1 北京控制工程研究所，北京 100190
2 北京双工精密机械有限公司，北京 100096
以聚焦型X射线反射镜的镍磷合金芯模为研究对象, 研究了单点金刚石超精密车削的切削深度、主轴转速、进给量等工艺参数对表面粗糙度的影响关系。结果表明，进给量对加工表面粗糙度影响相对最大，主轴转速、切削深度的影响呈弱相关关系。开展了NiP合金超精密车削工艺试验，得到切削深度、主轴转速、进给量的优化工艺参数，并初步建立了表面粗糙度预测模型。在此基础上，对Φ110 mm×140 mm的X射线反射镜镍磷合金芯模进行加工验证，获得了PV61.37~83.47 nm、RMS7.952~10.326 nm、Ra6.379~8.332 nm的表面粗糙度，圆度误差0.39 μm、斜率误差均方根值0.42 μm，满足X射线反射镜对芯模超精密车削需求，为后续大规格X射线反射镜超精密制造奠定了技术基础。
X射线反射镜 芯模 超精密车削 镍磷合金 工艺参数 X-ray mirror mandrel ultra-precision turning NiP alloy process parameters 红外与激光工程
2022, 51(7): 2021G005
1 中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209
2 中国科学院大学，北京 100049
3 西南石油大学，四川 成都 610500
阵列微结构光学元件广泛用于各种光束匀化场合，而常规的加工方法难以满足大矢高凸柱面阵列的精度要求。本文采用超精密车削成型法，分析了影响金刚石车削的主要因素，设计了顺序搜索法和二分搜索法寻找车削轨迹，并对比了两种方法的优缺点，结合Matlab软件用二分搜索法成功找到车削轨迹及数控程序，并在超精密车床上进行了车削实验，得到了表面轮廓误差在135 nm的大矢高阵列微结构。证明了二分搜索法能够准确获得车削轨迹，并且此法可同时适用于球面轮廓和非球面轮廓，具有重要的工程应用价值。
大矢高阵列微结构 凸柱面 超精密车削 半径补偿 large-vector high-array microstructure convex cylindrical surface ultra-precision turning radius compensation
1 国防科技大学装备综合保障国防科技重点实验室, 湖南 长沙 410073
2 国防科技大学智能科学学院, 湖南 长沙 410073
由于复杂曲面铝反射镜所具有的独特优势, 其在光学系统中的应用越来越广泛。但是只采用超精密车削加工的光学反射镜精度受到超精密车削加工“误差复映”的限制, 只能满足红外系统应用需求, 其应用的进一步推广遭遇瓶颈。采用超精密车削、磁流变抛光、计算机控制表面成形 (CCOS)的组合加工工艺, 并结合复杂光学曲面的计算全息图法(CGH)面形检测技术, 可以进一步提升铝反射镜的面形精度, 满足可见光系统的应用需求, 为复杂曲面铝合金反射镜的推广奠定了制造基础。
复杂曲面 铝反射镜 超精密车削 抛光 计算全息图法(CGH) complex curved surface aluminum mirror ultra-precision turning polishing computer-generated holo-gram (CGH)
1 天津科技大学 机械工程学院 天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室, 天津 300222
2 天津大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津300072
3 天津市微纳制造技术工程中心, 天津 300072
Fresnel透镜是最常见的太阳能聚光镜之一, 曲面Fresnel透镜通常比平面Fresnel透镜具有更加优越的性能。基于非成像光学理论, 提出了一种新型曲面Fresnel透镜的设计方法。曲面Fresnel透镜采用圆锥曲面基底, 在满足Fresnel透镜机械参数要求的前提下, 实现Fresnel透镜第二工作面面型的求解。基于可加工性的要求, 利用该方法设计了不同形状的曲面Fresnel透镜, 通过光学仿真分析了曲面Fresnel透镜的结构参数对聚光镜会聚比、容忍角、光照均匀性的影响, 并分析了超精密加工条件下, 由于加工误差对光学效率的影响。该设计方法为参数化曲面Fresnel透镜的分析提供了一种新的途径。仿真结果表明, 具有小深宽比的曲面Fresnel透镜具有更好的均匀性和更高的能量利用率。
非成像光学 太阳能聚光镜 曲面Fresnel透镜 超精密车削 non-imaging optics solar concentrator curved Fresnel lens ultra-precision turning 红外与激光工程
2018, 47(7): 0718005
1 天津科技大学 天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室, 天津 300222
2 天津市微纳制造技术工程中心, 天津 300072
提出了一种准直型LED自由曲面二次光学元件的设计方法, 基于光线追迹, 满足光学元件的光学要求和曲面连续性的几何要求, 简化了自由曲面设计过程, 实现程序化设计。自由曲面的应用以能够实现自由曲面的制造为前提, 基于自由曲面的可加工性, 提出设计方法可结合加工需求灵活更改设计参数, 设计自由度高, 实验验证了设计方法的正确性。
非成像光学 LED二次光学 光学设计 超精密加工 non-imaging optics LED secondary optics optical design ultra-precision turning
国防科技大学 机电工程与自动化学院 超精密加工技术湖南省重点实验室, 湖南 长沙 410073
超精密车削技术适于加工KDP(磷酸二氢钾)等频率转换类型的强光光学零件, 但车削表面存在明显的加工纹理, 导致抗激光损伤阈值降低。以加工表面误差幅值及其频谱分布为对象, 分析了KDP光学零件超精密车削的加工特征和误差形态, 采用功率谱密度(PSD)评价方法研究了工艺参数与误差频谱的内在关系, 结果表明: 不同进给速度及主轴转速将使螺旋形刀痕的间距发生变化, 进而影响KDP表面误差的频率成分; 切削深度虽然对误差频谱影响很小, 但会改变PSD的幅值; 当主轴转速高于500 r/min、进给速度小于2 mm/min、切削深度小于2 μm时能够加工出rms值优于20 nm的KDP面形。在此基础上, 以典型KDP光学零件加工为例, 通过超精密补偿车削方法将低频误差的PSD控制在300 nm2·mm以内, 中高频误差的PSD控制到国家点火装置(NIF)标准线以下, 满足强光系统的工作要求。
光学制造 超精密车削 面形误差 功率谱密度(PSD) optical manufacturing KDP KDP ultra-precision turning surface error power spectral density (PSD)
中国工程物理研究院 激光聚变研究中心， 四川 绵阳 621900
采用超精密车削技术加工微尺度正弦波调制曲面微结构，解决了尖刃金刚石刀具刃磨和刀具对中等关键技术，研究了进给量、背吃刀量和主轴转速等主要切削参数对铜模板表面粗糙度的影响规律。加工出波长为（20～150）μm±0.5 μm﹑峰谷高度差为（0.2～20）μm±0.1 μm的带正弦波调制曲面。采用原子力显微镜对模板表面轮廓扫描，在20 μm×20 μm的范围内，其表面粗糙度均方根值小于10 nm。将正弦波调制曲面测量结果与理论轮廓进行比较，采用最小二乘寻优算法评定轮廓误差。完成了曲面轮廓的功率谱表征，利用加工的曲面微结构制备了平面调制靶，实现正弦波调制曲面轮廓的精确转移。
瑞利-泰勒不稳定性 平面调制靶 超精密车削 功率谱 Rayleigh-Taylor instability surface perturbation target ultra-precision turning power spectrum
1 南京工程学院 机械系,江苏 南京 211167
2 南京航空航天大学 机电学院,江苏 南京 210016
3 北京航空精密机械研究所,北京 100076
试验研究了碳化硅颗粒增强铝基复合材料(SiCp/Al)的超精密车削加工性能。使用扫描电镜(SEM)对已加工表面、切屑及其根部、刀具前/后刀面磨损带进行观察,使用表面粗糙度轮廓仪对各种切削条件下的加工表面粗糙度轮廓进行测试分析。结果表明,该材料的加工表面常残留微孔洞、微裂纹、坑洞、划痕、残留物突起及基体材料撕裂等微观缺陷,刀具几何参数、切削速度、进给量、增强颗粒尺寸和材料体积分数是影响表面粗糙度的主要因素。由于切削变形区微裂纹动态形成的作用,超精密切削该材料时一般形成锯齿型切屑。刀具-工件的相对振动、基体撕裂增强颗粒拔出、破碎、压入等是该材料超精密车削表面形成的主要机制。单晶金刚石(SCD)刀具主要发生微磨损、崩刃、剥落和磨粒磨损,聚晶金刚石(PCD)刀具主要发生磨粒磨损和粘结磨损。结论表明SiCp/Al的超精密切削加工性较差,但通过选择合适的工艺参数,体积分数为15%的SiCp/2024Al加工表面粗糙度Ra可达24.7 nm。
铝基复合材料 超精密车削 表面粗糙度 刀具磨损 aluminum matrix composites ultra-precision turning surface roughness tool wear
