張萬清，康杰，郭彥軍，劉堯，姚同，邱紅方，鄒俊東，駱彥冰

1云南北方光學(xué)科技有限公司；2昆明理工大學(xué)機電工程學(xué)院

1 引言

掃描反射鏡系統(tǒng)在空間光學(xué)、高能激光、偵查雷達(dá)及對地成像等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用[1-4]。掃描反射鏡系統(tǒng)主要由反射元件、驅(qū)動元件及感知元件組成，能夠按照既定模式進(jìn)行光學(xué)掃描[5]。其中，掃描反射鏡元件的加工質(zhì)量和加工精度是影響掃描反射鏡系統(tǒng)整體精度和性能的重要因素。

鋁合金具有可加工性能好、密度低及反射性能良好等特點。將鋁合金材料應(yīng)用到系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)和光學(xué)元件中可以保持光學(xué)系統(tǒng)性能在各種惡劣服役環(huán)境中長期穩(wěn)定，并消除傳統(tǒng)光機結(jié)構(gòu)中采用不同材料元件導(dǎo)致的熱應(yīng)力等問題，因此，鋁合金作為反射鏡材料被應(yīng)用于各種反射鏡系統(tǒng)[6，7]。通過對鋁合金材料進(jìn)行超精密加工，可以制造出滿足系統(tǒng)成像需求的光學(xué)反射鏡。

單點金剛石超精密飛切技術(shù)是一種能夠獲得較高精度的機械加工技術(shù)，現(xiàn)已成為加工鋁合金掃描反射鏡的主要手段[8]。由于掃描反射鏡結(jié)構(gòu)的薄壁特征以及材料質(zhì)軟性，在制造過程中極易產(chǎn)生加工變形，導(dǎo)致反射鏡面形精度很難滿足系統(tǒng)需求，因此，需要研究飛切過程中影響反射鏡面形精度的主要因素，并盡可能降低其對面形的影響[9，10]。

本文以某雙面鋁合金掃描反射鏡為研究對象，通過飛切仿真和裝夾變形仿真模擬，研究掃描反射鏡飛切過程中飛切參數(shù)和不同裝夾方式對加工變形的影響，得到可以加工出高面形精度的掃描反射鏡表面飛切加工工藝，并通過實際飛切實驗進(jìn)行驗證。

2 飛切加工技術(shù)

2.1 掃描反射鏡模型

如圖1所示，掃描反射鏡為雙面鏡結(jié)構(gòu)，兩個面均沿垂直軸進(jìn)行回轉(zhuǎn)掃描，以實現(xiàn)大視場掃描和較高的角度精度，具體結(jié)構(gòu)主要包括回轉(zhuǎn)軸及兩個反射面(主鏡面和副鏡面)。在加工過程中，只需要保證掃描反射鏡主鏡面的加工精度，即可同時保證兩個面的精度，因此，僅需研究主鏡面的加工工藝。

圖1 掃描反射鏡結(jié)構(gòu)

2.2 飛切加工原理

圖2a為飛切加工示意圖，其中，裝有金剛石刀具的飛刀盤安裝在機床主軸，以實現(xiàn)飛切過程中刀具的高速回轉(zhuǎn)運動；工件和夾具固定在工作臺并可沿X軸實現(xiàn)進(jìn)給運動。圖2b為飛切加工的軌跡。飛切屬于典型的斷續(xù)加工，刀具旋轉(zhuǎn)一周，僅在刀具與工件接觸時實現(xiàn)材料微量去除，通?？山普J(rèn)為飛切軌跡為等間隔的平行直線。為獲得高質(zhì)量掃描反射鏡平面元件，本文主要對反射鏡實際飛切過程中影響表面質(zhì)量的因素進(jìn)行研究，具體包括飛切參數(shù)和裝夾方式。

(a)加工機床

3 飛切過程仿真

基于ABAQUS仿真軟件模擬飛切過程，以獲得飛切過程中材料的應(yīng)力狀態(tài)，研究不同切削參數(shù)對切削力的影響規(guī)律，本節(jié)仿真結(jié)果還將作為后續(xù)裝夾仿真的邊界條件。

3.1 建立有限元模型

由于飛切加工過程中的切削深度遠(yuǎn)小于工件寬度，因此飛切加工過程可以簡化為二維切削仿真。創(chuàng)建工件與刀具模型，工件長度8mm，寬度0.8mm；根據(jù)實際加工中的刀具參數(shù)對刀具進(jìn)行建模，其鈍圓半徑0.5μm，前角0°，后角-10°。將工件劃分為切削層和基體兩部分，刀具定義為剛體，單元網(wǎng)格劃分均采用CPE4RT。建立的二維切削仿真模型如圖3所示。

圖3 二維切削仿真模型

工件材料為7050鋁合金，材料屬性采用Johnson-Cook(J-C)本構(gòu)模型，在切削仿真過程中能更好地反映應(yīng)力、應(yīng)變和溫度效應(yīng)變化規(guī)律，其表達(dá)式為

(1)

式中，σ為流動應(yīng)力；A為屈服強度；B為應(yīng)變強化指數(shù)；C，n，m為材料特性系數(shù)；ε為等效塑性應(yīng)變；ε0為材料的參考應(yīng)變率；Troom為參考溫度；Tmelt為材料熔點[11]。

7050鋁合金材料參數(shù)如表1所示，J-C本構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表1 材料參數(shù)

表2 本構(gòu)參數(shù)

根據(jù)加工經(jīng)驗，選取兩組切削參數(shù)進(jìn)行仿真分析，仿真方案如表3所示。

表3 仿真切削參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果分析

圖4為兩組切削參數(shù)下的切削過程應(yīng)力云圖。可以看出，在切削過程中，工件表面承受的應(yīng)力隨切削速度的增加而不斷增大；刀具與工件接觸區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中，即第一變形區(qū)發(fā)生應(yīng)力集中；在遠(yuǎn)離切削區(qū)域的位置應(yīng)力分布呈波紋狀擴散，這是由鋁合金材料的彈塑性變形引起的應(yīng)力變化所致。兩組切削仿真中，切屑形態(tài)為帶狀，切削層發(fā)生塑性變形后被刀具分離，整個切削過程較穩(wěn)定。

(a)n=1500r/min，ap=30μm，f=12mm/min

切削仿真中切削力變化曲線如圖5所示，F(xiàn)x1，F(xiàn)z1為第一組切削參數(shù)下切削力的變化曲線，平均切向力Fx1= 26.80N，平均法向力Fz1=4.43N。刀具切入工件后，切削力迅速增大，隨著切削過程平穩(wěn)進(jìn)行，切削力在一定范圍內(nèi)趨于穩(wěn)定。

圖5 切削過程切削力變化曲線

對比第二組切削參數(shù)下切削力的變化曲線Fx2，F(xiàn)z2可以看出，在此切削參數(shù)下，平均切削力較小，切削力變化曲線更加穩(wěn)定，此時，平均切向力Fx2=5.28N，平均法向力Fz2=1.20N。這是由于主軸轉(zhuǎn)速較大時，刀具前刀面附近切削范圍內(nèi)的摩擦和變形減小，使得切削過程中的切削力減??；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速較小時，排屑速度減慢，切屑堆積，切削力波動較大；當(dāng)切削深度增大時，切削做功增大，切削力增大；當(dāng)進(jìn)給速度較大時，由于尺寸效應(yīng)，剪切角較小，導(dǎo)致切削力增大。綜上所述，采用第二組切削參數(shù)可使切削力減小，切削過程更加穩(wěn)定。

4 掃描反射鏡裝夾變形仿真

掃描反射鏡由主副兩面反射鏡和回轉(zhuǎn)軸組成，是典型的薄壁類零件，具有剛性差、加工易變形等缺陷，在加工過程中工件變形易受裝夾方式的影響。針對掃描反射鏡自身特點，設(shè)計出兩種裝夾方式，第一種裝夾方式如圖6a所示，采用軸定位，將掃描反射鏡回轉(zhuǎn)軸通過螺紋連接固定在夾具上，即藍(lán)色區(qū)域Ⅰ固定；第二種裝夾方式如圖6b所示，選取掃描反射鏡后端面(藍(lán)色區(qū)域Ⅱ)進(jìn)行定位，以粘接的方式將藍(lán)色區(qū)域粘接在夾具盤上。

(a)固定回轉(zhuǎn)軸

4.1 建立有限元模型

掃描反射鏡飛切加工中由于切削力的存在會不可避免地產(chǎn)生變形，合適的裝夾方案能較好地控制材料加工變形，基于ANSYS Workbench有限元仿真軟件，分析不同切削力作用下兩種裝夾方式對工件變形的影響，以此選取最優(yōu)裝夾方案。

如圖7所示，對掃描反射鏡進(jìn)行裝夾變形仿真，除裝夾部位及反射面外，簡化不影響仿真精度的細(xì)節(jié)，建立掃描反射鏡有限元模型，使用六面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格質(zhì)量為0.8，滿足有限元分析要求。反射鏡材料設(shè)置為與飛切仿真相同的鋁合金材料，根據(jù)前文所述的裝夾方式對其進(jìn)行約束，并將切削仿真過程得到的切削力作為載荷施加到主鏡面，切削力施加示意圖見圖8，分別模擬不同切削位置時的材料變形。

圖7 掃描反射鏡有限元模型

圖8 對主鏡面施加切削力

4.2 仿真結(jié)果分析

圖9為掃描反射鏡在不同裝夾方式下的應(yīng)變云圖，均在區(qū)域①(見圖8)分別施加兩組切削力。圖9a和圖9b是通過固定回轉(zhuǎn)軸進(jìn)行仿真分析，工件最大變形分別為36.55μm和7.53μm。應(yīng)變云圖呈扇形擴散分布，靠近固定端部分幾乎無變形，遠(yuǎn)離固定端部分變形量逐漸增大，這是由于采用第一種裝夾方式時，回轉(zhuǎn)軸一端固定，反射鏡一端為自由端，遠(yuǎn)離支座一端彎矩最大，所以變形最大。

(a)施加Fx1，F(xiàn)z1，固定回轉(zhuǎn)軸

在圖9c和圖9d中，掃描反射鏡通過固定后端面進(jìn)行仿真分析發(fā)現(xiàn)，工件最大變形分別為14nm和2.62nm。在切削力施加區(qū)域工件表面產(chǎn)生形變，其他區(qū)域幾乎無變形，這是由于采用這種裝夾方式時，除中間副鏡面處，其余位置幾乎都處于粘接固定，整個固定結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，僅在飛切位置處產(chǎn)生亞微米級變形。對比可知，采用后端面固定的裝夾方式能夠滿足鋁材掃描反射鏡制造的面形要求。固定回轉(zhuǎn)軸的裝夾方案雖然變形較大，但是這種方法僅需一次裝夾即可完成主副鏡面的加工，因此，可以作為粗加工階段的裝夾方案。

分別模擬兩種裝夾方式下掃描反射鏡在不同切削位置時的變形，反射鏡主鏡面變形量隨切削位置的變化曲線如圖10所示。當(dāng)采用第一種裝夾方式時，主鏡面最大變形量沿進(jìn)給方向不斷減小，工件最大變形量發(fā)生在區(qū)域①，達(dá)到36.55μm。這是由于反射鏡主要靠回轉(zhuǎn)軸固定，遠(yuǎn)離支撐的區(qū)域①所受切削力相同，力矩最大，導(dǎo)致變形最大。當(dāng)采用第二種裝夾方式時，主鏡面最大變形量沿進(jìn)給方向輕微增大，變形量最大達(dá)到52.42nm。

(a)固定回轉(zhuǎn)軸

綜上所述，在裝夾變形仿真過程中，對比在相同切削區(qū)域施加不同切削力和不同切削區(qū)域施加相同切削力的條件下兩種裝夾方式產(chǎn)生的變形，結(jié)果表明，采用固定后端面的方式進(jìn)行裝夾所產(chǎn)生的加工變形最小，該裝夾方式較合理。

5 飛切試驗驗證

為驗證前文分析的準(zhǔn)確性，開展單點金剛石飛切機床車削掃描反射鏡試驗，加工現(xiàn)場如圖11所示，機床型號為IL300，夾具采用后端面固定的方式。選取仿真中第二組切削參數(shù)，即主軸轉(zhuǎn)速1800r/min，切削深度5μm，進(jìn)給速度5mm/min，加工后的工件如圖12所示。使用Zygo激光干涉儀對其進(jìn)行面形檢測，檢測結(jié)果如圖13所示，加工后工件面形PV值約為0.186μm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足掃描反射鏡的使用需求。

圖11 飛切加工過程

圖12 加工后的掃描反射鏡

圖13 加工后工件表面輪廓

6 結(jié)語

針對掃描反射鏡飛切加工中面形精度難以控制的問題，通過飛切過程和裝夾變形的仿真模擬，研究飛切參數(shù)和裝夾方式對掃描反射鏡加工變形的影響，主要研究結(jié)論如下。

(1)采用較高的主軸轉(zhuǎn)速、較低的進(jìn)給速度和切削深度，使工件表面應(yīng)力降低，切削力減小，切削過程穩(wěn)定。

(2)采用掃描反射鏡后端面固定的裝夾方式，使切削過程穩(wěn)定，整體變形量較小，有效降低加工過程中面形的變化，提高了加工精度。

(3)進(jìn)行掃描反射鏡飛切加工試驗，加工后掃描反射鏡面形誤差PV值為0.186μm，滿足掃描反射鏡使用需求。