論文摘要

論文名稱：薄壁曲面零件五軸側(cè)銑加工過程幾何-力學(xué)仿真及變形誤差刀路補(bǔ)償

論文作者：上海交通大學(xué) / 李洲龍

指導(dǎo)教師：朱利民《研究領(lǐng)域：數(shù)控加工技術(shù)與裝備、機(jī)器人化智能制造裝備》

Yusuf Altintas《研究領(lǐng)域：金屬切削、機(jī)床振動(dòng)、控制和虛擬加工》

五軸側(cè)銑加工因具有極高的加工效率和表面質(zhì)量，在航空航天復(fù)雜零件制造中有著廣泛的應(yīng)用。但由于切削幾何的復(fù)雜性和加工系統(tǒng)的弱剛性，復(fù)雜薄壁件側(cè)銑加工往往容易出現(xiàn)刀具包絡(luò)面與設(shè)計(jì)面幾何失配引起的刀路偏差和時(shí)變強(qiáng)切削力引起的讓刀變形誤差，導(dǎo)致加工精度難以保證。針對(duì)上述問題，本文開展了五軸加工過程的幾何-力學(xué)集成仿真研究，解決了側(cè)銑刀路誤差控制和五軸銑削力精確預(yù)報(bào)的難題，提出了基于刀位修正的加工讓刀變形補(bǔ)償技術(shù)，顯著提高了復(fù)雜薄壁零件的加工精度。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下：

（1）提出了考慮刀具跳動(dòng)的五軸側(cè)銑包絡(luò)面建模與刀路優(yōu)化新方法。推導(dǎo)了刀齒在刀具跳動(dòng)影響下的回轉(zhuǎn)面及掃掠包絡(luò)面表達(dá)式，并依據(jù)加工表面成形原理拼接最外層刀齒包絡(luò)面為刀具有效包絡(luò)面。將考慮跳動(dòng)的側(cè)銑刀路優(yōu)化問題歸結(jié)為刀具有效包絡(luò)面向設(shè)計(jì)曲面的最佳一致逼近問題，通過微量調(diào)整刀軸軌跡實(shí)現(xiàn)了刀具路徑幾何精度的大幅提升。

（2）提出了一種精確高效判定五軸加工中刀具-工件嚙合區(qū)域的弧面求交法?；诘毒哌\(yùn)動(dòng)信息提取了刀具軸向離散可行接觸圓弧集，應(yīng)用弧面相交法及距離場(chǎng)法精確提取了嚙合圓弧段，進(jìn)而軸向插值判定刀具-工件嚙合區(qū)域。該方法降低了計(jì)算維度，解決了傳統(tǒng)實(shí)體建模法計(jì)算效率低、魯棒性差和離散幾何建模法計(jì)算精度低的問題。

（3）提出了一種綜合考慮刀具跳動(dòng)影響和底刃切削效應(yīng)的五軸銑削力預(yù)報(bào)方法。建立了適用于變進(jìn)給、曲線路徑以及刀具跳動(dòng)影響下的五軸加工瞬時(shí)切厚計(jì)算模型，解決了基于經(jīng)典簡(jiǎn)化模型和基于次擺線軌跡模型在切厚計(jì)算中難以兼顧計(jì)算效率和精度的問題。發(fā)展了考慮底刃切削效應(yīng)的平底刀切削力預(yù)報(bào)模型及實(shí)驗(yàn)標(biāo)定方法，解決了現(xiàn)有模型在五軸負(fù)傾角加工工況下切削力預(yù)報(bào)失準(zhǔn)的難題。

（4）提出了適用于復(fù)雜薄壁零件五軸側(cè)銑工況的加工變形預(yù)報(bào)與刀路補(bǔ)償技術(shù)。建立無需網(wǎng)格重劃的工件剛度修正模型，提出了切削力-變形耦合迭代式，探明了五軸側(cè)銑變形映射原理，實(shí)現(xiàn)了薄壁曲面?zhèn)茹娂庸ぷ冃蔚臏?zhǔn)確預(yù)報(bào)。在此基礎(chǔ)上，建立了變形誤差關(guān)于刀軸面調(diào)整的微分關(guān)系，通過刀路優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了融合變形的加工成形面向設(shè)計(jì)曲面的最佳一致逼近，顯著提升了薄壁曲面零件的加工精度。

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論文名稱：軸對(duì)稱非球面之絕對(duì)形狀誤差量測(cè)

論文作者：清華大學(xué) / 林煒晟

指導(dǎo)教師：宋震國(guó)《研究領(lǐng)域：動(dòng)力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、材料應(yīng)用、工具機(jī)系統(tǒng)及液靜壓軸承設(shè)計(jì)》

陳政寰《研究領(lǐng)域：微光學(xué)、繞射光學(xué)、顯示光學(xué)系統(tǒng)與光學(xué)系統(tǒng) 設(shè)計(jì)》

非球面光學(xué)元件表面形貌的干涉量測(cè)因須透過電腦全像片、零透鏡等補(bǔ)償元件提供與待測(cè)元件相匹配之理想非球面波前，故需嚴(yán)謹(jǐn)與復(fù)雜的程序進(jìn)行量測(cè)系統(tǒng)即包含干涉儀內(nèi)部光路系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)誤差、參考球面鏡頭與補(bǔ)償元件等誤差的校正。然而，量測(cè)結(jié)果亦包含鏡片之夾持變形、承受重力之自重變形與量測(cè)環(huán)境的震動(dòng)與氣流擾動(dòng)等資訊，此類誤差源對(duì)中大口徑、量測(cè)光程長(zhǎng)的光學(xué)元件之面形檢測(cè)影響甚重。近年，諸多文獻(xiàn)探討光學(xué)元件的絕對(duì)形狀量測(cè)技術(shù)，透過多組態(tài)的量測(cè)架構(gòu)可將量測(cè)系統(tǒng)的誤差校正至感測(cè)器像數(shù)等級(jí)，但量測(cè)光路架構(gòu)外之誤差源除了重力透過鏡片承受正、負(fù)重力下之量測(cè)平均與透過有限元素分析預(yù)測(cè)外，尚未有一方法可從量測(cè)資訊中判別其影響。本研究提出一絕對(duì)形狀誤差量測(cè)法，透過Zernike coefficient圓周向周期特征將光學(xué)元件表面形貌之非軸對(duì)稱系數(shù)項(xiàng)予以解析，并搭配隨機(jī)球量測(cè)法將軸對(duì)稱系數(shù)項(xiàng)予以解析，解析后之Zernike coefficient經(jīng)重新擬合波前誤差可預(yù)測(cè)在無重力變形下之低空間頻率之形狀誤差。然而，量測(cè)資訊包含了Zernike coefficient可擬合之低空間頻率與不可擬合之中、高空間頻率形狀誤差，將重建后之低空間頻率誤差圖與中、高頻空間頻率誤差圖進(jìn)行迭合即可得到全域高解析之絕對(duì)形狀誤差圖。本研究透過光學(xué)模擬驗(yàn)證方法后并使用三種不同量測(cè)工具對(duì)球面光學(xué)元件進(jìn)行量測(cè)比對(duì)，探討此方法之精確性與再現(xiàn)性。驗(yàn)證后，應(yīng)用于直徑300厘米非球面反射鏡之表面形狀修正拋光使其形狀誤差優(yōu)于波峰-波谷值 0.125波長(zhǎng)之規(guī)格。拋光后將反射鏡組裝于經(jīng)有限元素軟體優(yōu)化設(shè)計(jì)之重力相消夾持機(jī)構(gòu)，將組裝后之形狀誤差與制程階段之量測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，其差異優(yōu)于波鋒-波谷值 0.01波長(zhǎng)與均方根值 0.001波長(zhǎng)。本研究提出之方法除可校正非球面形狀誤差量測(cè)時(shí)之量測(cè)系統(tǒng)誤差外，亦可預(yù)測(cè)在無重力、夾持固鎖變形下之真實(shí)表面形狀誤差，透過擬合平均結(jié)果亦可將環(huán)境干擾的因素予以排除，未來可應(yīng)用于更高精度非球面光學(xué)元件。

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論文名稱：混合磨料柔性拋光工具加工藍(lán)寶石襯底技術(shù)研究

論文作者：華僑大學(xué) / 許永超

指導(dǎo)教師：徐西鵬《研究領(lǐng)域：石材先進(jìn)加工工具與技術(shù)、半導(dǎo)體材料精密超精密磨粒加工新技術(shù)》

陸靜《研究領(lǐng)域：納米材料的表面修飾改性及應(yīng)用、超精密磨拋工具》

由于藍(lán)寶石材料硬度大、脆性高和耐腐蝕，傳統(tǒng)的銅拋和化學(xué)機(jī)械拋光方法存在著加工效率低、成本高和污染環(huán)境等缺點(diǎn)。本文基于固相反應(yīng)原理提出了軟硬混合磨料拋光藍(lán)寶石襯底的新構(gòu)想，開展了針對(duì)藍(lán)寶石襯底的混合磨料拋光技術(shù)研究。

通過理論和試驗(yàn)的方法研究了不同種類軟磨料與藍(lán)寶石在研拋條件下的反應(yīng)活性。研究表明在摩擦力誘導(dǎo)的條件下，二氧化硅較氧化鎂和氧化鐵磨料對(duì)藍(lán)寶石具有更高的反應(yīng)活性，最易與藍(lán)寶石發(fā)生固相化學(xué)反應(yīng)生成硅酸鋁鹽。

通過制備混合磨料半固結(jié)柔性拋光盤進(jìn)行藍(lán)寶石襯底的拋光試驗(yàn)。結(jié)果表明當(dāng)軟質(zhì)磨料的化學(xué)反應(yīng)作用和硬質(zhì)磨料的機(jī)械去除作用達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，軟硬混合磨料較單一硬質(zhì)磨料的材料去除率提高了52.63%，同時(shí)表面粗糙度Sa降低了19.55%。分析了軟硬混合磨料的去除機(jī)理，建立了混合磨料的材料去除模型。經(jīng)過機(jī)械接觸-反應(yīng)層預(yù)生成-反應(yīng)層生成-反應(yīng)層去除四個(gè)階段實(shí)現(xiàn)了材料去除。

探索了高活性磨料和環(huán)境友好型的酸堿性加工環(huán)境協(xié)調(diào)混合磨料加工過程中化學(xué)作用與機(jī)械作用之間的匹配性。結(jié)果表明采用高活性軟磨料和合適的有機(jī)酸堿化合物有效提高了加工表面質(zhì)量和加工效率。

通過制備核殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合磨料改變軟磨料的受力方式以促進(jìn)混合磨料的加工性能。結(jié)果表明金剛石/羥基氧化鐵復(fù)合磨料能夠有效減小晶片表面劃痕深度，且羥基氧化鐵殼層能夠增強(qiáng)拋光盤基體對(duì)金剛石磨粒的把持力，有效地延長(zhǎng)了拋光工具的使用壽命。

提出了以混合磨料柔性拋光工具和氣液輔助化學(xué)機(jī)械拋光的新工藝取代傳統(tǒng)的銅拋和化學(xué)機(jī)械拋光工藝來獲得超光滑無損傷表面的新工藝，使得藍(lán)寶石晶片在粗拋光階段的加工時(shí)間縮短至50min，加工效率提高了將近65%。

本文的研究豐富了藍(lán)寶石襯底拋光技術(shù)的思路和方法，對(duì)實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石襯底的高效率、高質(zhì)量和無污染的拋光加工具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

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