机械硕士毕业论文写作指南


电解自修锐弹性磨抛工具系统开发与实验研究

1   绪论 

 

1.1 研究背景及意义

随着航空航天各领域技术的不断发展进步,复杂光学曲面零件的应用领域不断扩大[1]。反射镜作为光学系统和各种卫星及天体监视器等空间成像设备的关键元器件,性能逐渐呈现材料硬脆化、重量轻质化和面形复杂化等趋势,对其制备材料的物化要求不断提高。碳化硅硬脆陶瓷材料具有化学性质稳定、热变形系数小、弹性模量高、耐磨性好、密度小、硬度大等良好性能,被广泛应用于大型轻量化空间宇航望远镜的制作[2-4]。图 1.1 所示为碳化硅反射镜的应用。碳化硅反射镜得到广泛应用的同时,其加工难度以及表面精度控制要求也在不断提高[5,6]。为获取更高的光学系统分辨率,空间光学反射镜的有效口径及相应的面型精度要求被不断提高,对表面粗糙度的要求也提高了数十倍[7]。上世纪九十年代,HST)其有效口径为 2.4 ,  1.2 所示为哈勃空间望远镜镜面抛光过程与整体结构。自由曲面光学元器件的严苛精度要求使得高精度自由曲面光学元器件的制造技术成为了国内外学者所面临的重大科研难题。从上个世纪九十年代开始,我国一些研究机构和高校的研究学者相继对自由曲面光学元器件加工技术展开了研究[8-13]。 碳化硅反射镜的表面质量直接决定整个光学系统的工作性能。作为空间反射镜,其外形多为非回转对称、形状不规则的自由曲面[14,15],工件表面各个区域曲率不尽相同,其面型的特殊性大大增加了工艺难度,因此所制备的磨抛工具头与自由曲面接触区域的曲率应具有良好的动态匹配性能[16,17]。 本文针对碳化硅陶瓷反射镜的硬脆特性以及面型复杂难加工等特点,提出一种全新的磨抛加工方法。基于自主研发的随形自适应磨抛机床,搭建电解自修锐弹性磨抛实验台。在此基础上,开发设计了一套新型的电解自修锐弹性磨抛工具系统,对磨抛实验台的整体控制方案进行了设计,重点完成了电解自修锐弹性磨抛工具头的制备。通过大量的抛光实验验证了所设计的电解自修锐弹性磨抛实验台的磨抛有效性与可行性,为自由曲面研磨加工提供了一种新的途径。本文重点针对上述电解自修锐弹性磨抛实验平台及工具系统的结构设计、控制方案、磨抛工具头的制备、磨抛工艺参数及主要制备成分对磨抛质量的影响关系等方面内容进行深入探讨和研究。 机械硕士毕业论文写作联系编辑微信 LunwenFz


.......

 

1.2  国内外相关技术发展及研究现状

碳化硅反射镜的相关研究始于上世纪的 80 年代,碳化硅材料以其优良的物化性能逐渐成为空间反射镜制备的首选材料[18-21]。碳化硅工程陶瓷稳定的化学性质以及硬脆特性使得高质量的碳化硅光学镜面难以通过传统的成形加工方法获得,一些研究学者不断探索更符合硬脆陶瓷加工性能要求的磨削成形方法,主要包括表面改性加工、超声磨削加工、金刚石砂轮在线修整加工(ELID)、离子束抛光等加工方式。 碳化硅表面改性加工主要是通过一些特定的手段在碳化硅材料表面镀一层致密化学涂层,使材料表层变软,改善碳化硅表面加工性能,覆盖表面原有缺陷。国内外的研究学者针对碳化硅表面改性加工方法进行了大量的研究:英国的Morgon Advanced Materials 公司积累了丰富的碳化硅表面改性加工经验,已具有成熟的碳化硅表面改性加工工艺[22]Trax Advanced Materials 公司所加工的碳化硅改性层精度优于 0.2nm[23]Tobin 等人对离子喷涂碳化硅材料进行了研究,所得抛光后的碳化硅反射镜其表面粗糙度值小于 0.3nm RMS[24];国内,中国科学院光学精密机械与物理研究所张峰、张学军等人采用离子束辅助沉积(IBAD)的表面改性方法,应用自主研发的 FS-GJ-2 非球面数控加工中心对碳化硅表面改性层进行超精密抛光,得到高质量的碳化硅光学表面,有效提高了加工效率[25,26],如图1.3 所示即为 FS-GJ-2 非球面数控加工中心;国防科技大学的刘荣军、张长瑞等应用化学气相沉积(CVD)技术对碳化硅材料进行表面改性加工,高纯石墨作为沉积基体,在负压的条件下沉积得到 CVD 的碳化硅涂层,同时分析了碳化硅晶体的生长行为,改性后的光学表面粗糙度达到 0.429nm RMS[27],图 1.4 所示为国防科技大学化学气相沉积设备。 

..........

 

2   电解自修锐弹性磨抛理论研究

 

基于自主研发的随形自适应磨抛机床,将砂轮在线电解修整磨削技术与电解砂带磨削技术磨削原理相结合,采用特定的聚合物电解质作为结合剂,保证电解自修锐弹性磨抛工具头的弹性磨抛与电解自修锐性能要求。通过电解自修锐过程保证磨粒不断的均匀暴露,减少工具磨损,提高磨削效率与加工质量,同时聚合物电解质结合剂保证磨抛头具有一定的弹性,以适应自由曲面的加工要求。

 

2.1   电解反应发生原理

电解反应进行过程中,阳极金属、工具阴极与电解液构成一个封闭的电解回路。阳极与阴极分别接上电源后,在电流的作用下分别发生氧化和还原反应。以电解铁为例,如图 2.1 所示为电解反应过程示意图,选定中性 Na Cl 溶液作为电解液。在电解反应中,金属铁作为阳极反应金属与电源正极相连,金属铜作为阴极还原金属与电源负极相连。接通电源后电解反应开始进行,在外电压的作用下金属导体与溶液中的自由电子作定向移动,阳离子向负极进行定向移动,阴离子向正极进行定向移动,在金属与电解液表面发生有电子参与的电化学反应,形成一个导电回路[54-56]。在电解过程中阳极反应金属不断被溶解,产生絮状沉淀物,阴极还原金属附近有气泡冒出。两极之间的电压大小对电解速度具有很大影响,当增加正负电极之间的电压时,两极间电流增大,则电解过程速度提高。同时,电解液中离子浓度也会对电解反应速率产生影响,电解液浓度越大,可参与电解反应的离子数量越多,电解反应速率越大。 上述电解反应过程中,阳极铁金属失去电子逐渐被溶解,发生氧化反应,电解液中的氢离子在阴极金属铜表面被还原,不断溢出氢气。氧化还原反应过程可用下列反应方程式描述。 

............

 

2.2   电解自修锐弹性磨抛加工

本文所设计的电解自修锐弹性磨抛工具系统中,磨抛工具头的磨抛加工原理区别于传统的电化学机械磨削加工。电解砂带磨削技术是将工件作为阳极反应金属,材料去除过程中起主要作用的是阳极的电化学溶解反应,砂带磨削的作用主要是去除阳极金属表面阻碍电解反应继续进行的金属钝化膜。所制备的电解自修锐弹性磨抛工具头进行磨抛加工过程中,磨抛工具头将作为阳极反应电极,工件则作为阴极,磨抛工具头与被加工工件的磨抛间隙充满电解液,阳极和阴极通过电解液连接形成一个闭合电解回路,磨抛工具头的主要制备成分应含有可作为阳极反应金属发生电解反应的成分。磨抛过程中,磨抛工具头表面的磨粒不断对工件进行磨抛去除作用,工件表面以及磨抛工具头表面所脱落的微观磨屑将会阻塞磨抛工具头,阻碍磨抛加工的进行,磨抛工具头作为阳极发生电解反应被不断溶解,新的磨粒将不断均匀露出,同时磨抛工具头表面所脱落的聚合物电解质结合剂以及附着堵塞的微观磨粒通过电解作用和电解液的冲刷作用而脱离磨抛工具头表面,新的磨抛层均匀整齐的暴露出来,从而完成磨抛工具头的电解自修锐过程,有效提高磨抛去除效率以及工件的表面质量。

........

 

3   电解自修锐弹性磨抛工具系统开发 .......... 23 

3.1   电解自修锐弹性磨抛机床总体结构 ....... 23 

3.2   电解自修锐弹性磨抛工具系统 .......... 24

3.2.1   主轴电机 ...... 24 

3.2.2   电机驱动器 ........ 26 

3.2.3   压力传感器 ........ 28 

3.2.4   工具系统结构设计.... 30 

3.2.5   电解电源 ...... 31 

3.2.6   电源控制柜系统配置...... 33 

3.3   磨抛工具系统总体控制方案 ........ 34 

3.4   本章小结 ...... 35 

4   电解自修锐弹性磨抛工具头制备 ........ 37 

4.1   电解自修锐弹性磨抛工具头性能要求 ......... 37

4.2   电解自修锐弹性磨抛工具头制备过程 ......... 38

4.3   电解自修锐弹性磨抛工具头性能分析 ......... 47

4.4   本章小结 ...... 55

5   电解自修锐弹性磨抛工具头实验研究 ..... 57

5.1   实验条件与实验装置 ......... 57 

5.2   磨抛实验方案 .......... 58 

5.3   磨抛工具头加工质量影响因素分析 ....... 64

5.4   本章小结 ...... 70 

 

5   电解自修锐弹性磨抛工具头实验研究

 

电解自修锐弹性磨抛工具头的制备以及磨抛实验研究为本文的核心内容,在上一章中重点完成了电解自修锐弹性磨抛工具头的制备,并对其相关力学性能指标进行了分析。本章将应用所制备的电解自修锐弹性磨抛工具头进行磨抛实验研究。采用正交试验设计方案,对不同磨抛加工参数与磨抛效果的影响关系进行分析,研究磨抛过程中磨抛工具头的电解自修锐过程对加工效果的影响,对不同磨抛工具头的磨抛实验结果进行对比研究,分析磨抛工具头各主要制备成分对磨抛效果的影响,验证电解自修锐弹性磨抛工具系统的可行性。 

 

5.1   实验条件与实验装置

基于自主研发的复杂曲面随形自适应磨抛机床搭建电解自修锐弹性磨抛工具系统,如第 3 章所述。将所制备的电解自修锐弹性磨抛工具头试件依次安装到磨抛机床所设计的主轴工具头夹具上,进行电解磨抛加工实验研究。将磨抛工具系统各硬件结构依次连接,并完成调试。六维力传感器可通过电荷放大器与数据采集卡对加工过程进行信号实时采集、计算并存储,加工过程中力的变化可实时显示,对加工过程的参数控制具有重要意义。同时,将所选定的不同浓度电解液调和好备用,选定碳化硅自由曲面作为被加工工件。具体实验条件及实验准备过程在前文中已做详细介绍。 

......

 

结论

 

本文以国家自然科学基金项目“Si C 自由曲面电解砂带抛光界面作用机理研究(编号:51305161)作为研究背景,开发并搭建了电解自修锐弹性磨抛实验平台。确定了磨抛实验台的系统控制方案。完成了电解自修锐弹性磨抛工具头的制备,通过正交试验结果对比分析,确定电解自修锐弹性磨抛工具头的最佳制备成分配比方案。本文完成的主要工作及相应结论概括如下: 

(1)  重点分析了电解自修锐弹性磨抛工具头的磨抛原理。对磨抛过程中的电解自修锐过程进行了深入的理论分析,找到电解磨抛质量的主要影响因素;分析了磨抛工艺参数与加工质量之间的影响规律,提出了有效提高磨抛加工效率的途径,对主要电解参数进行了合理选择。 

(2)  基于自主研发的磨抛机床开发设计了电解自修锐弹性抛光实验平台。完成了实验平台硬件结构的选型与设计,主要包括主轴电机、主轴电机驱动器、脉冲电解电源的选择;启用 Auto CAD 完成了工具系统的结构设计,主要包括主轴电机夹具的设计、电机主轴的设计以及工件夹具的设计;对电源电控柜系统配置进行了设计;完成了电解自修锐弹性磨抛工具系统的整体控制方案设计。 

(3)  根据电解自修锐弹性磨抛头的加工性能要求,选定磨抛工具头的主要制备成分。选定 PEO 基聚合物电解质作为磨抛工具头的结合剂;采用正交试验设计方案制备多组磨抛头试件,对主要制备成分对力学性能的影响进行极差分析;应用 MATLAB 对力学性能的各影响因素进行多元线性回归分析,反求经验公式,确定电解自修锐弹性磨抛工具头的最佳制备成分配比方案。 

.........

参考文献(略)