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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
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    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
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    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
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    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
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    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
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    XIAO Jianguo, ZHANG Wanqing, LIU Yao, et al. Three-axis linkage processing method of metal reflector[P]. China, 20171460886.8, 2020.
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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

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    2021年9月29日