复杂曲面微结构的投影式激光振镜扫描刻蚀新原理、新方法

在全球化竞争的背景下，航空航天、能源、微电子等领域高、精、尖复杂产品的生产向现代制造工艺和装备的极限能效不断提出新的挑战，如何在硬质合金、陶瓷、复合多层膜等难加工材质的复杂曲面零部件表面高精度、高效率地制造大幅面微结构就是其中之一。本项目在大量前期研究工作的基础上，在国内外首次提出了投影式激光振镜扫描刻蚀（LPAGS）加工复杂曲面微结构的新原理、新方法。采用自主研发的3坐标刻蚀加工头与多轴联动数控机床构建"5+3"轴和"3+3"轴LPAGS组合加工平台，通过系统研究光束投影映射原理、复杂曲面非规则分区规划、加工能效与工艺-装备之间的映射关系、以及不同波长、重复频率、脉宽激光束制造复杂曲面微结构的高精度生成演变规律等相关内容，掌握LPAGS新工艺的基础理论与核心关键技术，为使该工艺成为高精度、高效率、高质量、跨尺度制造复杂曲面微结构的新工艺、新装备奠定理论基础。

大型复杂曲面微结构的高效率、高精度、低成本、跨尺度制造是当前国际前沿课题，此前一直缺乏有效的加工手段。本项目在国际上原创提出具有自主知识产权的投影式激光振镜扫描刻蚀（LPAGS）新原理、新方法，可望突破这一技术瓶颈。主要研究结果如下：.（1）首次提出将等弧长投影方法用于LPAGS建模，从而在曲面建立不失真的加工模型，通过逆向平行投影建立与其扫描轨迹的关系，掌握了激光束投影在材料表面时，光斑能量分布、烧蚀光斑形貌和深度随曲面曲率变化规律。.（2）为确保超大复杂曲面的LPAGS加工质量、精度和效率，首次提出了分片、分层和分块投影加工的技术路线，并建立了三个技术准则，作为在复杂曲面获得高质量LPAGS加工的必要条件。曲面分片要保证分片区域内任意两点之间的法线夹角小于设定值θ，曲面分层高度小于激光光束焦深，分块加工的区域应当小于振镜的扫描范围。.（3）建立了“5+3”轴LPAGS组合加工系统的误差分析模型，对主要误差来源进行了分析，可通过从激光开关延时、扫描刻蚀方式及刻蚀数据文件结构优化等多个方面来减小加工误差。采用四点定位法，有效地简化了定位流程，提高了加工定位精度。双线性插值的校正算法被用来解决双振镜扫描畸变问题。.（4）针对不同材料体系的三维刻蚀过程进行研究，建立了薄膜-基底之间的分离机理过程的物理模型，并对该物理过程进行了仿真。完成了部分金属薄膜/复合材料、金属薄膜/陶瓷、金属薄膜/柔性基底等结构体系刻蚀试验工作，取得了较为理想的加工效果。.（5）在国际上首次提出并采用互换刀柄式结构，研制出制造范围5000×1700×2000mm3的“5+3”轴投影扫描式激光精细刻蚀设备，图形制作误差和位置误差均不大于20μm，成功解决了我国雷达罩隐身的重大技术难题，并在第×代战机中得到应用。 . 本项目已按照申请书计划完成相关研究工作，并取得突出成果。研究成果不但奠定了LPAGS加工技术理论基础，还建立了高精度、高效率、跨尺度激光刻蚀工程化装备，并已经在航空航天领域得到重要应用。