留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

大口径非球面铝反射镜三轴联动加工技术研究

肖建国 姚同 张万清 刘尧 罗宏 李茂忠 黄攀 康杰 张若寅

肖建国, 姚同, 张万清, 刘尧, 罗宏, 李茂忠, 黄攀, 康杰, 张若寅. 大口径非球面铝反射镜三轴联动加工技术研究[J]. 红外技术, 2021, 43(9): 829-835.
引用本文: 肖建国, 姚同, 张万清, 刘尧, 罗宏, 李茂忠, 黄攀, 康杰, 张若寅. 大口径非球面铝反射镜三轴联动加工技术研究[J]. 红外技术, 2021, 43(9): 829-835.
XIAO Jiaoguo, YAO Tong, ZHANG Wanqing, LIU Yao, LUO Hong, LI Maozhong, HUANG Pan, KANG Jie, ZHANG Ruoyin. Study on Machining Technology of Large Aspheric Aluminum Reflector with Three Axis Linkage[J]. Infrared Technology , 2021, 43(9): 829-835.
Citation: XIAO Jiaoguo, YAO Tong, ZHANG Wanqing, LIU Yao, LUO Hong, LI Maozhong, HUANG Pan, KANG Jie, ZHANG Ruoyin. Study on Machining Technology of Large Aspheric Aluminum Reflector with Three Axis Linkage[J]. Infrared Technology , 2021, 43(9): 829-835.

大口径非球面铝反射镜三轴联动加工技术研究

详细信息
    作者简介:

    肖建国(1971-), 硕士, 高级工程师, 主要从事超精密单点金刚石车床车削加工技术研究。E-mail:xiaojianguoyn@163.com

  • 中图分类号: TH706

Study on Machining Technology of Large Aspheric Aluminum Reflector with Three Axis Linkage

  • 摘要: 为解决单点金刚石车削技术(single-point diamond turning,SPDT)应用于大口径大弦高非球面铝反射镜加工中遇到的车床导轨行程、工作台回转容积受限和加工质量较低的问题,针对φ682 mm口径、弦高220 mm的凹非球面铝反射镜加工,首先,提出基于SPDT的三轴联动加工方法,在两轴加工基础上加入旋转B轴进行协同加工,使得导轨行程和工作台回转容积能够满足加工需求。然后,设计专用笼状夹具,并通过有限元法研究支撑杆数量、杆径、上下连接板厚度参数对夹具-工件形变特征的影响,通过极差和方差分析研究不同因素对夹具-工件最大变形量影响的显著性,得到一组最佳夹具设计参数组合,即夹具支撑杆数量为24,杆径为22 mm,上下连接板厚度为25 mm。最后,将铝反射镜固定在优化后的笼状夹具上,通过三轴联动加工实现了对φ682 mm口径非球面铝反射镜的加工。对调刀件的检测结果表明:调刀件面形精度Pv值为0.6 μm,表面粗糙度Ra约为10.1 nm,可认为φ682 mm口径非球面铝反射镜的面形精度和表面粗糙度均达到使用要求。本研究能够为同类大口径大弦高非球面反射镜的加工提供一定的理论基础和加工工艺技术参考。
  • 图  1  非球面铝反射镜几何参数图

    Figure  1.  Geometric parameter diagram of an aspheric aluminum mirror

    图  2  机床结构示意图

    Figure  2.  Schematic diagram of machine tool structure

    图  3  三轴联动加工示意图

    Figure  3.  Schematic diagram of three axis linkage machining

    图  4  坐标变换原理

    Figure  4.  Principle of coordinate transformation

    图  5  夹具几何模型

    Figure  5.  Geometric model of fixture

    图  6  夹具-工件有限元模型

    Figure  6.  Finite element model of fixture work piece

    图  7  最大变形量随各参数变化趋势

    Figure  7.  The variation trend of maximum deformation with various parameters

    图  8  夹具和工件应变云图

    Figure  8.  Strain nephogram of fixture and work piece

    图  9  φ682mm非球面铝反射镜加工设备

    Figure  9.  φ682 mm aspheric aluminum mirror processing equipment

    图  10  非球面铝反射镜加工精度检测

    Figure  10.  Machining accuracy test of aspheric aluminum mirror

    表  1  材料参数

    Table  1.   Material parameters

    Material Density/(kg·m-3) Young modulus/(GPa) Poisson ratio Coefficient of thermal expansion
    Aluminum alloy 2770 71 0.33 23
    Stainless steel 7750 193 0.31 17
    下载: 导出CSV

    表  2  坐标变换结果

    Table  2.   Coordinate transformation results

    Coordinate point X-coordinate/mm Z-coordinate/mm Tool rotation angle-β
    A1 310 219.878377
    A1' 308.75 220.71 56.54
    A2 309.9 219.727043
    A2' 308.65 220.55 56.53
    A3 309.8 219.575771
    A3' 308.55 220.40 56.52
    A4 309.7 219.424562
    A4' 308.45 220.25 56.51
    A5 309.6 219.273416
    A5' 308.35 220.10 56.50
    下载: 导出CSV

    表  3  夹具参数

    Table  3.   Fixture parameters

    Factors
    Code
    Level
    1 2 3
    Support rod number N A 12 18 24
    Support rod diameter R/(mm) B 12 22 26
    Plate thickness T/(mm) C 15 20 25
    Spindle speed n/(r/min) 200
    下载: 导出CSV

    表  4  正交实验方案及结果

    Table  4.   Orthogonal experimental scheme and results

    NO.
    Support rod
    number
    Support rod
    diameter
    Plate
    thickness
    Max total
    deformation
    N R/mm T/mm D/mm
    1 12 12 15 0.49531
    2 12 22 20 0.31924
    3 12 26 25 0.28334
    4 18 12 20 0.42477
    5 18 22 25 0.30412
    6 18 26 15 0.35454
    7 24 12 25 0.39917
    8 24 22 15 0.41238
    9 24 26 20 0.36372
    下载: 导出CSV

    表  5  表面粗糙度的方差分析

    Table  5.   Analysis of variance of surface roughness

    Variation
    source
    SS df MS F Contribution/%
    A 0.002 2 0.001 1.198 0.7
    B 0.020 2 0.010 14.935 52.6
    C 0.013 2 0.006 9.372 31.6
    Error 0.001 2 0.001 15.1
    Sum 0.036 8 0.018 100
    下载: 导出CSV
  • [1] 陈达任, 李占杰, 靳刚, 等. 金属反射镜超精密加工研究进展[J]. 机械研究与应用, 2018, 31(1): 159-163. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JXYJ201801053.htm

    CHEN Daren, LI Zhanjie, JIN Gang, et al. Review on Ultra- Precision machining of metal reflector[J]. Mechanical Research & Application, 2018, 31(1): 159-163. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JXYJ201801053.htm
    [2] 谢启明, 杨静, 徐放, 等. 金属非球面反射镜的加工和检测技术[J]. 红外技术, 2015, 37(2): 119-123. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs201502007

    XIE Qiming, YANG Jing, XU Fang, et al. Manufacturing and test technology for metal aspherical reflector[J]. Infrared Technology, 2015, 37(2): 119-123. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs201502007
    [3] 李全超, 李蕾, 谭淞年, 等. 大口径铝合金主反射镜设计与分析[J]. 应用光学, 2016, 37(3): 337-341. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YYGX201603003.htm

    LI Quanchao, LI Lei, TAN Songnian, et al. Design and analysis for large aperture primary aluminum mirrors[J]. Journal of Applied Optics, 2016, 37(3): 337-341. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YYGX201603003.htm
    [4] Horst R T, Tromp N, MD Haan, et al. Directly polished lightweight aluminum mirror[C]//Advanced Optical & Mechanical Technologies in Telescopes & Instrumentation. International Society for Optics and Photonics, 2008: 701808-701808-10.
    [5] 姜伟, 申德新, 王立波, 等. 大口径光学反射镜化学镀镍工艺及质量管理[J]. 电镀与涂饰, 2008(10): 13-16. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DDTL200810008.htm

    JIANG Wei, SHEN Dexin, WANG Libo, et al. Process and quality management of electroless nickel–phosphorus alloy plating on large-aperture optical reflection mirror[J]. Electroplating & Finishing, 2008(10): 13-16. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DDTL200810008.htm
    [6] 孟晓辉, 王永刚, 李文卿, 等. 应用旋转法实现大口径非球面反射镜零重力面形加工[J]. 光学精密工程, 2019, 27(12): 2517-2524. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GXJM201912003.htm

    MENG Xiaohui, WANG Yonggang, LI Wenqing, et al. Fabrication of zero-gravity surface for large-aperture aspherical mirror by using rotationally method[J]. Optics and Precision Engineering, 2019, 27(12): 2517-2524. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GXJM201912003.htm
    [7] 孙熠璇, 罗世魁, 高超, 等. 大口径空间反射镜的重力卸载优化方法[J]. 红外与激光工程, 2021, 50(1): 279-287. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HWYJ202101031.htm

    SUN Yixuan, LUO Shikui, GAO Chao, et al. Optimization method for large-aperture space mirror's gravity unload[J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(1): 279-287. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HWYJ202101031.htm
    [8] 马文静, 徐振源, 曹庭分, 等. 大口径反射镜低应力夹持优化设计[J]. 中国激光, 2020, 47(11): 187-192. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JJZZ202011021.htm

    MA Wenjing, XU Zhenyaun, CAO Tingfen, et al. Optimal design of low-stress mounting for large aperture mirror[J]. Chinese Journal of Lasers, 2020, 47(11): 187-192. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JJZZ202011021.htm
    [9] 肖建国, 张万清, 刘尧, 等. 金属反射镜的三轴联动加工方法[P]. 中国, 20171460886.8, 2020.

    XIAO Jianguo, ZHANG Wanqing, LIU Yao, et al. Three-axis linkage processing method of metal reflector[P]. China, 20171460886.8, 2020.
  • 加载中
图(10) / 表(5)
计量
  • 文章访问数:  136
  • HTML全文浏览量:  42
  • PDF下载量:  25
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-04-12
  • 修回日期:  2021-04-21
  • 刊出日期:  2021-09-20

目录

    /

    返回文章
    返回