（优秀毕业全套设计）非球曲面的超精密加工工艺及加工系统的研究（整套下载）

对延性域磨削方式的定义是基于脆性材料被磨表面的破碎表面相对面积率，定义的延性域磨削方式下，被磨表面的破碎表面面积率为及以下。

在磨削陶瓷等硬脆材料时，如果把磨削深度控制在相应的量级，则脆性材料在磨削过程中的去除机制可由脆性去除变为延性流动。

实现脆性材料延性域精密磨削加工的条件是，砂轮单个磨粒的最大切削深度应小于脆性材料的临界切削厚度，如公式所示。

其中为材料的弹性模量为材料的显微硬度为材料的断裂韧性公式应考虑实际磨削条件影响，需进行模型系数的修正。

从理论分析可知，砂轮平均磨粒尺寸砂轮速度工件速度以及磨削深度等因素是影响脆性材料延性域磨削的重要因素。

此外，为了实现稳定的延性域方式去除，对机床主轴回转精度剐度机床导轨的运动精度进给控制系统的分辨率砂轮修整等都有很高的要求。

选择合适磨削参数，使磨粒实际磨削深度小于临界切削深度，可在延性域磨削过程中形成磨削加工表面。

第章超精密非球曲面加工方案选择及误差分析.超精密非球曲面磨床的总体布局本课题的超精密磨床拟由现有的亚微米超精密车床改装而成。

在改装后该机床不仅能够实现非球曲面精密磨削加工，而且仍具有超精密车削加工的功能。

本机床的总体结构，简图如图所示。

其结构主要包括以下几个部分。

伺服电机，主轴电机，激光测量系统，向气浮溜板磁性联轴节，主轴箱，气浮主轴，真空吸盘，伺服电机激光测量系统，向气浮溜板，磨头，工件图超精密机床机构示意图空气主轴系统它采用了主轴电机与主轴分体式设计方案，空气主轴由经改装过的带空气静压轴承的直流电机并通过磁性联轴节带动空气主轴转动，主轴和轴承均采用白色的密玉材料制成，其主轴的回转精度小于.，主轴径向刚度不小于，轴向刚度不小于，导轨径向刚度不小于，工件则通过真空吸盘吸附而夹紧。

伺服进给系统图中纵溜板和横溜板的微量进给是由分辨率为的高分辨率伺服电机来直接驱动的。

首先伺服电机直接拖动滚珠丝杠，再通过丝杠螺母把电机的转动变成直线运动。

它接收来自插补装置的脉冲方向信号，其中脉冲数代表了位移指令。

脉冲频率代表了速度指令由伺服电机的辨率可知，该伺服系统的直线位移分辨率为.。

微位移测量系统该系统采用双反馈策略，角位移反馈通过与电机集成在起的光电码盘来实现，其分辨率为，经过倍频后，其角位移分辨率可达，直线位移则通过日本东京精密株式会社的型单频激光干涉仪实现，其分辨率为。

中心高微调系统在设计中为了能保证方向的精确微调，中心高微调系统采用了常见的斜楔机构，微调范围是能实现.的精确微调，以保证零件加工的面形精度。

数控系统它主要控制.轴和轴作相应的运动，以获得不同的非球曲面。

非球曲面数控系统的关键在于非球曲面的数控插补。

本数控系统采用独特的“双圆弧步长伸缩数控插补算法”，其数控系统的分辨率为。

.非球曲面磨削方案的确定在磨削加工方面，无论对于硬脆材料还是金属材料，采用弧形金刚石砂轮在定的行走轨迹和修整条件下都可以在数控机床上实现非球面的成形加工。

最新研发的几种弧形金刚石砂轮成形磨削方法都可以大致分为交叉磨削法平行磨削法倾斜磨削法球面砂轮磨削法和斜轴圆柱砂轮磨削法。

如下图所示。

单点金刚石切削法交叉磨削法平行磨削法倾斜磨削法球面砂轮磨削法斜轴圆柱砂轮磨削法图光学非球面加工方法交叉磨削法的加工表面质量较差，为此，将砂轮轴旋转，使砂轮轴速与工件速度方向平行进行磨削，即采用平行磨削法。

实验结果表明，平行磨削法比交叉磨削法能获得更好的表面加工质量。

倾斜磨削法是将砂轮轴倾斜定角度，适用于加工更深的凹形非球面。

球面砂轮磨削法是利用砂轮球面按照非球面的运动轨迹与工件点接触进行磨削加工，它能使球面的砂轮均衡磨耗，形状精度可达到.，但球面砂轮成形修整比较困难。

斜轴圆柱砂轮磨削法是采用小直径砂轮加工较深的凹面，主要用于超精密光学非球面零件的加工。

加工零件的技术参数本课题所要求加工加工的零件图及如图所示光学零件图的技术指标．加工直径范围．焦距范围面形精度优于，表面疵病等级Ⅳ图光学零件图该非球曲面零件内凹的最小圆弧曲率半径为，内凹最深处为.非球曲面磨削方案确定在光学玻璃陶瓷轴承等脆性材料的超精密磨削过程中，磨削系统对零件加工精度的影响很大，如磨头主轴的回转速度回转精度砂轮的形状及修整等因素对零件加工精度影响较大。

此外，磨头中心高与工件中心高的微调对零件加工时的面型精度尺寸精度也有较大的影响。

因此在研制非球曲面磨削系统时，我们应根据被加工零件的尺寸形状面型精度及表面粗糙度来确定它的设计方案。

如图，对于该光学零件，其外凸曲面由于曲率半径较大，故而较容易加工。

但是对于凹的较深的非球曲面，当曲面的最小曲率半径较小，其最小曲率半径，因此只能用半径的金钢石砂轮进行磨削加工，并且该零件凹面深度为，如果砂轮与工作台垂直放置，砂轮轴会与工件发生干涉，如图所示。

因此本非球曲面磨削系统的砂轮轴拟采用倾斜放置方式，以便能磨削加工最小曲率半径较大的非球曲面零件时，还能磨削加工凹得较深的非球曲面零件。

砂轮轴倾斜放置砂轮轴垂直放置图凹非球曲面加工时砂轮的两种放置方式.加工误差分析在确定了非球曲面磨削的方案之后，为了加工出高质量的零件，我们在研制非球曲面磨削系统之前，有必要对光学零件超精密磨削时的加工误差做较为详细的分析。

图是超精密非球曲面磨削系统的结构件图，磨头主轴拟倾斜。

该磨削系统主要分为五大部分空气主轴系统，位于纵溜板之上伺服进给系统，包括纵溜板的微进给驱动系统和横溜板微进给驱动系统微位移测量系统，主要用来进行向和向的微位移监测中心高微调系统，主要用于微调磨头在向的高度，向微调精度的高低直接决定着被加工零件轮廓精度的大小数控系统，将控制纵溜板和横溜板的进给。

数控系统在磨削加工非球曲面时，有数控系统控制纵溜板轴及横溜板，轴作相应的纵向和横向进给，即可实现非球曲面的超精密磨削加工。

纵溜板主轴箱主轴真空吸盘过渡盘工件高速磨头中心高微调机构微调支座横溜板图超精密光学非球曲面磨床结构简图中心高微调机构对零件加工精度的影响图所示为砂轮与工件磨削时的接触情况。

当砂轮的磨削点与工件的回转中心不在同水平面内时，就会出现图所示的两种情况。

加工后会在工件表面出现个未磨削到的小圆锥，它将直接影响被加工零件的加工精度，这是由于磨削时中心高微调机构微位移精度不够而造成的。

图为磨削时中心高微调误差即砂轮与工件的接触点低于工件回转中心的这种情况，此时小圆锥的磨削痕迹方向为顺时针方向。

因此可根据工件磨削痕迹方向及残留面的大小来判断砂轮中心高的微调误差及其方向。

从图中我们可以看出，由于中心高微调机构的精度不够而在被磨削工件表面残留个小圆锥，其小圆锥的直径为，高度为，很显然式中中心高微调误差，即微调精度砂轮与工件之间的夹角图砂轮在方向的位置误差图砂轮在方向中心高位置误差对零件加工精度的影响从公式及公式可以看出，由于中心高微误差，因此会使得零件表面产生较大的轮廓误差，亦即方向是误差的敏感方向。

设砂轮与工件之间的夹角为，要使得已加工零件的轮廓精度达到.，在光学非球面的磨削过程中，由于零件的轮廓精度还受到数控插补算法机床导轨本身运动精度砂轮的安装及磨损等因素的影响。

因此实际磨削时中心高微调机构的微调精度应达到.。

在轴上砂轮安装误差对零件加工精度的影响砂轮在安装时，如在轴方向与工件回转轴线有不重合误差，则此误差会对零件磨损加工后的形状精度产生较大的影响，如图所示。

设磨削点处倾角为，则在此点处轴方向的误差值对于图所示曲率半径小于的内凹非球曲面零件，当砂轮在轴方向的安装误差有变化时，会对零件的形状误差产生较大的影响。

从公式中可以看出，方面加工误差随绝对值的增大而增大另方面，当值固定时加工误差随值的增大而增大。

当时，。

从公式可算出，若零件的形状精度要求控制在.范围内，则必须控制在.范围内，这对于超精密非球曲面磨削系统的设计来说非常关键。

图砂轮向误差对零件面形精度的影响砂轮半径误差对零件加工精度的影响在磨削加工过程中，当砂轮有半径所产生的轴方向上的误差可表示如下从图中可以看出，方面加工误差随砂轮半径误差绝对值的增大而增大另方面，当砂轮半径误差值固定，加工误差随角的增大而增大，当时，。

由公式可知，对于最小曲率半径为的非球曲面，当工件与砂轮接触点的倾角达到最大值时，如果工件的面形精度要求控制在.范围内，则必须控制在.范围内。

图砂轮误差对零件面形精度的影响及综合作用时对零件面形精度的影响之前已分析了中心高微调误差，砂轮在方向的安装位置误差及砂轮半径误差单独作用时对零件面形精度的影响，而实际加工时往往是几种误差同时对零件的面形精度产生影响，当砂轮的微调中心高满足所需微调精度要求时，设等误差对零件面形精度的影响值为。

则综合上面的分析可得由公式可知，对于最小曲率半径的内凹非球曲面来说当和综合作用对零件的面形精度产生影响时，如果和同时取正值，则值增大，零件加工后的面形精度会显著降低反之当和取相反值时，则变小，零件加工后的面形精度提高。

在实际的磨削加工中应重视这理论分析的结果，以最大限度地提高零件的加工精度。

下面给出该项综合误差在加工中进行补偿的种方法。

图砂轮磨削轨迹示意图图所示为砂轮磨削时的轨迹示意图。

在磨削加工时，数控系统控制工件在轴方向和砂轮在轴方向同时运动，从而得到所需的非球曲面轨迹。

设砂轮的中心点轨迹坐标为砂轮与工件接触点的轨迹坐标为砂轮半径为，砂轮磨削点法线方向与轴夹角为，则有下式当数控系统生成砂轮轨迹之后，磨削系统进行初次磨削，磨削完毕后用高精度的检测设备对非球曲面的面形误差进行检测，然后补偿砂轮轨迹，再次进行磨削加工，如此重复，直到满足精度要求为止，其流程如图所示。

图磨削过程示意图第章非球曲面磨削装置设计.超精密加工的关键技术超精密技术发展到今天，已不是孤立的加工方法和单纯的工艺问题，而成为包括广泛内容的系统工程。

实现超精密切削技术，不仅需要超精密的机床和刀具，也需要超稳定的环境条件，还需要运用计算机技术进行实时检测，反馈补偿。

只有将各个领域的技术成就集结起来，才有可能实现超精密加工。

超精密主轴超精密加工机床的主轴在加工过程中直接支持工件或刀具的运动，故主轴的回转精度直接影响到工件的加工精度。

现在超精密加工机床中使用的精度最高的主轴是空气静压轴承主轴，目前的磁悬浮轴承还远达不到空气静压轴承的精度，所以还必须依靠空气轴承。

本次设计所选即为空气静压轴承主轴。

超精密导轨超精密加工机床导轨应有的基本要求是动作灵活无爬行等不连续动作直线精度好在实用中应具有与使用条件相适应的刚性高速运动时发热量少维修保养容易。

超精密加工机床中常用的导轨有型滑动导轨和滚动导轨，液体静压导轨和气体静压导轨。

传统的型滑动和滚动导轨在美国的应用都取得了良好的效果。

液体静压导轨由于油的粘性剪切阻力而发热量比较大，因此必须对液压油采取冷却措施。

另外液压装置比较大，而且油路的维修保养也较为麻烦。

气体静压由于支撑部是平面，可获得较大的支撑刚度，它几乎不存在发热问题，若设计合理，则在后续的维修保养方面几乎不会发生什么问题，只需要注意导轨面的防尘。

传动系统目前用于精密加工和超精密加工的传动系统主要有滚珠丝杠传动静压丝杠传动摩擦驱动和直线电机驱动。