(luò)成型。這種方法一方面可優(yōu)化磨削軌跡,擴(kuò)大軌跡行寬,提高磨削效率;另一方面可避免或減少砂輪磨損對(duì)加工精度的影響,增大砂輪有效使用面積,提高砂輪壽命。圍繞這些內(nèi)容,主要開展了以下工作:1.研究杯形砂輪端平面上分布在不同環(huán)帶磨粒的磨耗規(guī)律。設(shè)計(jì)試驗(yàn)測(cè)定砂輪端面環(huán)帶的磨耗規(guī)律,最終得到結(jié)論:砂輪端面環(huán)帶的磨損受砂輪主軸向下進(jìn)給速度的影響最顯著,速度越大磨損越快;其次受到砂輪轉(zhuǎn)速影響,砂輪轉(zhuǎn)速越高,端面磨耗越慢。2.磨削軌跡規(guī)劃是數(shù)控曲面加工的一個(gè)重要環(huán)節(jié),直接影響到加工效率。本課題針對(duì)杯形砂輪端平面包絡(luò)磨削凸曲面時(shí),砂輪運(yùn)動(dòng)姿態(tài)及工件凸曲面的幾何特性,提出了平面包絡(luò)等殘留高度軌跡算法。首先從微分幾何學(xué)角度描述了平面包絡(luò)磨削凸曲面這一物理過程,建立了平面包絡(luò)曲面的向量方程,給出了等殘留高度線的算法,證明了一個(gè)關(guān)于等殘留高度曲線切向量的微分幾何關(guān)系,以此為基礎(chǔ),構(gòu)建了所提出的軌跡規(guī)劃方法,通過對(duì)比分析和仿真計(jì)算,證明此軌跡規(guī)劃方法在保證加工殘留高度的前提下,可大大減少砂輪走刀軌跡,擴(kuò)大磨削行寬,能顯著提高加工效率。3.杯形砂輪端面磨削主要用于平面磨削中,本課題將其應(yīng)用于曲面磨削加工,在新的加工應(yīng)用場(chǎng)景下,尤其是同五軸數(shù)控加工技術(shù)結(jié)合時(shí),五軸數(shù)控插補(bǔ)過程中所固有的非線性誤差出現(xiàn)了新的形式。在研究過程中結(jié)合砂輪端平面的幾何特點(diǎn),對(duì)插補(bǔ)過程中出現(xiàn)的非線性誤差分兩種情況進(jìn)行了分析,一種是機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)具有RTCP功能,另一種是不具有RTCP功能,得到了兩種情況下非線性誤差的形成過程、出現(xiàn)的位置、分布規(guī)律和誤差計(jì)算式,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了誤差計(jì)算式的正確性。在RTCP功能模式下,非線性誤差小于軌跡離散產(chǎn)生的弓高誤差,加工中可忽略;在無RTCP功能的加工模式下,非線性誤差遠(yuǎn)大于軌跡離散產(chǎn)生的弓高誤差,最大誤差出現(xiàn)在砂輪和工件曲面切觸點(diǎn)的下方,進(jìn)而提出密化刀位點(diǎn)的方法來控制非線性誤差。4.基于上述試驗(yàn)和計(jì)算分析,實(shí)施變定位基圓平面包絡(luò)磨削加工凸曲面實(shí)驗(yàn),對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,證明該磨削加工方法對(duì)提高加工精度有益,能擴(kuò)大砂輪的有效使用面積,可有效減少磨削過程中砂輪磨損對(duì)加工精度的影響。
【學(xué)位單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TH74
【部分圖文】：

課題“變定位基圓平面包絡(luò)磨削凸曲面加工方法研究”來源于“863”重點(diǎn)課題“精細(xì)陶瓷典型復(fù)雜型面零件的高效精密磨削技術(shù)研究”,課題編號(hào)為“2009AA044306”。本課題針對(duì)大中型非球凸曲面精密加工磨削階段如何提高加工效率和避免砂輪磨損的問題，從磨削工藝方法入手，提出一種新的磨削加工方法，從微分幾何學(xué)角度對(duì)該磨削方法的加工過程進(jìn)行了描述分析，優(yōu)化了其磨削加工軌跡，研究了砂輪端面的磨耗特點(diǎn)和數(shù)控磨削時(shí)的非線性誤差，在此基礎(chǔ)上實(shí)施了變定位基圓平面包絡(luò)磨削加工實(shí)驗(yàn)，證明此法對(duì)提高加工效率，減少砂輪磨損，提高加工精度有明顯益處。1.2 課題背景及意義近年來硬脆性材料，例如玻璃、結(jié)構(gòu)陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料、硅晶體等，由于它們的硬度、耐磨性、高溫高穩(wěn)定性、抗蝕性及抗氧化性都比較優(yōu)良[1]，這些材料在航空航天、國防軍工、光學(xué)儀表儀器、汽車電子、模具等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2]。

課題“變定位基圓平面包絡(luò)磨削凸曲面加工方法研究”來源于“863”重點(diǎn)課題“精細(xì)陶瓷典型復(fù)雜型面零件的高效精密磨削技術(shù)研究”,課題編號(hào)為“2009AA044306”。本課題針對(duì)大中型非球凸曲面精密加工磨削階段如何提高加工效率和避免砂輪磨損的問題，從磨削工藝方法入手，提出一種新的磨削加工方法，從微分幾何學(xué)角度對(duì)該磨削方法的加工過程進(jìn)行了描述分析，優(yōu)化了其磨削加工軌跡，研究了砂輪端面的磨耗特點(diǎn)和數(shù)控磨削時(shí)的非線性誤差，在此基礎(chǔ)上實(shí)施了變定位基圓平面包絡(luò)磨削加工實(shí)驗(yàn)，證明此法對(duì)提高加工效率，減少砂輪磨損，提高加工精度有明顯益處。1.2 課題背景及意義近年來硬脆性材料，例如玻璃、結(jié)構(gòu)陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料、硅晶體等，由于它們的硬度、耐磨性、高溫高穩(wěn)定性、抗蝕性及抗氧化性都比較優(yōu)良[1]，這些材料在航空航天、國防軍工、光學(xué)儀表儀器、汽車電子、模具等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2]。

圖 1-3 哈勃太空望遠(yuǎn)鏡鏡片加工(HST) 圖 1-4 直徑 4.03 米的單體碳化硅反射坯Figure 1-3 Hubble Space Figure 1-4 Single silicon carbide mirror blankTelescope Lens with 4.03m diameter硬脆材料光學(xué)曲面通常按照其形狀和口徑大小兩種方法進(jìn)行分類。從形狀上一般分為球面、回轉(zhuǎn)體曲面非球面和非回轉(zhuǎn)體非球曲面零件三大類。與球面鏡片相比，非球曲面元件具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)[5]。球面鏡表面弧度統(tǒng)一，有像差存在，而非球面鏡厚度減少，變薄變輕，能消除像差[9]。因此，現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中大量采用自由凸曲面鏡以更正像差、改進(jìn)像質(zhì)、擴(kuò)大視場(chǎng)，用一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)自由凸曲面鏡能夠代替較多的球面鏡，簡(jiǎn)化系統(tǒng)、降低耗材、減輕重量[4,9]。按照口徑大小，通常將小于 150mm 的光學(xué)非球曲面歸為小型，大于 500mm為大口徑，其余為中型[10]。大中型自由凸曲面以其優(yōu)良性能被大量應(yīng)用于軍事裝備系統(tǒng)及尖端儀器設(shè)備之中，如強(qiáng)激光武器系統(tǒng)、望遠(yuǎn)鏡鏡片系統(tǒng)、熱核聚變和保形光學(xué)導(dǎo)引頭等是大中型口徑光學(xué)曲面工件的主要應(yīng)用場(chǎng)合[10,11]。大型光學(xué)天
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2879766