卧式液体静压主轴在超精密飞切加工中的动态行为分析及其对加工表面生成影响机制的研究

The Laser Fusion, which is the national key scientific and technological engineering, has put forward a high requirement on the machined surface of the large-caliber KDP crystal components.This project is aiming at developing a new generation ultra-precision fly cutting machine. By establishing the nonlinear dynamic model, the thermal-mechanic model and setting up high-precision on-line dynamic measuring system of spindle rotor trajectories, temperature distribution of the horizontal hydrostatic spindle, the dynamic characteristics of the spindle in the situation of high rotating speed can be obtained from both theoretical calculations and experiment. Furthermore, the formation mechanism of the machined surface morphology in the process of fly cutting can be revealed by comparing the simulation and the experiment result, and this is the theory basis of the new generation ultra-precision fly cutting machine. Based on this, the bottleneck problem of the large-caliber KDP crystal element's low laser damage threshold can be solved, and this will provide technical support for reaching the international advanced standard as the NIF of the USA. The research result of the hydrostatic spindle's nonlinear dynamic behavior has significant theoretical meaning and engineering value for improving the standard of our country's ultra-precision manufacturing equipment.

本项目针对激光核聚变国家重大科学工程对大口径KDP晶体元件极高的加工表面质量需求，以新一代高性能超精密飞切机床的研制为目标，通过建立卧式液体静压主轴非线性动力学模型、主轴系统热-机械模型，结合主轴转子运动轨迹及热效应的高精度在线动态测量与分析，从理论和实验两方面综合研究液体静压主轴转子在超精密飞切过程中高速旋转并受到间断切削力冲击时的动态特性，并通过仿真与加工试验的对比分析揭示超精密飞切加工表面微观形貌的形成机制及影响规律，为卧式液体静压主轴在新一代超精密飞切加工机床上的应用提供理论依据，为我国重大科学工程中大口径KDP晶体元件突破激光损伤阈值低的技术瓶颈，达到以美国NIF为代表的国际先进水平提供关键技术支撑。本项目对液体静压主轴在超精密飞切加工中的动态行为及对加工表面生成影响机制的研究对提高我国超精密制造装备的研制水平具有重要的理论意义与工程实用价值。

本项目针对激光核聚变国家重大科学工程对大口径KDP晶体元件极高的加工表面质量需求，以新一代高性能超精密飞切机床的研制为目标，针对飞切加工机床主轴转子结构，理论分析了主轴回转过程中的陀螺效应现象，推导出主轴回转过程中适合于飞刀切削加工机床主轴的大动量矩主轴转子陀螺力矩数学模型。研究了机床温升对机床性能的影响，得到了静压主轴温度场分布规律。建立了KDP机床的有限元模型，通过分析得到了机床在重力和预紧力作用下的初始变形。分析了轴套-上浮板-主轴-刀盘-刀具组成的系统，得到了轴套的热膨胀和热弯曲的曲线，对主轴部件温度场进行了测试实验研究。建立了超精密飞切加工机床主轴回转运动在线高精度测试系统，得到了各个状态下主轴回转运动的数值表征与运动特点。在机床切削加工时对主轴回转运动状态进行了在线实时测试，得到了主轴在切削加工时各误差运动的数值表征与主轴运动特征。根据卧式机床的三维结构及静压轴承的计算结果，针对机床动态特性薄弱环节进行改进，并形成了优化的方案。利用超精密飞切加工表面形貌形成过程仿真模型分析切削参数、主轴偏摆运动、刀具-工件相对振动和刀具热变形对工件表面形貌的影响，实现了对仿真形貌的滤波，二维轮廓的提取和波纹度、粗糙度的分析计算。进行了KDP晶体超精密飞切加工实验，分析了实验结果并对比验证了仿真模型的有效性。本项目研究为卧式液体静压主轴在新一代超精密飞切加工机床上的应用提供了理论依据，对提高我国超精密制造装备的研制水平具有重要的理论意义与工程实用价值。