精密与超精密加工论文模版.doc

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1、精密与超精密加工论文模版论文题目：碳化硅轻量反射镜的超精密加工班级：…•…姓名：•……学号:•……指导老师：……摘要:运用在线电解磨削技术(ELID)加工大型碳化硅球面镜(口径<360mm)，设计了一套专用的静压组合夹具用以抑制加工过程中因磨削力引起的工件变形。结合在线面形测量和基于误差补偿的补正加工方法，可以获得面形精度为P・V值0.8Um、表面粗糙度为Ra7.8nm的高质量碳化硅球面镜。关键词:烧结碳化硅宇宙望远镜ELID磨削超精密加工正文碳化硅(SiC)是硬度仅次于金刚石的陶瓷材料。它具有耐热、耐蘑损、耐环境、比刚度高、热

2、传导率高、热膨胀系数小等优良特性，现已在半导体、能源及航空与航天领域得到了广泛的应用。特别是在航天领域，随着反射镜的大型化，对高刚性轻量主镜的需求也随之增大。而碳化硅制造技术的进步,使之成为大型主镜的首选材料[1][2]o例如,口木即将发射的远红外探测卫星(ASTRO・F)的<760mm主镜即采用了碳化硅陶瓷材料，它以3mm厚多孔质碳化硅作为镜坯骨芯，两侧再用化学蒸气沉积法覆以015mm厚的CVD-SiC膜[2]o欧盟HERSCHEL计划和日欧联合SPICA计划也正在研讨采用碳化硅作为主镜材料。在线电解修整（ELID）磨削技术已

3、经在各类硬脆性材料的超精密加工中得到广泛的应用[3]，可实现陶瓷材料的高效镜面加工，加工后表面粗糙度可控制在纳米级尺度，甚至可免除后续抛光丁序[4],从而大大减少加工所需时间，降低加工成本。在本研究中，利用ELID磨削技术来加工口径为<360mm的碳化硅球面反射镜。该镜设计成三角形多孔结构以减轻重量，且光学面和背面加强筋都很薄。为此我们开发了一套专用的静压组合夹具，以减少加工过程中因磨削力引起的工件变形,保证球面镜的轮廓形状精度。同时在加丁过稈中利用机载在线测量系统跟踪球面镜的面形误差，反复进行误差补偿磨削以提高面形精度。1碳化

4、硅镜坯设计与制造研制大口径反射镜要求在具冇足够高的动静态刚度的条件下对它进行最大程度的轻量化设计，以降低高精度运动机构控制的难度和发射成本。笔者在H本理化学研究所研究期间,与日本Kyocera（京陶）株式会社合作，设计制作了一个口径为360mm的常压烧结碳化硅球面镜坯，其结构如图1所示。为了减轻重量，碳化硅反射镜背部设计成三角形多孔结构，中心断面呈梯形状，屮心孔径为110mmo根据反射镜实际尺寸耍求,反射面（球面）轮廓直径为2138m;考虑到陶瓷毛坯烧结过程中的收缩变形和翘曲导致的形状偏差，镜坯光学面的初始厚度定为5mg而后通过粗磨降

5、低到4mrm镜坯制备过程为：①SiC粉+树脂粘合剂+烧结添加剂均匀搅拌；②压力成型；③数控加工三角孔等;④高温除去树脂；⑤常压烧结。其中烧结前的机械加工必须非常谨慎,以避免粉末成型体出现裂纹或破损2加工变形预测与对策加工将在图2所示的超精密二轴CNC磨床（型号RG-800,H本NAGASE制造）上进行。该机床具有直径为800mm的旋转工作台。进给驱动轴为全闭环反馈控制，进给分辨率为10nmo各轴均用油静压导轨，主轴和工作台轴承也是油静压轴承，主轴和旋转工作台的最大转速分别为2000r/min和200r/mino由于镜坯前反射面较薄（4

6、mm）,在磨削该面时可能发生弹性变形。一般三角形单元的重心附近薄弱，当受到磨削压力吋会发生退让,磨削压力解除后很快回弹，从而产生表面轮廓误差。为此，我们利用ANSYS应用软件，对加工变形进行了三维冇限元分析。将镜体几何模型划分为32万余高次四面体体积单元，以提高计算精度。对镜坯底面施加约束，限制三个位移和三个旋转自由度。载荷形式为镜面法线方向施加压力。材料弹性模量410MPa,泊松比0.16o图3为在外缘三角形重心处施加40N磨削压力时的变形解析结果。此时的最大变形量为01518Um,对面形精度的影响是很大的。为了减小加工变形对面形精

7、度的影响，我们开发了一套由多个微型静压缸组成的专用组合夹具，如图4所示。镜坯反射面朝上安装，背部则由3个定位圆柱及多个静压缸支撑，静压缸活塞杆正好置于球面镜三角形孔单元的薄弱点（三角形重心）。开启气压阀，静压缸的活塞杆升起并顶住球面镜背面薄弱点，接触压力可通过气压调节控制在低于4N的水准，以减小受压变形。在每个微型静压缸内有一薄壁弹性元件，在油压作用下可产生变形并沿半径方向钳紧活塞杆使之轴向锁定。这样锁紧后，撤除气压和油压供给也可保持很长吋间。3实验过程与讨论为提高加工效率,采用了ELID磨削法加工碳化硅球面。所用磨削工具为铸铁结合剂

8、金刚石砂轮。砂轮自身为阳极，它与固定阴极之间留有约0125mm的间隙。当电解液通过两极间隙并受到脉冲电压作用时,铸铁即被电解而生成氧化膜，即便超细金刚石磨粒也能保持突出，从而维持砂轮的修锐状态，防止堵塞。对于大口径球面的