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王宝瑞 研究员0816-2485633 E-mail: immt@caep.ac.cn 超精密单点金刚石飞切机床研制 KDP晶体是一种优质的非线性光学材料,其作为光学倍频转换器及电光开关元件在ICF高功率固体激光系统中发挥着重要作用。KDP晶体具有质地软、易潮解、脆性高、高温度敏感性等特点,是一种非常难加工的光学材料,但是ICF激光系统对KDP晶体元件的表面粗糙度提出了极高的要求(RMS≤5?nm)。目前,国内在大口径KDP晶体的加工设备及加工技术方面与国外先进水平尚有一定差距,依靠自主力量研制超精密加工设备解决大口径KDP晶体光学元件的加工工艺难题已成为当务之急。 面向ICF激光装置中KDP晶体光学元件加工需求,我们研制开发了最大加工范围达500?mm(500?mm的超精密单点金刚石飞切机床,见图1。该机床基于低温度敏感性的高刚度大理石床身及气浮静压轴承/导轨支撑技术,采用力矩电机和直线电机直驱技术实现了主轴和工作台的高精度恒速驱动,从而有效地确保了KDP晶体光学元件飞切加工过程中所需的机床几何精度及运动精度的小误差和高稳定性。 1 高精度空气静压主轴/导轨的设计制造技术 我们研制的空气静压主轴采用“T”型结构和小孔节流方式,选用高级氮化钢?(m。 为了防止一般金属材料加工后内应力变形及热变形等问题影响,我们研发的单点金刚石飞切机床的导轨采用“C”型结构和小孔节流方式,选用高稳定性、低膨胀系数的天然大理石材料,经粗磨、精研及高精度组合装配等工艺技术措施,实现了导轨在全行程600?mm范围内任意150?mm长度的实测直线度优于0.07?(m。 2 主轴及工作台的高精度恒速直驱技术 单点金刚石飞切机床的工作台和主轴分别采用直线电机和力矩电机进行运动直驱,采用高精度直线光栅尺和圆光栅进行闭环位置检测,整个运动控制系统设计为基于观察器的3层控制模式,如图2所示,即:运动控制系统除了具备位置环、速度环、电流环三环控制,还带有速度、加速度、加速度jerk前馈控制,同时采用干扰观察器技术来抑制外部扰动对工作台直线运动速度和主轴转速稳定性精度的影响。工作台直线运动调速范围可达0.3~600?mm/min,主轴调速范围可达0~600?rpm。我们通过对控制模型和干扰模型的分析,经优化直驱电机驱动参数,实现了工作台在0.5~1?mm/min直线运动速度下速度波动值小于0.18?mm/min,主轴在200~300?rpm速度下速度波动值小于0.08?rpm,从而确保了单点金刚石飞切KDP晶体元件时,工作台和主轴的高精度恒速运行。 图 2 直驱系统层叠控制模型图 3 KDP晶体超精密飞切工艺验证实验 在对KDP晶体光学元件超精密单点金刚石切削机理进行深入研究的基础上,通过多轮实验迭代优化了相关刀具参数和机床切削参数,并经巧妙地调节金刚石刀具刃倾角,即使在较大切深的情况下也实现了脆性KDP晶体材料的塑性加工,这样有利于在保证KDP晶体元件切削精度的前提下提高加工效率。在对330?mm(330?mm(10?mm的KDP晶体工程样件进行飞切工艺验证实验后,采用ZYGO激光干涉仪检测全口径表面形貌,面形精度PV达到3?(m(见图3)、表面粗糙度Rq优于4?nm(见图4)。 图 3 面型精度PV=4.8(约3?(m 图 4 粗糙度Ra=2.6?nm,R=3.3?nm 科学意义 超精密加工技术作为高端制造技术的重要组成部分之一,是衡量一个国家制造技术水平的重要标志。作为超精密加工技术的支撑装备之一,超精密金刚石切削机床占有十分重要和不可取代的地位。本项目立足自主技术研发,通过深入研究KDP晶体的单点金刚石切削机理,突破了KDP晶体超精密加工工艺及装备制造关键技术,可以为国内相关领域光学元件的超精密加工需求提供具有工程应用价值的技术支撑。 展望 下一步将在进一步深入研究单点金刚石切削机理的基础上,优化超精密单点金刚石飞切机床的结构及控制系统设计技术,提升该类机床关键功能部件精密加工与装配的精度及批量制造能力,力争达到国外发达国家的先进水平。 单点金刚石飞切实验现场 速度环微分 电流前馈 加速度前馈 图 1 超精密单点金刚石飞切机床 电流环带宽 设定参数 速度环刚性 速度环阻尼 实时信号 (速度控制器) 滤波-实时加速 实际测量监视 速度前馈 加速度前馈

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