掃描反射鏡超精密飛切加工工藝

張萬(wàn)清，康杰，郭彥軍，劉堯，姚同，邱紅方，鄒俊東，駱彥冰

1云南北方光學(xué)科技有限公司；2昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

1 引言

掃描反射鏡系統(tǒng)在空間光學(xué)、高能激光、偵查雷達(dá)及對(duì)地成像等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用[1-4]。掃描反射鏡系統(tǒng)主要由反射元件、驅(qū)動(dòng)元件及感知元件組成，能夠按照既定模式進(jìn)行光學(xué)掃描[5]。其中，掃描反射鏡元件的加工質(zhì)量和加工精度是影響掃描反射鏡系統(tǒng)整體精度和性能的重要因素。

鋁合金具有可加工性能好、密度低及反射性能良好等特點(diǎn)。將鋁合金材料應(yīng)用到系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)和光學(xué)元件中可以保持光學(xué)系統(tǒng)性能在各種惡劣服役環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定，并消除傳統(tǒng)光機(jī)結(jié)構(gòu)中采用不同材料元件導(dǎo)致的熱應(yīng)力等問(wèn)題，因此，鋁合金作為反射鏡材料被應(yīng)用于各種反射鏡系統(tǒng)[6，7]。通過(guò)對(duì)鋁合金材料進(jìn)行超精密加工，可以制造出滿(mǎn)足系統(tǒng)成像需求的光學(xué)反射鏡。

單點(diǎn)金剛石超精密飛切技術(shù)是一種能夠獲得較高精度的機(jī)械加工技術(shù)，現(xiàn)已成為加工鋁合金掃描反射鏡的主要手段[8]。由于掃描反射鏡結(jié)構(gòu)的薄壁特征以及材料質(zhì)軟性，在制造過(guò)程中極易產(chǎn)生加工變形，導(dǎo)致反射鏡面形精度很難滿(mǎn)足系統(tǒng)需求，因此，需要研究飛切過(guò)程中影響反射鏡面形精度的主要因素，并盡可能降低其對(duì)面形的影響[9，10]。

本文以某雙面鋁合金掃描反射鏡為研究對(duì)象，通過(guò)飛切仿真和裝夾變形仿真模擬，研究掃描反射鏡飛切過(guò)程中飛切參數(shù)和不同裝夾方式對(duì)加工變形的影響，得到可以加工出高面形精度的掃描反射鏡表面飛切加工工藝，并通過(guò)實(shí)際飛切實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2 飛切加工技術(shù)

2.1 掃描反射鏡模型

如圖1所示，掃描反射鏡為雙面鏡結(jié)構(gòu)，兩個(gè)面均沿垂直軸進(jìn)行回轉(zhuǎn)掃描，以實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)掃描和較高的角度精度，具體結(jié)構(gòu)主要包括回轉(zhuǎn)軸及兩個(gè)反射面(主鏡面和副鏡面)。在加工過(guò)程中，只需要保證掃描反射鏡主鏡面的加工精度，即可同時(shí)保證兩個(gè)面的精度，因此，僅需研究主鏡面的加工工藝。

圖1 掃描反射鏡結(jié)構(gòu)

2.2 飛切加工原理

圖2a為飛切加工示意圖，其中，裝有金剛石刀具的飛刀盤(pán)安裝在機(jī)床主軸，以實(shí)現(xiàn)飛切過(guò)程中刀具的高速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；工件和夾具固定在工作臺(tái)并可沿X軸實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。圖2b為飛切加工的軌跡。飛切屬于典型的斷續(xù)加工，刀具旋轉(zhuǎn)一周，僅在刀具與工件接觸時(shí)實(shí)現(xiàn)材料微量去除，通?？山普J(rèn)為飛切軌跡為等間隔的平行直線。為獲得高質(zhì)量掃描反射鏡平面元件，本文主要對(duì)反射鏡實(shí)際飛切過(guò)程中影響表面質(zhì)量的因素進(jìn)行研究，具體包括飛切參數(shù)和裝夾方式。

(a)加工機(jī)床

3 飛切過(guò)程仿真

基于ABAQUS仿真軟件模擬飛切過(guò)程，以獲得飛切過(guò)程中材料的應(yīng)力狀態(tài)，研究不同切削參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律，本節(jié)仿真結(jié)果還將作為后續(xù)裝夾仿真的邊界條件。

3.1 建立有限元模型

由于飛切加工過(guò)程中的切削深度遠(yuǎn)小于工件寬度，因此飛切加工過(guò)程可以簡(jiǎn)化為二維切削仿真。創(chuàng)建工件與刀具模型，工件長(zhǎng)度8mm，寬度0.8mm；根據(jù)實(shí)際加工中的刀具參數(shù)對(duì)刀具進(jìn)行建模，其鈍圓半徑0.5μm，前角0°，后角-10°。將工件劃分為切削層和基體兩部分，刀具定義為剛體，單元網(wǎng)格劃分均采用CPE4RT。建立的二維切削仿真模型如圖3所示。

圖3 二維切削仿真模型

工件材料為7050鋁合金，材料屬性采用Johnson-Cook(J-C)本構(gòu)模型，在切削仿真過(guò)程中能更好地反映應(yīng)力、應(yīng)變和溫度效應(yīng)變化規(guī)律，其表達(dá)式為

(1)

式中，σ為流動(dòng)應(yīng)力；A為屈服強(qiáng)度；B為應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)；C，n，m為材料特性系數(shù)；ε為等效塑性應(yīng)變；ε0為材料的參考應(yīng)變率；Troom為參考溫度；Tmelt為材料熔點(diǎn)[11]。

7050鋁合金材料參數(shù)如表1所示，J-C本構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表1 材料參數(shù)

表2 本構(gòu)參數(shù)

根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)，選取兩組切削參數(shù)進(jìn)行仿真分析，仿真方案如表3所示。

表3 仿真切削參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果分析

圖4為兩組切削參數(shù)下的切削過(guò)程應(yīng)力云圖?？梢钥闯觯谇邢鬟^(guò)程中，工件表面承受的應(yīng)力隨切削速度的增加而不斷增大；刀具與工件接觸區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中，即第一變形區(qū)發(fā)生應(yīng)力集中；在遠(yuǎn)離切削區(qū)域的位置應(yīng)力分布呈波紋狀擴(kuò)散，這是由鋁合金材料的彈塑性變形引起的應(yīng)力變化所致。兩組切削仿真中，切屑形態(tài)為帶狀，切削層發(fā)生塑性變形后被刀具分離，整個(gè)切削過(guò)程較穩(wěn)定。

(a)n=1500r/min，ap=30μm，f=12mm/min

切削仿真中切削力變化曲線如圖5所示，F(xiàn)x1，F(xiàn)z1為第一組切削參數(shù)下切削力的變化曲線，平均切向力Fx1= 26.80N，平均法向力Fz1=4.43N。刀具切入工件后，切削力迅速增大，隨著切削過(guò)程平穩(wěn)進(jìn)行，切削力在一定范圍內(nèi)趨于穩(wěn)定。

圖5 切削過(guò)程切削力變化曲線

對(duì)比第二組切削參數(shù)下切削力的變化曲線Fx2，F(xiàn)z2可以看出，在此切削參數(shù)下，平均切削力較小，切削力變化曲線更加穩(wěn)定，此時(shí)，平均切向力Fx2=5.28N，平均法向力Fz2=1.20N。這是由于主軸轉(zhuǎn)速較大時(shí)，刀具前刀面附近切削范圍內(nèi)的摩擦和變形減小，使得切削過(guò)程中的切削力減??；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速較小時(shí)，排屑速度減慢，切屑堆積，切削力波動(dòng)較大；當(dāng)切削深度增大時(shí)，切削做功增大，切削力增大；當(dāng)進(jìn)給速度較大時(shí)，由于尺寸效應(yīng)，剪切角較小，導(dǎo)致切削力增大。綜上所述，采用第二組切削參數(shù)可使切削力減小，切削過(guò)程更加穩(wěn)定。

4 掃描反射鏡裝夾變形仿真

掃描反射鏡由主副兩面反射鏡和回轉(zhuǎn)軸組成，是典型的薄壁類(lèi)零件，具有剛性差、加工易變形等缺陷，在加工過(guò)程中工件變形易受裝夾方式的影響。針對(duì)掃描反射鏡自身特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出兩種裝夾方式，第一種裝夾方式如圖6a所示，采用軸定位，將掃描反射鏡回轉(zhuǎn)軸通過(guò)螺紋連接固定在夾具上，即藍(lán)色區(qū)域Ⅰ固定；第二種裝夾方式如圖6b所示，選取掃描反射鏡后端面(藍(lán)色區(qū)域Ⅱ)進(jìn)行定位，以粘接的方式將藍(lán)色區(qū)域粘接在夾具盤(pán)上。

(a)固定回轉(zhuǎn)軸

4.1 建立有限元模型

掃描反射鏡飛切加工中由于切削力的存在會(huì)不可避免地產(chǎn)生變形，合適的裝夾方案能較好地控制材料加工變形，基于ANSYS Workbench有限元仿真軟件，分析不同切削力作用下兩種裝夾方式對(duì)工件變形的影響，以此選取最優(yōu)裝夾方案。

如圖7所示，對(duì)掃描反射鏡進(jìn)行裝夾變形仿真，除裝夾部位及反射面外，簡(jiǎn)化不影響仿真精度的細(xì)節(jié)，建立掃描反射鏡有限元模型，使用六面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格質(zhì)量為0.8，滿(mǎn)足有限元分析要求。反射鏡材料設(shè)置為與飛切仿真相同的鋁合金材料，根據(jù)前文所述的裝夾方式對(duì)其進(jìn)行約束，并將切削仿真過(guò)程得到的切削力作為載荷施加到主鏡面，切削力施加示意圖見(jiàn)圖8，分別模擬不同切削位置時(shí)的材料變形。

圖7 掃描反射鏡有限元模型

圖8 對(duì)主鏡面施加切削力

4.2 仿真結(jié)果分析

圖9為掃描反射鏡在不同裝夾方式下的應(yīng)變?cè)茍D，均在區(qū)域①(見(jiàn)圖8)分別施加兩組切削力。圖9a和圖9b是通過(guò)固定回轉(zhuǎn)軸進(jìn)行仿真分析，工件最大變形分別為36.55μm和7.53μm。應(yīng)變?cè)茍D呈扇形擴(kuò)散分布，靠近固定端部分幾乎無(wú)變形，遠(yuǎn)離固定端部分變形量逐漸增大，這是由于采用第一種裝夾方式時(shí)，回轉(zhuǎn)軸一端固定，反射鏡一端為自由端，遠(yuǎn)離支座一端彎矩最大，所以變形最大。

(a)施加Fx1，F(xiàn)z1，固定回轉(zhuǎn)軸

在圖9c和圖9d中，掃描反射鏡通過(guò)固定后端面進(jìn)行仿真分析發(fā)現(xiàn)，工件最大變形分別為14nm和2.62nm。在切削力施加區(qū)域工件表面產(chǎn)生形變，其他區(qū)域幾乎無(wú)變形，這是由于采用這種裝夾方式時(shí)，除中間副鏡面處，其余位置幾乎都處于粘接固定，整個(gè)固定結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，僅在飛切位置處產(chǎn)生亞微米級(jí)變形。對(duì)比可知，采用后端面固定的裝夾方式能夠滿(mǎn)足鋁材掃描反射鏡制造的面形要求。固定回轉(zhuǎn)軸的裝夾方案雖然變形較大，但是這種方法僅需一次裝夾即可完成主副鏡面的加工，因此，可以作為粗加工階段的裝夾方案。

分別模擬兩種裝夾方式下掃描反射鏡在不同切削位置時(shí)的變形，反射鏡主鏡面變形量隨切削位置的變化曲線如圖10所示。當(dāng)采用第一種裝夾方式時(shí)，主鏡面最大變形量沿進(jìn)給方向不斷減小，工件最大變形量發(fā)生在區(qū)域①，達(dá)到36.55μm。這是由于反射鏡主要靠回轉(zhuǎn)軸固定，遠(yuǎn)離支撐的區(qū)域①所受切削力相同，力矩最大，導(dǎo)致變形最大。當(dāng)采用第二種裝夾方式時(shí)，主鏡面最大變形量沿進(jìn)給方向輕微增大，變形量最大達(dá)到52.42nm。

(a)固定回轉(zhuǎn)軸

綜上所述，在裝夾變形仿真過(guò)程中，對(duì)比在相同切削區(qū)域施加不同切削力和不同切削區(qū)域施加相同切削力的條件下兩種裝夾方式產(chǎn)生的變形，結(jié)果表明，采用固定后端面的方式進(jìn)行裝夾所產(chǎn)生的加工變形最小，該裝夾方式較合理。

5 飛切試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證前文分析的準(zhǔn)確性，開(kāi)展單點(diǎn)金剛石飛切機(jī)床車(chē)削掃描反射鏡試驗(yàn)，加工現(xiàn)場(chǎng)如圖11所示，機(jī)床型號(hào)為IL300，夾具采用后端面固定的方式。選取仿真中第二組切削參數(shù)，即主軸轉(zhuǎn)速1800r/min，切削深度5μm，進(jìn)給速度5mm/min，加工后的工件如圖12所示。使用Zygo激光干涉儀對(duì)其進(jìn)行面形檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖13所示，加工后工件面形PV值約為0.186μm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足掃描反射鏡的使用需求。

圖11 飛切加工過(guò)程

圖12 加工后的掃描反射鏡

圖13 加工后工件表面輪廓

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)掃描反射鏡飛切加工中面形精度難以控制的問(wèn)題，通過(guò)飛切過(guò)程和裝夾變形的仿真模擬，研究飛切參數(shù)和裝夾方式對(duì)掃描反射鏡加工變形的影響，主要研究結(jié)論如下。

(1)采用較高的主軸轉(zhuǎn)速、較低的進(jìn)給速度和切削深度，使工件表面應(yīng)力降低，切削力減小，切削過(guò)程穩(wěn)定。

(2)采用掃描反射鏡后端面固定的裝夾方式，使切削過(guò)程穩(wěn)定，整體變形量較小，有效降低加工過(guò)程中面形的變化，提高了加工精度。

(3)進(jìn)行掃描反射鏡飛切加工試驗(yàn)，加工后掃描反射鏡面形誤差PV值為0.186μm，滿(mǎn)足掃描反射鏡使用需求。