大口徑光學(xué)元件裝夾轉(zhuǎn)運結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析

李 月,徐 猛,王 驍,朱建平,連克難,陳家川

(中國工程物理院機械制造工藝研究所,四川 綿陽 621999)

1 引 言

隨著我國激光裝置中光學(xué)元件口徑、寬厚比的不斷增大,激光裝置研究中心對大口徑光學(xué)元件裝夾轉(zhuǎn)運方式提出了更高更苛刻的要求。大口徑光學(xué)元件裝夾轉(zhuǎn)運一般采用剛性夾持的柔性連接[1],同時通過有限元等分析手段仿真驗證裝夾轉(zhuǎn)運方案的可行性、可靠性[2-4]。目前,光學(xué)元件的夾緊多采用低應(yīng)力夾緊方式,“低應(yīng)力”就是要獲得一個合理的使鏡片變形足夠小的應(yīng)力場,或者說是在鏡片通光范圍內(nèi)(工作范圍內(nèi))的應(yīng)變均勻,或者衰減集中應(yīng)力向鏡片的傳播[5]。低應(yīng)力夾緊轉(zhuǎn)運裝置可在光學(xué)零件的安裝、調(diào)試、拆卸、轉(zhuǎn)運過程中,提高光學(xué)零件安裝的重復(fù)定位精度和穩(wěn)定性、保證光學(xué)零件的拆裝、轉(zhuǎn)運、調(diào)試過程操作安全、簡單和方便。

目前,為了保證裝夾轉(zhuǎn)運裝運過程中光學(xué)元件的安全性,國內(nèi)的大口徑光學(xué)元件夾緊多采用光學(xué)元件開槽夾緊的方式[6-8]。但微晶材料為典型的脆性材料,若在光學(xué)零件結(jié)構(gòu)中開槽或打孔,稍有操作不當,將會在槽或孔的斷面和折角處產(chǎn)生不可控的微裂紋等加工缺陷。且光學(xué)零件安裝轉(zhuǎn)運過程中受力過大,特別是受剪力的情況下,容易出現(xiàn)微裂紋擴展,甚至鏡片整體破碎的問題,嚴重影響鏡片的功能和壽命。為了改變應(yīng)力分布狀況,減少應(yīng)力集中,重慶大學(xué)周憶等[9]通過膠粘結(jié)方法將光學(xué)元件與鏡框連接,但該方法中的膠粘劑會受熱失效,導(dǎo)致膠粘不牢,潔凈度變差等問題。上海光機所邵平等[10]利用全金屬結(jié)構(gòu)直接裝夾轉(zhuǎn)運大口徑平面光學(xué)元件,但全金屬膨脹系數(shù)大,在夾緊轉(zhuǎn)運的過程中會因金屬的變形引起光學(xué)鏡面的拉扯變形,從而影響鏡片的使用精度和功能。為了避免光學(xué)元件在安裝轉(zhuǎn)運過程中的安全,本文通過對光學(xué)元件開槽與不開槽兩種裝夾轉(zhuǎn)運方式的分析,提出了一種新型的不開槽夾緊結(jié)構(gòu),即利用摩擦力克服光學(xué)零件的重力和慣性力的低應(yīng)力裝夾轉(zhuǎn)運方式,旨在為大口徑光學(xué)元件的裝夾轉(zhuǎn)運方式提供借鑒。

2 低應(yīng)力夾緊結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

2.1 光學(xué)元件開槽、不開槽兩種方式的裝夾轉(zhuǎn)運受力分析

中國工程物理研究院某大型激光實驗裝置的實施過程中,針對開槽鏡片頻繁出現(xiàn)破裂的問題,進行了大量試驗研究[11]。試驗中,采用了兩塊相同尺寸的光學(xué)元件,一塊邊緣開槽另一塊不開槽,并在相同條件下進行了真空壓裂試驗。圖1(a)是根據(jù)開槽鏡片的初始設(shè)計結(jié)構(gòu)制定的壓裂試驗,圖1(b)是該情況下壓力加載過程的數(shù)據(jù)結(jié)果,由1(b)可見鏡片在表面壓力達到6500 N時出現(xiàn)破裂,破裂狀態(tài)如圖1(c)所示,鏡片局部出現(xiàn)大裂紋。

未開槽鏡片的試驗結(jié)構(gòu)以及壓裂過程數(shù)據(jù)結(jié)果如圖2所示,由圖2可得,鏡片在表面壓力達到26300 N時出現(xiàn)破裂,且鏡片破裂形貌均一。

通過以上對比試驗分析可知,未開槽鏡片能承受的載荷約為開槽鏡片的4倍。從裂紋狀態(tài)進行分析,開槽鏡片在加載過程中出現(xiàn)局部微裂紋擴展,造成鏡片在較小的載荷下出現(xiàn)大裂紋；未開槽鏡片無局部微裂紋影響,各部分的承載能力較為均勻,在較大載荷下出現(xiàn)均勻破碎。根據(jù)實驗和工程經(jīng)驗可得,對鏡片進行開槽裝夾轉(zhuǎn)運方式存在以下幾方面的缺陷:

圖1 開槽鏡片試驗

①開槽加工需要額外的加工成本；②光學(xué)零件開槽加工狀態(tài)具有不確定性,難以確保開槽加工過程中不會產(chǎn)生微小裂紋缺陷；③光學(xué)零件在使用過程中將會進行多次的轉(zhuǎn)運與安裝,受到較大的重力與振動載荷,其開槽處的微小裂紋一旦出現(xiàn)擴展,將嚴重影響光學(xué)零件的功能與壽命；④光學(xué)零件在工作過程中,開槽區(qū)域?qū)绊懝饴返膫鬏敗?/p>

2.2 低應(yīng)力夾緊結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對開槽夾緊方案的不足,低應(yīng)力夾緊結(jié)構(gòu)采用摩擦系數(shù)較大的配副給光學(xué)元件提供足夠大的摩擦力,克服光學(xué)零件的重力和慣性力,從而實現(xiàn)有效的夾緊。本文以1650 mm×1120 mm×200 mm大口徑光學(xué)鏡片為原型進行裝夾轉(zhuǎn)運結(jié)構(gòu)的設(shè)計,裝夾轉(zhuǎn)運結(jié)構(gòu)主要由鏡框、緩降螺桿、保護裝置等機構(gòu)組成,如圖3所示。鏡框主要是為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)運過程中光學(xué)元件的安全夾緊,上下鏡框尺寸為1648 mm×85 mm×190 mm,左右鏡框尺寸為1290 mm×70 mm×190 mm；緩降螺栓是為了緩慢升降光學(xué)元件,達到轉(zhuǎn)運方便的目的；保護裝置主要是為了確保轉(zhuǎn)運過程中光學(xué)元件的絕對安全；左右鏡框外側(cè)中間軸端作為轉(zhuǎn)運工裝的接口。

圖3 大口徑反射鏡鏡框結(jié)構(gòu)圖

其中,左右鏡框內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。鏡框之間通過兩端的螺栓連接,實現(xiàn)彈簧的壓緊,并將夾緊力傳遞到兩側(cè)頂板上。兩側(cè)頂板的內(nèi)側(cè)附有橡膠層,壓緊光學(xué)零件并與光學(xué)零件形成摩擦副,從而依靠摩擦力支撐光學(xué)零件。兩側(cè)頂板與鏡框間利用定位銷連接,起限位作用。

圖4 左右鏡框內(nèi)部結(jié)構(gòu)

由于光學(xué)元件最終需安裝在鏡架底座上工作,因此下方鏡框在不允許拆卸。為了在轉(zhuǎn)運安裝過程中下方鏡框既能提供摩擦力,且能避免工作狀態(tài)下下方鏡框材料對鏡片產(chǎn)生拉扯變形,夾緊結(jié)構(gòu)的下方鏡框采用楔塊結(jié)構(gòu),如圖5所示。下方鏡框的楔形塊嵌入下方鏡框的凹槽內(nèi),楔形塊上表面附有橡膠層,下方鏡框的上表面(靠光學(xué)零件一側(cè))附有聚四氟乙烯鍍層。下方鏡框的兩端帶有頂桿,頂桿與左右鏡框通過螺紋連接。工作狀態(tài)下,楔形塊的上表面低于下方鏡框的上表面,在轉(zhuǎn)運的過程中,向內(nèi)擰動兩側(cè)頂桿,推動楔形塊上升,使橡膠層接觸并向光學(xué)零件提供夾緊力和摩擦力。轉(zhuǎn)運安裝完成后,向外擰動兩側(cè)頂桿,楔形塊下降,且低于下方鏡框的聚四氟乙烯鍍層,實現(xiàn)在工作狀態(tài)下光學(xué)零件下表面僅與聚四氟乙烯鍍層接觸,減少光學(xué)鏡片工作狀態(tài)下的變形。

轉(zhuǎn)運安裝過程中,為了進一步保護鏡片,本方案在鏡框背部安裝有光學(xué)零件保護裝置。該裝置將在緩升結(jié)構(gòu)抬高光學(xué)零件后安裝,以確保轉(zhuǎn)運安裝過程中光學(xué)零件的安全。

圖5 上下鏡框內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3 光學(xué)零件低應(yīng)力夾緊方案仿真計算

光學(xué)零件不開槽的夾緊方案下,光學(xué)零件依靠四周側(cè)面夾緊產(chǎn)生的摩擦力承載光學(xué)零件重量,其中光學(xué)零件左右兩側(cè)通過彈簧產(chǎn)生夾緊力,上下兩側(cè)通過頂桿頂緊產(chǎn)生夾緊力。對仿真模型進行了適當簡化,設(shè)計預(yù)留三倍的安全余量,即光學(xué)零件受三倍重力加速度的影響,分析應(yīng)力情況。

3.1 光學(xué)零件應(yīng)力情況

厚度為200 mm的光學(xué)零件質(zhì)量為935 kg,重力約為9200 N,光學(xué)零件側(cè)面與橡膠之間的摩擦系數(shù)約為0.35。為保證光學(xué)零件安全,設(shè)計預(yù)留三倍的安全余量,為完全平衡光學(xué)零件的重力,需要提供的夾緊正壓力需大于78857 N。光學(xué)零件的預(yù)留夾緊力為90000 N,分配左右兩側(cè)夾緊力各為20000 N,共40000 N；分配上下兩側(cè)夾緊力各為25000 N,共50000 N。

光學(xué)零件不開槽的夾緊方案下,光學(xué)零件的最大主應(yīng)力情況如圖6(a)所示,最大切應(yīng)力情況如圖6(b)所示。由圖6可得,在光學(xué)零件不開槽的夾緊方案下,光學(xué)零件的最大主應(yīng)力為1.11 MPa,最大切應(yīng)力為0.733 MPa,均遠低于光學(xué)零件破壞的強度極限6×104MPa。最大主應(yīng)力和最大切應(yīng)力均出現(xiàn)在上下兩側(cè)與楔形塊相互接觸的位置,這是因為頂桿向內(nèi)擠壓楔形塊時,楔形塊受力不均勻,其兩側(cè)是主要受力點?？傮w上,光學(xué)零件不開槽的夾緊方案下,不會出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況。

圖6 光學(xué)零件的應(yīng)力分析

3.2 鏡框應(yīng)力情況

圖7為左右鏡框的最大主應(yīng)力情況、最大切應(yīng)力情況。由圖7可得,在光學(xué)零件不開槽的夾緊方案下,左右鏡框的最大主應(yīng)力為70.1 MPa,最大切應(yīng)力為27.1 MPa,小于材料的強度極限,且預(yù)留有三倍以上的安全余量。最大應(yīng)力出現(xiàn)在加強肋與凸臺的邊緣,在設(shè)計加工時可將應(yīng)力集中處附加倒角以減少應(yīng)力集中影響。

圖7 左右鏡框的應(yīng)力分析

上下鏡框的應(yīng)力情況如圖8所示。由圖8可得,在光學(xué)零件不開槽的夾緊方案下,上下鏡框的最大主應(yīng)力為6.96 MPa,最大切應(yīng)力為4.76 MPa,均遠小于材料的強度極限,可實現(xiàn)光學(xué)零件的安全夾緊。

圖8 上下鏡框的應(yīng)力分析

4 結(jié) 論

大口徑光學(xué)元件轉(zhuǎn)運過程中的裝夾轉(zhuǎn)運方式對光學(xué)零件的安全性、可靠性起著重要作用。為了避免光學(xué)零件轉(zhuǎn)運過程中應(yīng)力集中,出現(xiàn)微裂紋甚至鏡片整體破碎的問題,本文提出了利用摩擦力克服光學(xué)零件的重力和慣性力的低應(yīng)力裝夾轉(zhuǎn)運方案。通過仿真計算,得到該夾緊方案下,光學(xué)零件的最大主應(yīng)力為1.11 MPa,最大切應(yīng)力為0.733 MPa,遠低于光學(xué)零件破壞的強度極限,且光學(xué)零件受力均勻,無應(yīng)力集中現(xiàn)象。左右鏡框的最大主應(yīng)力為70.1 MPa,最大切應(yīng)力為27.1 MPa,小于材料的強度極限,且預(yù)留有三倍以上的安全余量,可實現(xiàn)大口徑光學(xué)元件的安全夾緊。利用摩擦力克服光學(xué)元件重力的低應(yīng)力夾緊結(jié)構(gòu)可提高光學(xué)零件的安全性、使用壽命,降低工程成本,對大型光學(xué)元件的裝夾轉(zhuǎn)運方式具有借鑒意義。