基于刀具磨损与热变形分析的大型金属反射镜金刚石切削加工面形误差补偿技术的研究

金刚石超精密切削在大型金属反射镜制造方面具有确定性加工等技术优势，但由于零件大尺寸效应所导致的金刚石刀具磨损和热变形严重影响加工精度，成为制约大型金属反射镜面形精度提高的技术瓶颈。本课题针对大口径SiC基体金属反射镜金刚石切削加工存在的面形误差问题，应用大规模分子动力学对力-热耦合作用下金刚石刀具的磨损过程进行建模及动态仿真分析，从理论上揭示刀具磨损的主要影响因素及其影响规律；建立金刚石刀具热变形的数学计算模型，获得大型金属反射镜超精密切削中金刚石车刀热变形与加工面形误差的对应关系，实现金刚石刀具磨损和热变形对大型金属反射镜超精密切削加工面形误差影响的理论预测，提出抑制大型金属反射镜超精密切削加工面形误差的技术措施，为国家重大科技工程需求的大型光学零件的高效超精密加工提供理论基础与工艺技术支撑。研究结果对提高金刚石切削技术水平和发展高新尖端技术具有重要的理论意义与工程应用价值。

针对大口径金属反射镜金刚石切削加工中刀具磨损和热变形影响面形精度的问题，首先建立了单晶铝超精密切削分子动力学仿真模型，分析研究了金刚石刀具的微观磨损机理；并进行了相关实验，利用扫描电镜及共聚焦显微镜对刀具磨损表面和切屑成分进行检测分析，验证刀具微观磨损机理的准确性，并分析了各切削因素及刀具几何参数对金刚石刀具磨损的影响规律。另外，利用AdvantEdge进行了切削参数及刀具参数对切削温度的影响规律的仿真分析，发现切削速度对切削温度的影响最显著，仿真与实验结果误差在10%以内，验证了有限元仿真模型的有效性。并得到刀具热变形量的模拟公式.从实验与仿真结果中可以发现，最大刀具热变形量达到了7μm，会对零件的面形精度产生很大影响；最后进行了大型铝合金反射镜超精密切削实验，利用ZYGO平面型干涉仪检测了大型金属反射镜的面形精度，分析了刀具磨损与热变形对大型金属反射镜超精密切削加工面形误差的影响，提出了考虑刀具磨损与热变形对面形误差影响的技术措施，将至少使零件提高面形精度20-40%，为重大科技工程需求的大型光学零件的高效超精密加工提供理论基础与工艺技术支撑。