CN102837006A - 粘弹性材料在超精密车削悬臂类光学零件中的应用 - Google Patents

粘弹性材料在超精密车削悬臂类光学零件中的应用 Download PDF

Info

Publication number
CN102837006A
CN102837006A CN2012103222226A CN201210322222A CN102837006A CN 102837006 A CN102837006 A CN 102837006A CN 2012103222226 A CN2012103222226 A CN 2012103222226A CN 201210322222 A CN201210322222 A CN 201210322222A CN 102837006 A CN102837006 A CN 102837006A
Authority
CN
China
Prior art keywords
optical element
viscoelastic material
cantilever type
type optical
anchor clamps
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN2012103222226A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102837006B (zh
Inventor
尹自强
戴一帆
铁贵鹏
李圣怡
闫惠刚
田富竟
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National University of Defense Technology
Original Assignee
National University of Defense Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National University of Defense Technology filed Critical National University of Defense Technology
Priority to CN201210322222.6A priority Critical patent/CN102837006B/zh
Publication of CN102837006A publication Critical patent/CN102837006A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102837006B publication Critical patent/CN102837006B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Jigs For Machine Tools (AREA)

Abstract

本发明公开了一种粘弹性材料在超精密车削悬臂类光学零件中作为夹具的柔性支撑结构的应用。该粘弹性材料特别是指在不同频率力的作用下具有不同的力学特性的材料。例如，当悬臂类光学零件装夹到夹具或者从夹具上卸载时，粘弹性材料表现出流动性；当悬臂类光学零件处于装夹后的车削加工过程中时，粘弹性材料会表现出固体性。本发明的应用不仅操作简单、使用方便快捷，而且能充分保证光学零件加工的高精度和高效率。

Description

粘弹性材料在超精密车削悬臂类光学零件中的应用
技术领域
本发明涉及光学零件的单点金刚石超精密切削加工领域，尤其涉及悬臂类低结构刚度光学零件的超精密切削加工方法。
背景技术
在现代光学系统中，尤其在航空航天设备中，对成像系统的轻质化和空间结构的紧凑化要求越来越高，一些薄壁和悬臂光学元件被光学设计师大量采用。铝合金材料由于密度小、造价低、导热性高、生产成本低，已经被广泛应用于红外空间反射镜系统中。铝合金材料最有效的加工方法是单点金刚石车削（SPDT）技术。利用此项技术加工出的铝合金光学零件，能够达到亚微米级的面形精度和纳米级的表面粗糙度，同时能够加工非球面及自由曲面等复杂曲面，具有很高的加工效率。但是在用单点金刚石车削技术加工悬臂类光学零件时，由于零件的结构刚度很低，较小的切削力便会使得工件发生弯曲和振颤，导致切削厚度的剧烈变化，加工后的光学零件无法满足指标中要求的面形精度和表面质量。同时，刀具和工件之间长时间的振颤会加速刀具磨损，严重时会影响加工系统的寿命。
对于悬壁类低结构刚度光学零件的加工已有不少学者进行过研究，主要是用力学方法进行切削力模型的建立、借助有限元仿真工具进行悬臂零件在加工过程中的材料去除和受力变形仿真等理论研究，尚未见到成熟的工艺方法实现此类光学零件亚微米级面形精度和纳米级粗糙度的加工要求。因此，研究更先进的悬臂类低结构刚度光学零件的单点金刚石车削加工工艺，对空间反射镜的高精度、高效率制造具有重要意义。
在悬臂类低结构刚度光学零件的加工中，如果不引入支撑直接对零件进行车削，由于切削力的激励使得低结构刚度的悬臂部分产生振颤，严重恶化了加工后的形状精度和表面粗糙度，同时加剧刀具磨损，影响加工系统的寿命；如果采用刚性支撑增加低结构部分的刚度，可以有效避免悬臂部分的振颤，得到纳米级的表面粗糙度，但是在装夹和拆卸时会使零件产生装夹变形，影响最终加工的面形精度；而柔性的支撑方法无法提供足够的结构刚度，支撑效果不显著。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种粘弹性材料在超精密车削悬臂类光学零件中作为柔性支撑结构的应用，该应用不仅操作简单、使用方便快捷，而且能充分保证光学零件加工的高精度和高效率。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种粘弹性材料在超精密车削悬臂类光学零件中作为夹具的柔性支撑结构（例如柔性支撑层）的应用。
上述的应用中，所述粘弹性材料优选是在不同频率力（周期性变化）的作用下具有不同的力学特性。
上述的应用中，更优选的，当所述悬臂类光学零件装夹到夹具或者从夹具上卸载时，所述粘弹性材料表现出流动性（流体性质）；当所述悬臂类光学零件处于装夹后的车削加工过程中时，所述粘弹性材料表现出固体性。
上述的应用中，所述粘弹性材料优选为傻油泥（silly putty）。
上述本发明的应用方案，创造性地利用粘弹性材料为悬臂类光学零件的加工提供有效支撑，特别是充分利用粘弹性材料在不同时间尺度上的不同力学特性，使其在加工过程中提供足够的结构刚度和加工时所需的支撑力（即在加工过程中充分利用粘弹性材料在短的时间尺度上的弹性固体的力学特性），避免切削力引起的工件变形和振颤，同时在装夹和拆卸过程中对光学零件表面作用力极其微小（即在光学零件的装夹和拆卸过程中充分利用粘弹性材料在长的时间尺度上的粘性液体的力学特性），避免了光学零件的受力变形，真正实现了悬臂类低结构刚度光学零件的亚微米面形精度和纳米粗糙度的高精度、高效率加工。
上述的应用中，所述应用的具体步骤包括：
（1）将待加工的悬臂类光学零件与超精密车削用的夹具进行组装，使悬臂类光学零件的支座部通过连接件与夹具紧密相连，并使悬臂类光学零件的悬臂部与夹具的顶面间隔开一道缝隙；
（2）在该缝隙中填充所述的粘弹性材料；
（3）将步骤（2）中填充完粘弹性材料的组装体置于单点金刚石车削加工设备中进行超精密车削加工；
（4）步骤（3）的加工完成后去除所述粘弹性材料，卸掉夹具，即得到加工后的悬臂类光学零件。
上述的应用中，所述悬臂类光学零件优选为铝合金材质；其弹性模量一般约为69.9Gpa，泊松比一般为0.3。
上述的应用中，所述悬臂部的厚度与所述缝隙的厚度的比值一般为2∶1左右。
上述的应用中，所述步骤（4）中优选是采用刀片机械去除所述粘弹性材料或者采用溶剂溶解去除所述粘弹性材料。
与现有技术相比，本发明致力于寻找一种对悬臂类光学零件的高精密切削加工提供有效支撑的方法，本发明技术方案的优点突出体现在：利用粘弹性材料在不同频率激励作用下的不同物理力学性质，实现了悬臂类低结构刚度光学零件的柔性装夹，避免了装夹和拆卸时造成的零件受力变形；在加工中能够提供足够的刚性支撑（支撑力），避免了切削力引起的刀具-工件之间的振颤；夹具设计亦无需高精度的尺寸要求，设计和操作非常简单，使用极为方便、快捷，这使得本发明在悬臂类光学零件的加工时既能提供足够的结构刚度又能在装夹拆卸时不影响工件的面形精度。本发明提供了一种有效的悬臂类光学零件的装夹支撑方式，真正实现了对悬臂类光学零件的高精度、高表面质量的加工。
附图说明
图1为本发明实施例中悬臂类低结构刚度光学零件的结构示意图。
图2为本发明实施例中悬臂类低结构刚度光学零件的夹具结构示意图。
图3为本发明实施例中悬臂类低结构刚度光学零件与其夹具组装体的结构示意图。
图4为本发明实施例中使用的粘弹性材料——傻油泥的外观照片。
图5为本发明实施例中使用的傻油泥的弹性模量曲线。
图6为本发明实施例中加入傻油泥支撑层后的零件夹具组装体外形照片。
图7为本发明实施例中拆下零件前的面形图。
图8为本发明实施例中拆下零件后的面形图。
图9为本发明实施例中加入粘弹性支撑层后的光学零件经切削加工应用后的照片。
图10为本发明对比例中未设置粘弹性支撑层后的光学零件经切削加工应用后的照片。
图例说明：
1. 悬臂部； 2. 支座部； 3. 连接件； 4. 支撑层； 5. 夹具。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例：
一种本发明粘弹性材料在超精密车削悬臂类光学零件中作为夹具的柔性支撑层的应用。
本实施例选用的粘弹性材料为图4所示的傻油泥。如图5所示，本发明的粘弹性材料傻油泥在不同频率力的作用下具有不同的力学特性。根据该力学特性可知，本实施例中的傻油泥作为柔性支撑结构应用时，当悬臂类光学零件装夹到夹具或者从夹具上卸载时，傻油泥会表现出流动性；当悬臂类光学零件处于装夹后的车削加工过程中时，傻油泥会表现出固体性。
上述应用的具体步骤包括：
（1）本实施例使用的是如图1所示的矩形悬臂类低结构刚度光学零件，其材料为铝合金，牌号为6061-T651，弹性模量E=69.9Gpa，泊松比λ=0.3，密度ρ=2700kg/m3；其悬臂部1的长和宽均为30mm，厚度为2mm；本实施例使用的夹具5如图2所示，夹具设计无需高精度的尺寸要求，只需保证夹具与待支撑的悬臂部1存在一定间隙即可，以用于放置粘弹性材料；将本实施例待加工的悬臂类光学零件与超精密车削用的夹具5进行组装，使该光学零件的支座部2通过连接件3与夹具5紧密相连，并使该光学零件的悬臂部1与夹具5的顶面间隔开一道1mm的缝隙，用于填充傻油泥；组装后得到的组装体如图3所示；
（2）在上述步骤（1）形成的缝隙中填充本实施例的粘弹性材料——傻油泥，使其作为切削加工过程中的支撑层4，填充后的外观如图6所示；
（3）将步骤（2）中填充完粘弹性材料的组装体置于单点金刚石车削加工设备中进行超精密车削加工；
（4）步骤（3）的加工完成后用刀片（或用溶液）去除傻油泥支撑层4，卸掉夹具5，即得到加工后的悬臂类光学零件。
经检测，本实施例拆下光学零件前后的面形图分别如图7和图8所示，拆卸前后光学零件的面形误差PV值分别为1.365λ(λ=632.8nm)和1.477λ，且两者的分布没有明显区别，验证了傻油泥在装夹和拆卸时不会引起悬臂零件面形的显著变化。
本实施例的应用中同时以未设置本发明粘弹性材料层的普通应用方法作为对照，本实施例和对照例分别经切削加工应用后的质量照片如图9和图10所示。由图9可见，悬臂光学零件表面没有发生振颤现象，整个表面均为光学镜面，后续表面粗糙度测量结果显示，整个表面的粗糙度为5nm(Ra)左右。由图10可见，悬臂光学零件的悬臂部分存在明显的振颤波纹，严重恶化了表面质量，悬臂部分的表面已经无法达到光学表面的要求，后续表面粗糙度测量结果显示，振颤波纹最边缘处表面粗糙度达到了592nm(Ra)。对比这两张照片可以清晰地看到本发明方法的有效性。
本实施例创造性地利用粘弹性材料——傻油泥为悬臂类光学零件的加工提供有效支撑，特别是充分利用傻油泥在不同时间尺度上的不同力学特性，使其在加工过程中提供足够的结构刚度和加工时所需的支撑力（即在加工过程中充分利用傻油泥在短的时间尺度上的弹性固体的力学特性），避免切削力引起的工件变形和振颤，同时在装夹和拆卸过程中对光学零件表面作用力极其微小（即在光学零件的装夹和拆卸过程中充分利用傻油泥在长的时间尺度上的粘性液体的力学特性），避免了光学零件的受力变形，真正实现了悬臂类低结构刚度光学零件的亚微米面形精度和纳米粗糙度的高精度、高效率加工。

Claims (7)

1.一种粘弹性材料在超精密车削悬臂类光学零件中作为夹具的柔性支撑结构的应用。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述粘弹性材料在不同频率力的作用下具有不同的力学特性。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：当所述悬臂类光学零件装夹到夹具或者从夹具上卸载时，所述粘弹性材料表现出流动性；当所述悬臂类光学零件处于装夹后的车削加工过程中时，所述粘弹性材料表现出固体性。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于：所述粘弹性材料为傻油泥。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的应用，其特征在于，所述应用的具体步骤包括：
（1）将待加工的悬臂类光学零件与超精密车削用的夹具进行组装，使悬臂类光学零件的支座部通过连接件与夹具紧密相连，并使悬臂类光学零件的悬臂部与夹具的顶面间隔开一道缝隙；
（2）在该缝隙中填充所述的粘弹性材料；
（3）将步骤（2）中填充完粘弹性材料的组装体置于单点金刚石车削加工设备中进行超精密车削加工；
（4）步骤（3）的加工完成后去除所述粘弹性材料，卸掉夹具，即得到加工后的悬臂类光学零件。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：所述悬臂类光学零件为铝合金材质。
7.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：所述步骤（4）中是采用刀片机械去除所述粘弹性材料或者采用溶剂溶解去除所述粘弹性材料。
CN201210322222.6A 2012-09-04 2012-09-04 粘弹性材料在超精密车削悬臂类光学零件中的应用 Active CN102837006B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210322222.6A CN102837006B (zh) 2012-09-04 2012-09-04 粘弹性材料在超精密车削悬臂类光学零件中的应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210322222.6A CN102837006B (zh) 2012-09-04 2012-09-04 粘弹性材料在超精密车削悬臂类光学零件中的应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102837006A true CN102837006A (zh) 2012-12-26
CN102837006B CN102837006B (zh) 2014-11-05

Family

ID=47364879

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201210322222.6A Active CN102837006B (zh) 2012-09-04 2012-09-04 粘弹性材料在超精密车削悬臂类光学零件中的应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102837006B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109352360B (zh) * 2018-11-15 2021-01-01 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所 因瓦合金材质低刚性悬臂零件减少共振的机械加工方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02269513A (ja) * 1989-04-11 1990-11-02 Fujii Seimitsu Kogyo Kk 機械加工用のワーク把持ジグ
JPH1071501A (ja) * 1996-06-25 1998-03-17 Canon Kasei Kk 円筒部材保持具と該円筒部材保持具を備えた加工装置及び加工方法
WO1999032257A1 (en) * 1997-12-22 1999-07-01 Unova Ip Corp. Tombstone fixture
WO2011052421A1 (ja) * 2009-10-30 2011-05-05 ユキワ精工 株式会社 工具保持体
CN102348532A (zh) * 2009-03-27 2012-02-08 村田机械株式会社 双轴机床

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02269513A (ja) * 1989-04-11 1990-11-02 Fujii Seimitsu Kogyo Kk 機械加工用のワーク把持ジグ
JPH1071501A (ja) * 1996-06-25 1998-03-17 Canon Kasei Kk 円筒部材保持具と該円筒部材保持具を備えた加工装置及び加工方法
WO1999032257A1 (en) * 1997-12-22 1999-07-01 Unova Ip Corp. Tombstone fixture
CN102348532A (zh) * 2009-03-27 2012-02-08 村田机械株式会社 双轴机床
WO2011052421A1 (ja) * 2009-10-30 2011-05-05 ユキワ精工 株式会社 工具保持体

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109352360B (zh) * 2018-11-15 2021-01-01 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所 因瓦合金材质低刚性悬臂零件减少共振的机械加工方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN102837006B (zh) 2014-11-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ng et al. Experimental study of micro-and nano-scale cutting of aluminum 7075-T6
Esmaeilzare et al. Investigation of subsurface damages and surface roughness in grinding process of Zerodur® glass–ceramic
Zong et al. Conservation law of surface roughness in single point diamond turning
Maurotto et al. Enhanced ultrasonically assisted turning of a β-titanium alloy
CN102519869B (zh) 一种利用点接触开/闭式销－盘摩擦系统测试切削粘结摩擦特性的方法
CN103769810B (zh) U型支架组合同轴度精度控制工艺
CN108318952B (zh) 基于3D打印和金刚石切削加工的SiC光学反射镜的制造工艺
Kang et al. Study on ultrasonic vibration–assisted cutting of Nomex honeycomb cores
CN201540106U (zh) 一种精密铸造涡轮叶片的测量夹具
CN103252623A (zh) 一种利用真空吸盘装夹可变壁厚的薄壁件的加工方法
Sun et al. Analytical and experimental study on micro-grinding surface-generated mechanism of DD5 single-crystal superalloy using micro-diamond pencil grinding tool
Min et al. A study on initial contact detection for precision micro-mold and surface generation of vertical side walls in micromachining
CN102615520A (zh) 复合材料薄壁件夹具及使用该夹具加工复合材料的方法
Wdowik et al. Measurements of surface texture parameters after ultrasonic assisted and conventional grinding of ZrO2 based ceramic material characterized by different states of sintering
Liu et al. Burr formation mechanism of ultraprecision cutting for microgrooves on nickel phosphide in consideration of the diamond tool edge radius
CN102837006B (zh) 粘弹性材料在超精密车削悬臂类光学零件中的应用
Park et al. Research on the design of the ultra-high-precision positioning control error compensation
Doetz et al. Ductile mode single point diamond turning (SPDT) of binderless tungsten carbide molds
Fu et al. Influence of the heat deformation of ultra-precision fly cutting tools on KDP crystal surface microstructure
Zheng et al. Transverse forced vibration of a diamond wire under support excitations
Tian et al. Theoretical and experimental investigation of material removal rate in magnetorheological shear thickening polishing of Ti–6Al–4V alloy
Zhong et al. Diamond turning of a metal matrix composite with ultrasonic vibrations
Xie et al. Research on rhenium–iridium alloy coating on microgroove molds in precision glass molding
Deichmueller et al. Modeling of process machine interactions in tool grinding
Fan et al. Wall-slip characteristics of viscoelastic abrasive medium in abrasive flow machining process

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant