中国先进加工制造工艺与装备技术中的关键科学问题

根据中国国家自然科学基金委员会安排，研讨先进加工制造工艺与装备科学与技术的发展趋势。针对中国先进加工制造和装备学科存在的基础研究不系统、不深入的共性状况，以国家需求为目标，以加强先进制造工艺与装备的理论基础研究和应用基础研究为突破口，提出国家自然科学基金“十一五”(2006～2010)期间先进加工制造工艺和装备领域需要研究的科学问题、研究方向、工程目标，以及应该优先发展的重点方向。 先进加工制造是实现高效率、高精度和低成本制造的技术支撑。先进加工制造的目标是高效化、精密化、智能化、集成化、数字化和洁净化，关键技术包括高速/高效切削加工技术、高速/超高速磨削技术、精密/超精密加工技术、非传统加工及其复合加工技术，以及相关的先进加工制造装备的制造技术。 摘要根据中国国家自然科学基金委员会安排，研讨先进加工制造工艺与装备科学与技术的发展趋势。针对中国先进加工制造和装备学科存在的基础研究不系统、不深入的共性状况，以国家需求为目标，以加强先进制造工艺与装备的理论基础研究和应用基础研究为突破口，提出国家自然科学基金“十一五”(2006～2010)期间先进加工制造工艺和装备领域需要研究的科学问题、研究方向、工程目标，以及应该优先发展的重点方向。 先进加工制造是实现高效率、高精度和低成本制造的技术支撑。先进加工制造的目标是高效化、精密化、智能化、集成化、数字化和洁净化，关键技术包括高速/高效切削加工技术、高速/超高速磨削技术、精密/超精密加工技术、非传统加工及其复合加工技术，以及相关的先进加工制造装备的制造技术。 高速/高效切削加工技术的科学问题包括切削加工时刀具和工件材料相互作用过程刀具摩擦、磨损和破坏机理，工件材料高速切削变形理论与工件表面成形机理，高速切削刀具与机床的动力学分析，高速切削过程的智能监控理论与技术。研究方向包括高速/高效切削机床与刀具，难加工材料的高速/高效切削加工，高速/高效切削表面质量，高速/高效切削加工的动力学与稳定性。工程目标包括超高速切削，机床主轴转速达到1×106r·min-1，铣削铝及其合金的切削速度达到1×104m·min-1；高性能切削，机床主轴功率达到100kW，进给速度达到50m·min-1；采用多坐标驱动，提高机床的柔性和效率。     

非球面加工机床的设计

随着科学技术的发展,对高性能大型非球面零件的需求越来越迫切,同时对大型非球面零件的加工设备和加工工艺的要求也越来越高.文章介绍了一种集铣磨成型、研磨抛光为一体的大型非球面加工机床的设计过程.从分析大型非球面零件加工需求出发,介绍了机床的总体方案及关键零部件的设计,并给出了设计结果.结果表明该机床能够满足非球面加工的要求.     

基于多体系统运动学理论的坐标测量机误差自动建模

研究分析了运用多体系统运动学理论对复杂机械如坐标测量机进行误差建模的基本原理,介绍了误差自动建模过程。以FXYZ型立式三坐标测量机为例进行了误差建模,给出了空间误差模型具体数学表达式。理论分析和实际应用显示所述方法很好地解决了误差建模的通用性问题,为精度分析和误差补偿等提供了一个理想的误差建模方式。     

用于光纤对准的柔性铰链微位移机构

提出了一种新型的微位移机构。该机构用步进电机驱动 ,柔性铰链和弹性平板作为传动导向机构 ,可以实现纳米级的运动分辨率。该机构已经应用于光纤对准中的精密调整。     

并联机构的奇异与冗余

分析并联机构的奇异位形对机构精度、刚度的影响 ,提出了采用机构冗余来减小和消除奇异位形的影响的方法 ,并分析几种冗余的方法及其效果。     

光学表面中频误差的控制方法—确定区域修正法

提出了一种有效控制光学表面中频误差的方法——确定区域修正法。给出了确定区域修正法的基本思想和工作流程,并基于最大熵原理对抛光盘运动参数进行了优化选择(行星运动方式转速比为-1或0,偏心率为接近于0但不等于0)。最后,在Φ100 mm K9玻璃平面镜上进行了抛光对比实验。实验结果表明,应用确定区域修正法,在1.5 min内可使0.28 mm^-1频率误差对应的PSD值从14.76 nm²·mm下降到3.70 nm²·mm,有效地控制了光学表面的中频误差。与其他方法相比,确定区域修正法的突出优点在于其确定性和高效性。     

典型碳化硅光学材料的超光滑抛光试验研究

研究了三种典型的碳化硅光学材料CVD SiC、HP SiC以及RB SiC的材料去除机理与可抛光性,并对其进行了超光滑抛光试验.在分析各种材料制备方法与材料特性的基础上,通过选择合理的抛光工艺参数,均获得了表面粗糙度优于Rq=2nm(采样面积为0.71mm×0.53mm)的超光滑表面.试验结果表明:研磨过程中,三种碳化硅光学材料均以脆性断裂的方式去除材料,加工表面存在着裂纹以及材料脱落留下的缺陷;抛光过程中,CVD SiC主要以塑性划痕的方式去除材料,决定表面粗糙度的主要因素为表面微观划痕的深度;HP SiC同时以塑性划痕与晶粒脱落的形式去除材料,决定表面粗糙度的主要因素为碳化硅颗粒大小以及颗粒之间微孔的尺寸;RB SiC为多组分材料,决定其表面粗糙度的主要因素为RB SiC三种组分之间的去除率差异导致的高差.     

簧上质量对油气弹簧阀系设计参数的影响

利用开阀压力和流量以及阀片变形之间的关系,分别建立了油气弹簧节流缝隙和单片节流阀片厚度与单轮簧上质量之间的关系式。在此基础上,对单轮簧上质量对阀系设计参数的影响因素进行了分析,求取了单轮簧上质量影响系数。通过实例,分别利用解析设计法与质量影响系数推算设计方法,对油气弹簧阀系参数进行了设计,对参数设计结果进行了比较和校核,并对设计的油气弹簧进行了特性试验。设计和试验结果表明,单轮簧上质量对油气弹簧阀系设计参数有影响,阀系参数的质量影响系数推算设计方法是可靠的。     

光学镜面离子束加工系统设计和分析

研究了离子束加工系统的后置算法和误差补偿等问题。基于DH矩阵法,建立了系统的运动学方程,分析了工艺中离子源和工件的安装误差以及离子源相对于工件的六项对刀误差对加工定位的影响,建立了误差模型。在求解运动学方程时引入纠补矩阵,以消除离子源确定性的安装偏差对切平面定位误差的显著影响。补偿后的误差分析表明：切平面误差模型对对刀和安装精度提出要求后,靶距误差和入射角度误差同时也受到了限制,对加工的影响可以忽略不计。     

光学镜面离子束加工材料去除效率

分析了离子束加工材料去除效率、不同材料之间的相对去除效率与工艺参数的关系。基于Sigmund溅射理论,建立表征去除效率的指标－法向去除率、体积去除率和溅射产额与束能、束流以及入射角度之间的关系模型。以石英、微晶和K4等为样件,实验分析了去除效率与工艺参数的关系,验证了模型的正确性。分析结果表明材料去除效率随束流线性增大;约与束能平方根呈线性关系;随着入射角度先缓慢增大,约在60~80°达到最大值,尔后迅速降为零。不同材料之间的相对去除效率与束流无关;与束能的关系较弱,可以忽略;随角度变化较为明显。