大型金屬反射鏡超精密切削若干問題的研究.pdf

1、超精密加工技術(shù)是因軍事技術(shù)和宇航技術(shù)的發(fā)展需要，在20世紀(jì)60年代在美國形成和發(fā)展起來的，最具有代表性的技術(shù)是金剛石鏡面切削技術(shù)，它推動(dòng)了超精密技術(shù)的發(fā)展，并且奠定了超精密加工技術(shù)這一分支的學(xué)科地位。但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在新能源和軍事等許多領(lǐng)域都對(duì)大型光學(xué)元件的需求量巨大，因此對(duì)大型元件能否進(jìn)行高精度高速高效加工已經(jīng)成為很多技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵問題。世界各國都把大型光學(xué)元件高效超精密加工技術(shù)列為研究重點(diǎn)，甚至組成跨國合作研究模式進(jìn)行聯(lián)

2、合攻關(guān)。直接采用超精密切削的方法對(duì)大型光學(xué)元件進(jìn)行加工后，加工精度通常在微米級(jí)，因此如果能將超精密切削加工大型光學(xué)元件的面形精度P-V值提高到λ/3—λ/5（λ=0.6328μm），將會(huì)極大的提高加工效率，以改變以往在此方面依賴拋光和研磨的加工方法。但是采用超精密切削方法加工大型光學(xué)元件時(shí)，就必須考慮在加工過程中金剛石刀具因磨損和熱變形對(duì)加工的影響問題。
　　因此本文首先對(duì)加工大型金屬反射鏡的金剛石刀具磨損問題進(jìn)行研究，建立了金剛

3、石刀具切削鋁的分子動(dòng)力學(xué)仿真模型，對(duì)金剛石刀具的磨損進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。采用刀具前、后刀面的不同晶面組合進(jìn)行切削仿真，分析了金剛石刀具各向異性對(duì)刀具磨損的影響，仿真過程中發(fā)現(xiàn)在一定的范圍內(nèi)改變切削速度和切削深度對(duì)刀具的磨損有輕微的影響，影響刀具磨損的主要因素取決于切削距離的長短；采用不同定向的刀具進(jìn)行了切削鋁合金工件的實(shí)驗(yàn)，在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出金剛石刀具后刀面磨損高度的預(yù)測模型，對(duì)因金剛石刀具的磨損帶來的加工誤差做到可以預(yù)測和補(bǔ)償，為后續(xù)切

4、削理論的研究奠定了基礎(chǔ)。
　　其次，提出考慮金剛石刀具后刀面磨損因素，建立超精密車削動(dòng)態(tài)切削力計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，研究切削力的變化規(guī)律；研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)毒吆蟮睹娉霈F(xiàn)磨損時(shí)，主切削力Fc和背吃刀力都隨著磨損帶高度VB的增大而增加，但的增加速率大于Fc的增加速率，分析認(rèn)為當(dāng)快速增加的同時(shí)，振動(dòng)也隨之增大， FpFpFp這同時(shí)解釋了當(dāng)?shù)毒吣p后將影響加工表面質(zhì)量的原因；并通過切削實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所建模型的正確性，該模型的建立為下一步分析金剛石刀具在

5、切削過程中產(chǎn)生的切削熱和計(jì)算切削溫度做準(zhǔn)備。
　　通過對(duì)刀具切削過程的切削熱進(jìn)行分析，在計(jì)算刀具前、后刀面的平均溫度時(shí)，考慮到超精密切削所用的金剛石車刀具有體積小、導(dǎo)熱能力強(qiáng)的特點(diǎn)，針對(duì)前、后刀面不同接觸面的熱量相互影響的問題，建立符合超精密切削的切削溫度計(jì)算的數(shù)學(xué)模型；研究發(fā)現(xiàn)切削溫度隨切削速度、背吃刀量、進(jìn)給量和刀具后刀面磨損帶高度的增加而增加，其中，切削速度和進(jìn)給量對(duì)切削溫度的影響最為顯著，背吃刀量次之，隨著刀具后刀面磨損的

6、出現(xiàn)，刀具的平均切削溫度變化較大。
　　最后，在分析和計(jì)算切削熱和切削溫度的基礎(chǔ)上，建立理論模型計(jì)算金剛石刀具隨切削溫度變化的變形量。搭建模擬金剛石刀具升溫系統(tǒng)，采用點(diǎn)式電加熱器對(duì)金剛石刀尖進(jìn)行加熱，模擬金剛石刀具在無切削液時(shí)實(shí)際刀具的升溫過程，并采用高精度、非接觸式熱像儀對(duì)溫度的變化進(jìn)行跟蹤測量，研究金剛石刀具隨溫度變化的熱變形規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)溫度從23.5℃升高到32.1℃，刀具實(shí)際變形量達(dá)到1.48μm，這將嚴(yán)重影響光