单点金刚石飞刀铣削超光滑表面大周期波纹度的生成机理及抑制方法研究

Surface waviness is one of the key factors restricting the performance of optical element. This proposal focuses on the large period waviness on the flycutting surface which restricting the performance of optical element. The process-machine interaction (PMI) in ultra-precision flycutting machining system is studied by integrating the nonlinear dynamic model of machine tool and the time-varying cutting process model. The theoretical and experimental analysis are carried out to reveal the influences of PMI on the waviness generation, which can not only provide the theoretical basis for improving the optical performance but also guide the KDP processing and machine-structure improvement. The research result of the PMI has significant theoretical meaning and engineering value for improving the standard of our country’s ultra-precision manufacturing equipment.

表面波纹度是制约光学元件使用性能的关键因素之一。本项目针对大口径KDP晶体超光滑表面存在大周期波纹度的加工难题，以单点金刚石飞刀铣削加工系统为研究对象，基于机床动力学与切削特性耦合分析，建立机床热-机械耦合动力学与全加工过程断续-时变切削加工过程交互作用的仿真模型，并进行实验验证，从理论和实验两个方面综合研究加工轨迹时空变化激励下的机床动力学行为及其演变规律，揭示机床动力学行为与加工过程交互作用对超光滑表面大周期波纹度生成的影响机制及响应传递规律，进而提出抑制措施，实现基于交互作用的超精密加工系统动力学与加工过程的匹配与优化，并将研究成果应用于单点金刚石飞刀铣削加工系统的改进和优化，解决KDP晶体光学元件加工的瓶颈问题。该研究成果对大口径KDP晶体超光滑表面的获取具有重要的理论意义与工程应用价值，对超精密加工系统也具有普遍意义。

本项目针对大口径KDP晶体超光滑表面存在大周期波纹度的加工难题，以单点金刚石飞刀铣削加工系统为研究对象，基于机床动力学与切削特性耦合分析，建立了机床热-机械耦合动力学与全加工过程断续-时变切削加工过程交互作用的仿真模型，并进行了实验验证，从理论和实验两个方面综合研究了加工轨迹时空变化激励下的机床动力学行为及其演变规律，揭示机床动力学行为与加工过程交互作用对超光滑表面大周期波纹度生成的影响机制及响应传递规律，指出机床结构在切削力作用下的动态响应是引起大周期波纹的关键因素，进而提出抑制措施，实现基于交互作用的超精密加工系统动力学与加工过程的匹配与优化，并将研究成果应用于单点金刚石飞刀铣削加工系统的改进和优化，解决KDP晶体光学元件加工的瓶颈问题。主要研究成果如下：.1）建立了KDP晶体加工机床的动力学仿真模型，创造性的提出了基于气膜压力分布的静压轴承动力学建模方法，为实现超精密加工装备的高精度建模奠定了基础； .2）采用小波分析的方法对KDP晶体表面形貌进行分解，建立了不同尺度表面形貌与光学指标之间的联系，指出KDP晶体表面高点和表面波纹是影响表面均方根梯度 (GRMS) 和功率谱密度 (PSD1) 指标的主要因素，为KDP晶体加工工艺参数的优化与机床结构的改进指明了方向；.3）通过建立全加工过程闭环链的动力学系统，实现了对机床结构和加工过程相互作用的建模仿真，再现了机床结构与加工过程之间的相互作用过程，揭示了机床结构与加工过程的交互作用下的表面形貌生成机理；.4）提出了机床复杂有限元动力学模型向简单数学模型的转化方法，该方法在提高计算效率的同时保证了计算结果的精度，基于该模型建立了交互作用与表面形貌之间的映射关系，采用数值方法详细分析了KDP晶体加工表面切削高点和表面波纹的成因，揭示了交互作用对大周期波纹度生成的机理，并提出了相应的解决方案。.