碳化硅反射鏡柔帶磨削方案設(shè)計(jì)與驗(yàn)證*

宮 輝，張志剛，練敏隆，張一凡，曹東晶

(北京空間機(jī)電研究所·北京·100089)

0 引 言

碳化硅材料是一種新型陶瓷材料，具有比剛度高、導(dǎo)熱性好、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，是一種優(yōu)異的空間光學(xué)反射鏡材料，在國(guó)內(nèi)外空間光學(xué)遙感器上有著大量應(yīng)用。例如我國(guó)高分四號(hào)衛(wèi)星主反射鏡、歐空局研制的赫歇爾空間望遠(yuǎn)鏡直徑3.5m主反射鏡、日本研制的ASTRO-F主反射鏡均采用碳化硅材料。

碳化硅反射鏡的鏡坯通常采用碳化硅粉末燒結(jié)制備。受成型和燒結(jié)工藝的限制，鏡坯燒結(jié)出爐后，還需要進(jìn)行機(jī)械加工，去除多余材料，保證最終尺寸和精度。碳化硅陶瓷的高硬度、高脆性、低斷裂韌性的特點(diǎn)，導(dǎo)致了反射鏡磨削困難，而且在加工過(guò)程中易出現(xiàn)崩邊、開(kāi)裂等現(xiàn)象。

碳化硅材料加工技術(shù)主要包括常規(guī)磨削技術(shù)、超聲振動(dòng)銑磨技術(shù)、金剛石車削技術(shù)、柔帶磨削技術(shù)等。常規(guī)磨削技術(shù)是用磨頭去除工件的多余結(jié)構(gòu)部分，多用于粗加工，被加工表面較為粗糙。磨頭的轉(zhuǎn)速及進(jìn)給量是影響磨削效率、表面質(zhì)量的主要因素。超聲振動(dòng)輔助銑磨又稱作旋轉(zhuǎn)超聲加工，它是將超聲振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)磨削結(jié)合在一起，是傳統(tǒng)超聲加工與磨削的復(fù)合技術(shù)。超聲振動(dòng)磨削可以實(shí)現(xiàn)較高精度的加工，工件表面粗糙度良好，但加工效率較低，適用于對(duì)表面要求不高的小尺寸零件的加工。金剛石車削可以用于光學(xué)零件的加工，采用天然單晶金剛石作刀具，直接車削出符合光學(xué)質(zhì)量要求的光學(xué)零件。金剛石車削機(jī)床控制精度要求高，環(huán)境使用條件也高，價(jià)格較為昂貴。目前已經(jīng)用于紅外晶體、有色金屬和部分激光晶體以及光學(xué)塑料的加工，還可以用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜和有特殊要求零件的加工和制造，如高次非球面、衍射光學(xué)元件、折衍混合光學(xué)元件、微透鏡陣列等。柔帶磨削技術(shù)是利用柔性砂帶作為切削工具的加工技術(shù)。砂帶主要由基體、膠黏劑和磨粒三部分組成?；w材料是有撓性的布料、紙料，其表面粘接切削刃朝外且均勻排布的金剛石磨粒。柔帶由控制系統(tǒng)操控，隨著驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)切削工件。柔帶單個(gè)磨粒切削工件時(shí)間短，散熱時(shí)間長(zhǎng)，配合磨削液潤(rùn)滑降溫，不會(huì)灼傷工件表面。柔帶基體柔軟，對(duì)工件的表面輪廓適配性好。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于工件的磨削及拋光。

常規(guī)磨削、超聲振動(dòng)銑磨技術(shù)、金剛石車削技術(shù)的不足之處是材料去除量小、加工效率低，對(duì)于較大的碳化硅零件來(lái)說(shuō)，加工周期長(zhǎng)，不能滿足緊迫的航天遙感任務(wù)。針對(duì)某1550mm直徑的碳化硅(SiC)反射鏡坯大去除量需求，本文將柔帶磨削技術(shù)與機(jī)器人加工中心技術(shù)結(jié)合，設(shè)計(jì)并搭建了一套機(jī)器人砂帶自動(dòng)磨削系統(tǒng)。在保證鏡坯安全的前提下，開(kāi)展了反射鏡鏡坯加強(qiáng)筋的去除工作，同時(shí)對(duì)鏡體加工應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。最終，完成了碳化硅鏡坯加強(qiáng)筋的去除工作，鏡體經(jīng)檢測(cè)完好無(wú)損，整個(gè)加工周期由預(yù)計(jì)的6個(gè)月縮短到45天，為航天任務(wù)節(jié)省了時(shí)間。

1 柔性砂帶磨削技術(shù)

柔帶在控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，磨粒隨著柔帶的旋轉(zhuǎn)切削工件。在柔帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上安裝壓力傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并反饋柔帶與工件之間的壓力，控制系統(tǒng)根據(jù)接觸壓力值計(jì)算進(jìn)給量，控制柔帶的進(jìn)給，形成閉環(huán)控制。在控制系統(tǒng)中提前設(shè)定磨削進(jìn)給路徑曲線，接觸壓力初始值通過(guò)工藝試驗(yàn)確定。

按照磨粒與工件表面接觸時(shí)干涉程度的不同，磨削過(guò)程可以分為3個(gè)階段。

1)滑擦：磨?？拷⒔佑|工件表面，壓力小，工件表面發(fā)生彈性或塑性變形，此階段不切除材料；

2)耕犁：隨著擠壓力的增加，磨粒與工件表面干涉增大，被擠壓的材料從磨粒的下方和兩側(cè)擠出，此階段切除少量材料；

3)切削：磨粒的擠壓力達(dá)到最大并保持穩(wěn)定，工件表面的材料出現(xiàn)擠壓斷裂，形成切屑脫離工件。

柔帶磨削的3個(gè)階段如圖1所示。

圖1 磨削三階段示意圖Fig.1 Three-stage of grinding

柔帶磨削的主要特點(diǎn)有：

1)砂帶磨削效率高，是普通砂輪磨削的5倍；

2)摩擦生熱少，磨粒散熱時(shí)間間隔長(zhǎng)，可以有效地減少工件燒傷，保證加工表面質(zhì)量；

3)砂帶自身有很好的撓性，與工件外輪廓是柔性接觸，具有較好的跑合和拋光作用，工件的表面粗糙度Ra可達(dá)0.8～0.2μm；

4)柔帶可以適配輪廓復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，適用范圍廣；

5)柔帶成本低。

2 機(jī)器人柔性砂帶磨削方案設(shè)計(jì)

2.1 碳化硅反射鏡坯構(gòu)型

在某靜止軌道光學(xué)遙感器研制中，主反射鏡采用碳化硅材料，最大外徑1550mm。由于鏡坯尺寸大，為了提高燒結(jié)成功率，在反射面增加了多條加強(qiáng)筋，在燒結(jié)完成后利用機(jī)械加工手段去除這些加強(qiáng)筋。鏡坯反射面加強(qiáng)筋最大高度135mm，寬度5mm。采用常規(guī)磨削技術(shù)，預(yù)計(jì)加工周期6個(gè)月，甚至更長(zhǎng)，嚴(yán)重影響項(xiàng)目研制進(jìn)展。因此，需要開(kāi)展新型磨削方案論證、搭建新磨削系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鏡坯反射面加強(qiáng)筋的快速去除，同時(shí)保證鏡體的安全。

反射鏡鏡坯構(gòu)型如圖2所示。

圖2 鏡坯結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of mirror blank

2.2 機(jī)器人柔性砂帶磨削系統(tǒng)

通過(guò)調(diào)研，完成了機(jī)器人柔性砂帶磨削系統(tǒng)方案論證，并投產(chǎn)小型碳化硅材料鏡坯，開(kāi)展了磨削驗(yàn)證。通過(guò)磨削試驗(yàn)獲得柔帶轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、進(jìn)給量、磨削角度等多個(gè)工藝參數(shù)。

2.2.1 磨削系統(tǒng)

機(jī)器人柔帶磨削系統(tǒng)包括控制中心、六軸機(jī)械臂、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、壓力監(jiān)測(cè)、水冷系統(tǒng)和金剛石砂帶等子系統(tǒng)。壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)柔帶與零件之間的壓力，反饋給控制系統(tǒng)，控制中心計(jì)算出砂帶進(jìn)給量，并控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)持續(xù)磨削。水冷系統(tǒng)主要用于工件和砂帶的散熱。機(jī)器人機(jī)械臂有6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，能方便地調(diào)整柔帶的磨削位置及磨削角度，如圖3所示。

(a) 六軸機(jī)器臂

2.2.2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

工件應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由應(yīng)變測(cè)量單元、數(shù)據(jù)處理設(shè)備組成。應(yīng)變測(cè)量單元粘貼于鏡坯非加工區(qū)域，監(jiān)測(cè)鏡坯加工過(guò)程中的微變形，用于判斷鏡坯的安全裕度。加工前，應(yīng)變測(cè)量單元應(yīng)進(jìn)行防脫粘、防污染處理。數(shù)據(jù)處理設(shè)備可對(duì)應(yīng)變測(cè)量單元的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與快速處理，并能直觀顯示反射鏡所有區(qū)域的內(nèi)應(yīng)力分布情況。

內(nèi)應(yīng)力與變形關(guān)系公式如下

=

(1)

式中，為結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力；為應(yīng)變量；為結(jié)構(gòu)材料彈性模量。

碳化硅材料彈性模量為310GPa，許用應(yīng)力為150MPa～200MPa，由式(1)計(jì)算可知，應(yīng)變應(yīng)小于0.48mm。在考慮安全裕度后，本文將應(yīng)變≤0.2mm作為參考依據(jù)。

2.3 反射鏡坯裝夾設(shè)計(jì)與加工應(yīng)力分析

2.3.1 裝夾方案設(shè)計(jì)

加工過(guò)程中，鏡坯被夾緊固定，控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)柔帶轉(zhuǎn)動(dòng)、進(jìn)給。夾具的裝卡會(huì)造成鏡體局部應(yīng)力集中。合理的裝夾設(shè)計(jì)能減小加工過(guò)程中鏡坯的應(yīng)力。鏡坯的裝夾系統(tǒng)需要約束鏡坯的6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，且無(wú)過(guò)約束，才能實(shí)現(xiàn)微應(yīng)力裝夾。結(jié)合鏡坯構(gòu)型，設(shè)計(jì)了一套微應(yīng)力的裝夾系統(tǒng)。鏡坯限位示意圖如圖4所示，底部平臺(tái)限制鏡坯豎直方向的平動(dòng)自由度，側(cè)面限位點(diǎn)(共8組)限制水平方向的2個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度；背部限位點(diǎn)(共6組)與側(cè)面限位點(diǎn)、底部限位點(diǎn)共同實(shí)現(xiàn)對(duì)鏡坯3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的限制。

圖4 鏡坯限位示意圖

為避免反射鏡鏡體與機(jī)器人加工平臺(tái)硬接觸，在鏡坯與加工平臺(tái)上放置聚四氟乙烯平板。

2.3.2 加工應(yīng)力分析

根據(jù)前期工藝試驗(yàn)得到的磨削力，結(jié)合反射鏡體裝卡的約束，對(duì)加工時(shí)反射鏡的加工應(yīng)力進(jìn)行了仿真。分析軟件為HYPERMESH，解算器為OPTISTRUCT。鏡體上施加的磨削力為450N，約束底部限位面處節(jié)點(diǎn)的向平動(dòng)自由度和側(cè)面限位點(diǎn)處節(jié)點(diǎn)的、向平動(dòng)自由度。根據(jù)仿真結(jié)果可知，鏡體加工最大應(yīng)力為1.71MPa，遠(yuǎn)小于鏡體自身的許用應(yīng)力。應(yīng)力云紋圖如圖5所示。

復(fù)產(chǎn)期間，該氣田優(yōu)化生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)及工藝流程，保持低壓運(yùn)行。生產(chǎn)調(diào)度堅(jiān)持“24小時(shí)值班、待命和處置”的工作制度。通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控和定時(shí)人工巡檢相結(jié)合的生產(chǎn)監(jiān)測(cè)措施，持續(xù)強(qiáng)化“三級(jí)調(diào)控，無(wú)人值守”的運(yùn)行模式。同時(shí)，開(kāi)發(fā)管理穩(wěn)步推進(jìn)，通過(guò)抓新井地層對(duì)比、投產(chǎn)層位擬定、投產(chǎn)設(shè)計(jì)和井位勘定，科學(xué)制定治理措施，嚴(yán)控老井遞減，并快速開(kāi)展連續(xù)油管沖砂作業(yè)以及壓裂施工，確保出砂井冬季穩(wěn)定生產(chǎn)。

圖5 反射鏡應(yīng)力云紋圖Fig.5 Diagram of mirror stress

由圖5仿真可知，鏡體在加工時(shí)的應(yīng)力是滿足安全需求的。

3 反射鏡磨削驗(yàn)證

按照裝夾設(shè)計(jì)方案完成反射鏡裝夾后，開(kāi)展了反射鏡的磨削驗(yàn)證工作。磨削要求如下：

1)鏡體無(wú)裂紋、無(wú)崩邊；

2)鏡體反射面輔助筋殘余高度0.3～2mm。

在磨削前，以工藝件進(jìn)行了磨削參數(shù)的試驗(yàn)，獲得最佳磨削力250～450N，機(jī)械臂進(jìn)給速度5～15mm/s。按照此工藝參數(shù)加工，能夠保證鏡體加工安全。

加工過(guò)程中，通過(guò)應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)適時(shí)監(jiān)測(cè)加工區(qū)域的應(yīng)變及應(yīng)力。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得到部分應(yīng)變片變形數(shù)據(jù)如圖6所示，縱軸為應(yīng)變量，橫軸為時(shí)間。strain1～strain9代表應(yīng)變片1～9號(hào)。

圖6 鏡坯應(yīng)力變化曲線Fig.6 Stress curve of mirror blank

根據(jù)2.2.2節(jié)的分析，應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)低于200μm時(shí)，鏡體內(nèi)應(yīng)力低于碳化硅材料的屈服應(yīng)力，且有一定的安全裕度，是滿足要求的。

鏡坯后續(xù)進(jìn)行了精磨、鍍膜等工藝，對(duì)反射鏡進(jìn)行了面形RMS測(cè)試，測(cè)試設(shè)備為干涉儀，測(cè)試結(jié)果為0.0157(=632.8nm)，滿足使用要求(0.02)。圖7(a)為反射鏡面形測(cè)試的放置狀態(tài)，圖7(b)為干涉儀測(cè)試得到的面形圖。

(a) 反射鏡測(cè)試狀態(tài)

通過(guò)此次磨削驗(yàn)證，成功獲得了滿足使用要求的反射鏡鏡坯，同時(shí)積累了大量工藝參數(shù)，培養(yǎng)了一批成熟的技術(shù)人才，后續(xù)又完成了多塊鏡坯的加工，單塊鏡坯加工周期進(jìn)一步縮短至40天。

4 結(jié) 論

針對(duì)碳化硅反射鏡難以磨削的特點(diǎn)，論證并搭建了機(jī)器人柔帶磨削系統(tǒng)。開(kāi)展了碳化硅材料磨削工藝試驗(yàn)，獲得了磨削參數(shù)，最佳磨削力為250～450N，機(jī)械臂進(jìn)給速度為5～15mm/s。通過(guò)仿真獲得反射鏡磨削應(yīng)力為1.71MPa，鏡體加工時(shí)處于安全狀態(tài)。完成了1550mm碳化硅反射鏡反射面加強(qiáng)筋的磨削，加工耗時(shí)45天，反射鏡體殘余筋高度0.5～1mm，無(wú)崩邊、無(wú)裂痕。反射鏡在完成精磨、鍍膜等后續(xù)工序后，利用干涉儀測(cè)試其面形RMS 為0.0157，滿足使用要求(0.02)。目前反射鏡在軌運(yùn)行表現(xiàn)良好，指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。