CN115041925A - 一种保形加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种保形加工方法，其通过在毛坯态的光学元件与安装框架之间添加填充介质，并使毛坯态的光学元件、安装框架以及填充介质一同加工成形，在保证光学元件形位精度的同时还消除了保形面的缝隙从而使保形面平整光滑，并通过在限制光学元件相对位置的限位凸起上加工出消应力结构，降低了加工过程中对光学元件与安装框架的精度要求，同时通过使用并加工出材料性质与空间形状尺寸能够互相配合的零部件使被加工对象产生热应力消除性质以及适应压强变化和抗冲击振动的能力；本保形加工方法克服了现有加工方法存在的保形面有间隙、光学元件难以直接获得高的形位精度、加工出的装置性能不够稳定以及对零部件精度要求高加工难度大等问题。

Description

一种保形加工方法

技术领域

本发明属于保形加工技术领域，具体涉及一种保形加工方法。

背景技术

对于一些应用于高速流体中的光学仪器而言往往需要满足一定的气动外形，例如高速飞行的保形头罩，其为了达到降低阻力的目的，就需要特定形状的表面，且该表面必须平整光滑，同时为了实现观测等光学功能，又必须安装透镜等光学元件，且光学元件还不能破坏头罩的气动外形，因此如何通过对材料不同的光学元件与安装框架进行加工从而获得光滑平整的保形面便成为了一个难点问题。因应用于保形装置的光学元件不仅自身光学面需要满足高的形状精度，而且还需与其他光学元件保持高的位置精度，对于透镜类光学元件，自身的多个光学面之间也需达到高的位置精度。而常规加工方法通过单独加工光学元件与安装框架，再经过人工装调的方式使装置满足精度要求，十分耗时费力，很难实现保形装置批量制造的需求。同时为了实现保形面的平整光滑，已有的加工方法是通过分别将光学元件与安装框架的定位安装面加工至很高的精度，以将两者安装结合部位产生的间隙尽可能缩小，从而实现平整光滑的效果，但由于应用于保形装置的光学元件大都是内嵌在安装框架上的，使得安装框架的安装面具有封闭性，甚至安装框架的安装面还可能为曲面，因此很难加工出精度很高的定位安装面；同时由于保形装置的光学元件大都是非圆的，且厚度较薄，加之其材料的硬脆特性，也很难对其加工出精度很高的安装定位面；即使能够在安装框架和光学元件上加工出高精度的安装定位面，但为了安装需要也必须预留一定的间隙，因此也很难完全达到保形面平整光滑的效果。而即使在将光学元件安装在安装框架的过程中使用了粘结剂，其目的也是为了固定光学元件，同时因粘结剂的厚度较薄，且不能够覆盖光学元件与安装框架的间隙与保形面的交界处等原因，使得使用粘结剂并不能解决常规加工方法无法使保形面平整光滑的问题。同时因应用于高速流体的保形装置会经历压强和温度的急剧变化以及冲击振动等恶劣环境，例如高速飞行的保形头罩其外表面的压强会降低，同时因摩擦其外表面的温度将升高，而且还会因高速飞行而承受冲击与振动，而现有加工方法加工出的保形装置因缺乏温度适应性与缓冲结构等大都只能在较为稳定的环境下满足精度要求，而当实际工况较为恶劣时便很难保证装置形位精度的稳定性。因此目前还缺乏一种能够在使保形面真正平整光滑的同时还能使保形装置不经过装调便能满足精度要求、同时还能保证加工出的装置能够适应恶劣工作环境且对加工要求不高的保形加工方法。

发明内容

为了针对性地克服现有保形加工方法存在的对零部件精度要求高加工难度大、不能完全消除光学元件与安装框架结合面间的间隙、不能直接使装置获得所需形位精度而需装调以及不能使加工后的装置适应恶劣工作环境等问题，本发明提出了一种能够降低对零部件的加工精度要求、能够使光学元件与安装框架的结合面光滑平整、能够让光学元件与安装框架直接获得所需形位精度并可让加工出的保形装置产生热应力消除性质与适应压强变化和抗冲击振动的保形加工方法。

本发明是采用以下技术方案实现的：

一种保形加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、对所需零件进行备料并加工出大致形状，留足后续工序的加工余量；

步骤二、加工出光学元件的毛坯件，将毛坯态光学元件的定位面加工至设计尺寸，并留足毛坯态光学元件光学面后续加工的加工余量；

步骤三、在安装框架上加工出用于安装毛坯态光学元件的安装面，所述安装面组成的安装空间按设计参数大于待安装的毛坯态光学元件，以便在毛坯态光学元件安装后与安装框架之间形成预定空隙，从而在预定空隙中注入填充介质；并在所述安装面上加工或安装限位凸起，所述限位凸起在待加工的保形面侧不突出于安装框架，且距保形面有相应距离，从而使填充介质能够完全覆盖安装框架的安装面与毛坯态光学元件的相应定位面，该相应距离指使保形面加工后限位凸起仍不突出于保形面且让该处填充介质有足够厚度以保证自身强度的距离，所述限位凸起可竖向和横向布置多个，以更好的对光学元件发挥定位和支撑作用并加强填充介质，同时也可更好的调节单个限位凸起的刚度和体积等属性；

步骤四、将加工好的导流件安装在安装框架的相应一侧，该相应一侧指后续对注入的填充介质起截流引导而不使其流出的一侧，同时导流件还可作为后续安装毛坯态光学元件的辅助定位件；

步骤五、将加工好的毛坯态光学元件安装在安装框架被加工出的安装面所构成的安装空间内，并通过限位凸起以及导流件的辅助确定毛坯态光学元件的位置，安装后安装框架的安装面与毛坯态光学元件相对应的定位面间留有预定的空隙，该预定空隙用于后续注入填充介质；

步骤六、向安装框架、毛坯态光学元件以及导流件共同形成的腔体内注入具有一定流动性质的填充介质，流动性使得填充介质能够适应安装框架安装面与毛坯态光学元件相对应定位面的任意形态和各种加工误差，该填充介质凝固稳定后能够填充安装框架的安装面与毛坯态光学元件相对应的定位面间留有的预定空隙，且具有一定强度从而能够固定光学元件，同时便于后续加工，在经过相应加工工序后能够形成光滑平整且牢固可靠的表面；

步骤七、待注入的填充介质凝固稳定后去除掉导流件；

步骤八、将去除导流件后的安装框架连同毛坯态光学元件以及填充介质一起装夹在加工机床上；

步骤九、使用相应加工机床对安装框架、填充介质以及毛坯态光学元件组成的待加工保形装置进行加工；

步骤十、对完成加工后的保形装置尤其是光学元件进行精度检测，若检测不合格则重复加工和检测步骤，直至检测合格；

导流件可作为安装框架的一部分在步骤三中随安装框架的安装面一同加工，则导流件便在步骤九中随安装框架、填充介质以及毛坯态光学元件的加工一同被去除；

当安装框架与毛坯态光学元件的多面都需进行保形加工时，在注入填充介质前将其余所需导流件适时安装在安装框架以及毛坯态光学元件的相应部位，以便后续注入填充介质后可以在毛坯态光学元件与安装框架的相应面均形成完全的填充覆盖；

在导流件是安装在安装框架上的情况下，导流件可在安装框架连同毛坯态光学元件以及填充介质一起装夹在加工机床上后再去除，在导流件不影响后续加工的情况下也可不去除，而随安装框架、填充介质以及毛坯态光学元件的后续加工一同被去除；

在不具备测量条件或加工质量可控可信的情况下可取消测量步骤，而可通过装置的实际性能效果检验加工结果；

在毛坯态光学元件可由限位凸起确定位置的情况下，例如将光学元件粘接在限位凸起上，导流件可在毛坯态光学元件安装在限位凸起上后再适时安装于安装框架上。

进一步地，在限位凸起上加工出消应力结构，所述消应力结构具有多向性且至少有一个消应力方向与限位凸起对光学元件的限位方向相同，如此便既能在毛坯态光学元件安装时允许毛坯态光学元件、限位凸起以及安装框架等多个零件存在一定的加工误差，同时又能降低恶劣环境引起的应力影响。

进一步地，在步骤三中加工限位凸起时加工至一般精度即可，因消应力结构的存在，使得即使限位凸起尺寸稍大也可以允许对毛坯态光学元件产生一定压力，而若限位凸起的尺寸稍小，毛坯态光学元件也有足够的加工余量，让最终面形落在余量的包络中。

进一步地，将光学元件、安装框架以及限位凸起加工至设计尺寸，使光学元件、安装框架以及填充介质的空间尺寸与材料性质之间相互配合，产生热应力消除性质，如此便可极大降低温度变化对保形装置性能的影响。

进一步地，在步骤六中注入的填充介质由一种或多种材料组成，并可分批次多次注入填充介质，使填充介质在横向或竖向形成分层结构从而发挥其在力学以及稳定性等方面的优势，填充介质对与自身相接触的安装框架以及光学元件具有亲和性，其中多种材料可提高填充介质材料选择的自由度，而亲和性能够使填充介质与光学元件和安装框架的结合更加紧密，进而使加工后的保形面尤其是不同零件的交界处更加平整光滑。

进一步地，因限位凸起消应力结构的存在，且毛坯态光学元件待加工光学面留有足够的加工余量，以及具有流动性填充介质的填充作用等允许一定误差存在的因素，在步骤二中加工毛坯态光学元件的定位面时加工至一般精度即可，因即使毛坯态光学元件的定位面存在一定误差也能保证其光学面被加工后的形位精度。

进一步地，因限位凸起消应力结构的存在，且毛坯态光学元件待加工光学面留有足够加工余量，以及具有流动性填充介质的填充作用等允许一定误差存在的因素，在步骤三中加工安装框架上用于安装毛坯态光学元件的安装面时加工至一般精度即可。

进一步地，导流件自身或通过组合形成的凹槽可完全覆盖安装框架与光学元件相应安装面与定位面形成的空隙，并跨越安装框架与光学元件，使得注入的填充剂能够外延至覆盖一部分的安装框架与光学元件，进而确保填充介质完全覆盖光学元件与安装框架之间的空隙与保形面的交界处。

进一步地，在导流件需从安装框架上取下的情况下，导流件自身材料与填充介质的材料不亲和，或在注入填充介质前于导流件表面涂抹不与填充介质材料亲和的涂料，或覆盖不与填充介质材料亲和的薄膜，以便在填充介质凝固稳定后取下导流件而不破坏填充介质。

进一步地，适时向填充介质中加入网状增强结构，所述网状增强结构距待加工的保形面有相应距离，网状增强结构能使填充介质更加牢固的同时也可调节填充介质的整体刚度，同时也能增加填充介质的整体韧性，与待加工保形面保持相应距离是为了防止加工后网状增强结构露出保形面而破坏保形面的平整光滑度。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

一种保形加工方法，其通过在毛坯态的光学元件与安装框架之间添加填充介质，并使毛坯态的光学元件、安装框架以及填充介质一同加工成形，在保证光学元件初始形位精度的同时还消除了保形面的缝隙从而使保形面平整光滑，使得加工出的光学元件与安装框架真正融为一体；并通过在限制光学元件相对位置的限位凸起上加工出消应力结构，同时在毛坯态光学元件待加工的光学面预留了足够的加工余量，以及注入具有流动性填充介质等能够允许一定误差存在的因素，使得光学元件、安装框架以及限位凸起等零部件互相配合的所有安装定位面均只需达到一般精度即可，降低了加工过程中对光学元件、安装框架以及限位凸起等零部件的精度要求；同时通过使用并加工出材料性质与空间形状尺寸能够互相配合的零部件使被加工对象产生热应力消除性质以及抵抗压强变化和冲击振动的能力，使得被加工的保形装置能够提升其形位精度的稳定性进而提高了加工过程的可靠性与恶劣工作环境的适应能力。本保形加工方法克服了现有加工方法存在的保形面有间隙、光学元件难以直接获得高的形位精度、加工出的装置性能不够稳定以及对零部件精度要求高加工难度大等问题。

附图说明

图1为本发明中管道和光学侧窗的结构示意图；

图2为本发明中限位凸起的结构示意图；

图3为本发明中内导流件安装后的结构示意图；

图4为本发明中毛坯态光学侧窗安装后的结构示意图；

图5为本发明中外导流件安装后的结构示意图；

图6为本发明中填充介质注入前待加工保形装置的结构示意图；

图7为本发明中填充介质注入后待加工保形装置的结构示意图；

图8为本发明中填充介质注入后待加工保形装置的剖面结构示意图；

图9为本发明中去除内、外导流件后待加工保形装置的结构示意图；

图10为本发明中去除内、外导流件后待加工保形装置的剖面结构示意图；

图11为本发明中保形装置的装夹示意图；

图12为本发明中保形装置加工完成后的结构示意图；

图13为本发明中限位凸起的应力消除结构示意图；

图14为本发明中双光学侧窗结构示意图；

图15为本发明中无消应力结构的限位凸起示意图。

图例说明：1：管道，2：光学侧窗， 3：限位凸起，4：内导流件， 5：外导流件， 6：填充介质， 7：转接盘， 8：主轴， 9：管道安装面， 10：侧窗定位面。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，包括附图在内的描述仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如附图1-15所示，为清楚地展示本发明的原理及工作过程，本实施例通过一管道类保形装置的加工过程给出较为典型的实施方案，但以下案仅为本发明的一个典型实施例，并不能代表本发明的全部方案。

如图例所示的管道类保形装置，其用于观测管体内部高速流体的流态，为了不引入外界误差，需在实现观测功能的同时不破坏管道原本的形态，则必须使光学侧窗2的内表面与管道1即安装框架的内表面保持同样的形状即实现保形，且不允许保形面存在局部的凸凹与间隙，否则也会对高速流体产生影响，因此可采用本发明提出的加工方法实现该管道类保形装置的保形加工。

本管道类保形装置中的光学侧窗2可看作一块透镜，其材质为可车削的光学材料，同时其作为光学元件，自身为非圆形状，且厚度较薄，因此很难加工出高精度的定位面；而管道1作为安装框架，因光学侧窗2需内嵌在管道1上，因此其安装光学侧窗2的管道安装面9构成封闭的矩形，也很难被高精度加工；加之为了便于安装，管道安装面9构成的矩形应略大于光学侧窗2的整体尺寸；而常规加工方法中即使使用粘结剂也主要是为了将光学侧窗2固定在管道1上，并不具备完全填充间隙的作用。以上因素导致了使用传统加工方法在侧窗定位面10与管道安装面9结合处将不可避免的会出现间隙。

与此同时，光学材料的热膨胀系数与金属材料的热膨胀系数往往有较大差别，这便导致即使能够加工出高精度的侧窗定位面10与管道安装面9并通过两者之间的紧密配合尽可能地消除间隙，但当工作环境存在温度等变化时，管道1也会因与光学侧窗2的热变形量不同而对光学侧窗2产生挤压或剥离等情况，将可能造成光学侧窗2的变形甚至是破坏或是脱胶、拉扯等结果；而当因流体高速流动造成压强变化时，若为了消除间隙使光学侧窗2与管道1配合过于紧密，同样会因变形对保形装置的性能造成影响；同时因应用于高速流体的保形装置环境振动频率较高，故容易使保形装置发生共振，而共振造成的冲击也会影响传统加工方法加工出的无缓冲的保形装置的性能。

如图14所示，当在管道1上需安装多个光学侧窗2以彼此配合共同实现观测功能时，多个光学侧窗2之间还需保持高的位置精度，同时对于本透镜类光学侧窗2而言，其自身的两个光学面之间也需达到高的位置精度，而常规加工方法通过单独加工光学侧窗2与管道1，再经过人工装调的方式使装置满足精度要求，十分耗时费力，很难满足批量制造的需求。

因此传统的加工方法很难克服上述彼此矛盾的问题。

对该管道类保形装置的加工可按照如下方法进行：

步骤一、对所需零件进行备料并加工出大致形状，留足后续工序的加工余量；

步骤二、加工出光学侧窗2的毛坯件，将毛坯态光学侧窗2的侧窗定位面10加工至所需尺寸，并留足毛坯态光学侧窗2两光学面后续加工的加工余量，该加工余量可适当多留，以便为其余零件预留更多的误差空间；

步骤三、在管道1上加工出用于安装毛坯态光学侧窗2的管道安装面9，管道安装面9所组成的矩形安装空间按设计参数大于待安装的毛坯态光学侧窗2的整体外形尺寸，以便在毛坯态光学侧窗2安装后与管道1形成预定空隙，从而在预定空隙中注入填充介质6；并在管道安装面9上加工或安装限位凸起3，限位凸起3在待加工的管道内壁保形面侧不突出于管道1的内表面，且距管道1的内表面有相应距离，从而使填充介质6能够完全覆盖管道安装面9与侧窗定位面10并保证一定强度；该相应距离指使保形面加工后限位凸起3仍不突出于保形面且让该处填充介质有足够厚度以保证自身强度的距离；限位凸起3可根据光学侧窗2的形状大小等实际情况在管道安装面9的竖向和横向布置多个，如图14所示，以更好的对光学侧窗2发挥定位和支撑作用，同时也可更好的调节单个限位凸起3的刚度和体积等属性；

步骤四、将加工好的内导流件4安装在管道1用于安装毛坯态光学侧窗2的内管壁侧的相应位置，如图3所示，其中内导流件4可作为后续安装毛坯态光学侧窗2的辅助定位件；

步骤五、将加工好的毛坯态光学侧窗2安装在管道1被加工出的管道安装面9所构成的矩形安装空间内，并通过限位凸起3以及内导流件4的辅助确定毛坯态光学侧窗2的位置，如图4所示，并可在限位凸起3与毛坯态光学侧窗2接触处涂抹粘结剂以更好的固定毛坯态光学侧窗2，安装后管道1的管道安装面9与毛坯态光学侧窗2相对应的侧窗定位面10间留有预定的空隙，该预定空隙用于后续注入填充介质6；

步骤六、向管道1、毛坯态光学侧窗2以及内导流件4共同形成的腔体内注入具有一定流动性质的填充介质6，流动性使得填充介质6能够适应管道安装面9与相应侧窗定位面10的任意形态以及包括表面微观缺陷和尺寸误差在内的各种加工误差，该填充介质6凝固稳定后能够填充管道安装面9与相应侧窗定位面10间留有的预定空隙，且凝固稳定后的填充介质6具有一定强度，能够可靠地固定光学侧窗2，同时便于后续加工，在经过相应加工工序后能够形成光滑平整且牢固可靠的表面，一种可行的填充介质6的材料选择方案是改进后的环氧树脂；

步骤七、待注入的填充介质6凝固稳定后去除掉内导流件4；

步骤八、将去除掉内导流件4后的管道1连同毛坯态光学侧窗2以及填充介质6一起装夹在加工机床上，如图11所示，可将待加工的管道类保形装置通过转接盘7装夹在主轴8上，便可通过单点金刚石车削机床进行加工，因本管道类保形装置具有回转对称的外形，且管道1、光学侧窗2以及填充介质6均可被车削，因此为了获得高精度的保形面，可选取上述单点金刚石车削这种超精密加工手段对该管道类保形装置进行加工；

步骤九、使用单点金刚石车削机床对管道1、填充介质6以及毛坯态光学侧窗2组成的待加工保形装置进行加工；

步骤十、对完成加工后的保形装置尤其是光学侧窗2进行精度检测，若检测不合格则重复上述加工和检测步骤，直至检测合格；

在上述加工过程中，内导流件4可作为管道1的一部分即两者为一体结构，在步骤三中随管道1的管道安装面9一同加工，则内导流件4便在步骤九中随管道1、填充介质6以及毛坯态光学侧窗2的加工一同被去除；

在某些特殊使用场景中，当管道1与毛坯态光学侧窗2的两面都需进行保形加工时，待毛坯态光学侧窗2安装在管道1上后，再将外导流件5安装在管道1以及毛坯态光学侧窗2的另一侧，如图4和图5所示，以便后续注入填充介质6后可以在光学侧窗2与管道1的两面相应位置形成完全填充覆盖；

在导流件是安装在管道1上的情况下，导流件可在管道1连同毛坯态光学侧窗2以及填充介质6一起装夹在单点金刚石车削机床上后再去除，在导流件不影响后续加工的情况下也可不去除，例如导流件采用的是强度很低的塑料件，而随管道1、填充介质6以及毛坯态光学侧窗2的加工一同被去除；

在不具备测量条件或加工质量可控可信的情况下可取消测量步骤，而可以该管道类保形装置的实际性能效果检验加工结果；

在毛坯态光学侧窗2可由限位凸起3确定位置的情况下，例如在图2中将光学侧窗2直接粘接在限位凸起3上，便可不依靠限位凸起3的辅助来确定毛坯态光学侧窗2的位置，则导流件可在毛坯态光学侧窗2安装在限位凸起3上之后且注入填充介质6之前再适时安装于管道1上。

如图13所示，在限位凸起3上加工出消应力结构，因该消应力结构而去除了部分材料使限位凸起3按预期削弱了局部刚度，因此图例中的消应力结构具有多向性。并且限位凸起3的主消应力方向与其对光学侧窗2的限位方向相同，即垂直于管道安装面9和侧窗定位面10，因在该方向呈现较弱刚度，以至可以被压缩或拉长而不对光学侧窗2产生过大的应力，如此便既能在毛坯态光学侧窗2安装时允许毛坯态光学侧窗2、限位凸起3以及管道1等多个零件存在一定的加工误差，又可允许各零部件多个方向一定程度的变形与位移，进而更好地降低恶劣工况引起的应力变形的负面影响。

限位凸起3整体刚度的强弱，或者加工时对限位凸起3材料的去除量主要取决于对光学侧窗2所需支撑的强弱等因素，例如当光学元件在工作中会受到较强的外力作用，如图15所示的光学侧窗2会因外界压强变化而遭受沿管道1径向即图示竖直方向较大的拉扯力时，限位凸起3的整体刚度就应提高，甚至不做消应力处理，或者在光学侧窗2受拉力的径向方向不对限位凸起3作消应力加工，而只在其余方向对其余的限位凸起3作消应力加工，而此时径向不作消应力加工的限位凸起3便应只在径向方向与光学侧窗2接触，而不应影响其余限位凸起3的消应力结构发挥作用，一种具体结构形式如图15所示。

相对的，因消应力结构的存在，使得即使限位凸起3尺寸稍大也可以允许其对毛坯态光学侧窗2产生一定压力，若限位凸起3的尺寸稍小而对毛坯态光学侧窗2的限位不足，毛坯态光学侧窗2也预留了足够的加工余量，以克服限位凸起3的尺寸误差而让最终面形落在余量的包络中，且具有流动性的填充介质6也可固定光学侧窗2，故在步骤三中加工限位凸起3时加工至一般精度即可。

为了降低该保形装置在使用过程中温度变化对其性能的影响，在加工光学侧窗2、管道1以及填充介质6时加工至预定尺寸，使三者的空间尺寸与其材料性质之间能够相互配合，产生热应力消除性质，如此便可降低温度变化对保形装置性能的影响。具体的，以图例为参考，以沿管道1轴向方向的热应力消除过程为例，在该方向上，由于光学侧窗2与管道1材料的热膨胀系数不同，一般而言光学玻璃的热膨胀系数要低于金属框架的热膨胀系数，因此如果光学侧窗2与管道安装面9是紧密结合，那么当温度降低时，管道1的收缩量会大于光学侧窗2的收缩量，则管道1将会对光学侧窗2产生挤压，便会造成光学侧窗2的变形甚至是破坏；而如果温度升高，又会出现管道安装面9对光学侧窗2定位不足的情况；同时如果采用传统粘结剂固定的方法，因光学侧窗2与管道安装面9紧密结合造成的粘结剂过薄等原因，极易造成脱胶等问题的发生，即使采用螺栓等机械固定方式，也会对光学侧窗2产生拉扯。

而通过本加工方法，合理控制光学侧窗2的轴向长度、管道安装面9的轴向间距以及填充介质6的轴向厚度，同时配合三者材料的热膨胀系数，使温度变化条件下光学侧窗2轴向的热变形量与填充介质6的轴向热变形量之和等于管道安装面9之间的轴向热变形量，则可实现上述热应力消除性质，从而不会出现对光学侧窗2的挤压或拉扯与脱胶等问题。同时在限位凸起3上加工出消应力结构也可使装置更好的适应温度变化以及压强变化等引起的变形应力。而上述空间尺寸对于光学元件、安装框架等零部件而言，常规的加工手段足以满足热应力消除性质生效的精度要求，因此对于热应力消除性质的实现并不需要刻意提高零部件的加工精度，同时光学元件自身可以允许一定应力的存在，并且填充介质6与限位凸起3构建的软连接也能够吸收一部分应力，这进一步降低了实现热应力消除功能对零部件的加工精度要求。

填充介质6可由一种或多种材料组成，并可根据材料性质与功能要求使材料混合一次注入，也可分批次多次注入填充介质6，从而使填充介质6在横向或竖向形成分层结构从而发挥填充介质6在力学等方面的优势；填充介质6对与自身相接触的管道1以及光学侧窗2具有亲和性，多种材料可提高填充介质6材料选择的自由度，亲和性能使填充介质6与管道1以及光学侧窗2结合得更加紧密，从而使填充介质6更好地填充光学元件与安装框架之间的空隙，不会在加工填充介质6与管道1以及光学侧窗2的交界处时出现碎裂等情况，进而提高加工的稳定性并使加工后的保形面更加平整光滑。

如上所述，因限位凸起3消应力结构的存在，且毛坯态光学侧窗2待加工光学面留有足够的加工余量，以及具有流动性填充介质6的填充作用等允许一定误差存在的因素，在步骤二中加工毛坯态光学侧窗2的侧窗定位面10时加工至一般精度即可，因即使毛坯态光学侧窗2的侧窗定位面10存在一定误差也能保证其光学面被加工后的形位精度。

同样的，因限位凸起3消应力结构的存在，且毛坯态光学侧窗2待加工光学面留有足够加工余量，以及具有流动性填充介质6的填充作用等允许一定误差存在的因素，在步骤三中加工管道1上用于安装毛坯态光学侧窗2的管道安装面9时加工至一般精度即可。

为了使填充介质6全方位地覆盖管道1以及毛坯态光学侧窗2，尤其是保形面与空隙的交界处，从而获得平整光滑且牢固的加工结果，如图6、图8与图10中待加工保形装置的剖面结构所示，加工出的内导流件4与通过组合形成的外导流件5的凹槽完全覆盖管道安装面9与侧窗定位面10形成的空隙，并适当跨越管道1与毛坯态光学侧窗2，使得注入的填充介质6能够外延至覆盖一部分的管道1与毛坯态光学侧窗2。

在导流件需从管道1上取下以方便后续加工的情况下，其自身材料应与填充介质6的材料不亲和，或在注入填充介质6前于导流件表面涂抹不与填充介质6亲和的涂料，或覆盖不与填充介质6材料亲和的薄膜，以便在填充介质6凝固稳定后取下导流件，且在取下导流件的过程中不会附带下填充介质6进而破坏待加工的保形面，以便后续加工。

为了进一步增加填充介质6的强度，可适时向填充介质6中加入网状增强结构，网状增强结构可为刚度较弱结构，但需拥有很强的韧性，其类似于泥土中的树根或泥砖中的稻草，能使填充介质6更加牢固并增加填充介质6的整体韧性；也可为刚度较强结构，以增加填充介质6的整体刚度。同时网状增强结构应距待加工保形面有相应距离，从而防止加工后网状增强结构露出保形面而破坏保形面的平整光滑度。适时指可根据实际情况在调配液态填充介质6时便加入网状增强结构，也可将网状增强结构先放入管道1、毛坯态光学侧窗2以及导流件共同形成的腔体内再注入填充介质6，或者在注入填充介质6后再加入网状增强结构，也可在其他合适时机。

本发明提出的保形加工方法通过在毛坯态的光学侧窗2与管道1之间添加填充介质6，并使毛坯态的光学侧窗2、管道1以及填充介质6一同加工成形，在保证了光学侧窗2形位精度的同时还消除了保形面的缝隙从而使保形面平整光滑，使得加工出的光学侧窗2与管道1真正融为一体，并通过在限制光学侧窗2相对位置的限位凸起3上加工出消应力结构，同时为毛坯态光学侧窗2待加工光学面预留了足够的加工余量，以及注入具有流动性的填充介质6等因素，使得光学侧窗2、管道1以及限位凸起3等零部件互相配合的所有安装定位面均只需达到一般精度即可，降低了加工过程中对光学侧窗2与管道1以及限位凸起3等零部件的精度要求，从而降低了加工难度。

本保形加工方法通过光学侧窗2与管道1一体加工的方式也同样有效降低了光学侧窗2与管道1以及其余配件在最终精加工之前的精度要求，且光学侧窗2与管道1保形面的面形精度与位置精度通过本加工方法可完全由高精度机床进行复刻，避免了多次装夹造成的误差累积。同时通过使用并加工出材料性质与空间形状尺寸能够互相配合的零部件使被加工对象产生热应力消除性质；且因填充介质6的刚度一般要弱于光学侧窗2与管道1，配合限位凸起3的消应力结构，使得光学侧窗2与管道1之间相较于自身构建起一定程度的软连接，因此填充介质6与限位凸起3能够吸收温度、压强以及冲击振动产生的应力，使得整个保形装置能够适应压强与温度等变化以及冲击振动等引起的变形问题，提升了被加工对象形位精度的稳定性；同时冲击与振动在加工过程中也可能出现，因此本加工方法还能有效降低加工过程中可能出现的冲击与振动对装置的影响，从而提高加工的可靠性与成品率。总之，本保形加工方法克服了现有加工方法存在的保形面有间隙、光学元件难以直接获得高的形位精度、加工出的装置性能不够稳定以及对零部件精度要求高加工难度大等问题。

从上述分析可以看出，在加工过程中注入具有流动性的填充介质6、在限位凸起3上加工出消应力结构、将毛坯态光学元件预留较大加工余量、使毛坯态光学元件与安装框架以及填充介质6一体加工、将预定材料性质的光学元件与安装框架加工至设计形状尺寸等作为一个互相配合的整体，共同实现了对间隙的消除、对零部件精度要求的降低、对装置形位精度的直接获取以及对被加工保形装置工况环境适应性的提高，其作用相互配合而不可被分割或孤立看待。

例如在限位凸起3上加工出消应力结构以及注入具有流动性填充介质6的加工方法降低了对毛坯态光学元件定位安装面的精度要求且使毛坯态光学元件可以预留大量的加工余量，而毛坯态光学元件光学面预留的加工余量也同时降低了对限位凸起3以及安装框架的精度要求，而在限位凸起3上加工出消应力结构以及注入具有流动性填充介质6的加工方法还同时实现了对间隙的消除以及对保形装置工况环境适应性的提高等作用。又例如限位凸起3可作为加强筋对填充介质6进行加固与加强，这对加工过程中稳定光学元件的位置并吸收刀具的冲击有着积极作用，而在限位凸起3上加工出消应力结构可以增大限位凸起3与填充介质6的接触面积，能够进一步提高限位凸起3对填充介质6的加固与加强作用，让填充介质6更加紧密的结合为一个整体而不易松散，进而让填充介质6更易被加工出平整光滑且牢固的保形面。

特别说明的是实施例中的管道保形装置原本只需在管体内表面作保形加工，但为了通过更复杂的加工需求以更全面的对本发明进行介绍，图例中提供了双面保形加工方案，即该保形装置两面都可作保形加工，最终效果如图12所示，其中限位凸起3等结构已被填充介质6完全覆盖，而当只需用一面作为保形面时限位凸起3、光学侧窗2、管道1以及填充介质6的形状和布置情况以及加工方法可根据实际需要以图例为参考另行调整。而加工对象也不仅限于管道类别，还有例如头罩等封闭类、以及非封闭类保形装置，同时光学侧窗2的数量与位置也可根据实际需要进行设置，例如图14所示的两个光学元件相对布置；而本实施例提出的单点金刚石车削也只是一种加工手段，还可根据工件形状与材料性质等情况选取其他多种手段进行相应工序的加工。总之保形装置类型和结构形式等的改变而造成的加工方法的简单改变与调整并不会脱离本发明的保护范围。而本保形加工方法也可用于其他具有类似特点的装置。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种保形加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、对所需零件进行备料并加工出大致形状，留足后续工序的加工余量；

步骤二、加工出光学元件的毛坯件，将毛坯态光学元件的定位面加工至所需尺寸，并留足毛坯态光学元件光学面后续加工的加工余量；

步骤三、在安装框架上加工出用于安装毛坯态光学元件的安装面，所述安装面组成的安装空间按设计参数大于待安装的毛坯态光学元件；并在所述安装面上加工或安装限位凸起，所述限位凸起在待加工的保形面侧不突出于安装框架，且距待加工的保形面有相应距离，所述限位凸起可竖向和横向布置多个；

步骤四、将加工好的导流件安装在安装框架的相应一侧；

步骤五、将加工好的毛坯态光学元件安装在安装框架被加工出的安装面所构成的安装空间内，并通过限位凸起以及导流件的辅助确定毛坯态光学元件的位置，安装后安装框架的安装面与毛坯态光学元件相对应的定位面之间留有预定的空隙；

步骤六、向安装框架、毛坯态光学元件以及导流件共同形成的腔体内注入具有一定流动性质的填充介质，所述填充介质凝固稳定后能够填充安装框架的安装面与毛坯态光学元件相对应的定位面间留有的预定空隙，且具有一定强度，同时便于后续加工，在经过相应加工工序后能够形成光滑平整且牢固可靠的表面；

步骤七、待注入的填充介质凝固稳定后去除掉导流件；

步骤八、将去除导流件后的安装框架连同毛坯态光学元件以及填充介质一起装夹在加工机床上；

步骤九、使用加工机床对安装框架、填充介质以及毛坯态光学元件组成的待加工保形装置进行加工；

步骤十、对完成加工后的保形装置尤其是光学元件进行精度检测，若检测不合格则重复加工和检测步骤，直至检测合格；

导流件可作为安装框架的一部分在步骤三中随安装框架的安装面一同加工，则导流件便在步骤九中随安装框架、填充介质以及毛坯态光学元件的加工被一同去除；

当安装框架与毛坯态光学元件的多面都需进行保形加工时，在注入填充介质前将其他所需导流件适时安装在安装框架以及毛坯态光学元件的相应部位；

在导流件是安装在安装框架上的情况下，导流件可在安装框架连同毛坯态光学元件以及填充介质一起装夹在加工机床上后再去除，也可不去除，而随安装框架、填充介质以及毛坯态光学元件的加工一同被去除；

在不具备测量条件或加工质量可控可信的情况下可取消测量步骤；

在毛坯态光学元件可由限位凸起确定位置的情况下，导流件可在毛坯态光学元件安装在限位凸起上后再安装于安装框架上。

2.根据权利要求1所述的一种保形加工方法，其特征在于：在限位凸起上加工出消应力结构，所述消应力结构至少有一个消应力方向与限位凸起对光学元件的限位方向相同。

3.根据权利要求2所述的一种保形加工方法，其特征在于：在加工限位凸起时加工至一般精度即可。

4.根据权利要求1所述的一种保形加工方法，其特征在于：将光学元件、安装框架以及限位凸起加工至设计尺寸，使光学元件、安装框架以及填充介质的空间尺寸与材料性质之间相互配合，产生热应力消除性质。

5.根据权利要求1所述的一种保形加工方法，其特征在于：在步骤六中注入的填充介质由一种或多种材料组成，并可分批次多次注入填充介质，填充介质对与自身相接触的安装框架以及光学元件具有亲和性。

6.根据权利要求1所述的一种保形加工方法，其特征在于：在步骤二中加工毛坯态光学元件的定位面时加工至一般精度即可。

7.根据权利要求1所述的一种保形加工方法，其特征在于：在步骤三中加工安装框架上用于安装毛坯态光学元件的安装面时加工至一般精度即可。

8.根据权利要求1所述的一种保形加工方法，其特征在于：导流件自身或通过组合形成的凹槽完全覆盖安装框架与光学元件相应安装面与定位面形成的空隙，并跨越安装框架与光学元件，使得注入的填充剂能够外延至覆盖一部分的安装框架与光学元件。

9.根据权利要求1所述的一种保形加工方法，其特征在于：在导流件需从安装框架上取下的情况下，选择与填充介质不亲和的材料作为导流件的材料，或在注入填充介质前于导流件表面涂抹不与填充介质材料亲和的涂料，或覆盖不与填充介质材料亲和的薄膜。

10.根据权利要求1所述的一种保形加工方法，其特征在于：适时向填充介质中加入网状增强结构，所述网状增强结构距待加工的保形面有相应距离。

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