论文摘要

论文名称：薄壁曲面零件五轴侧铣加工过程几何-力学仿真及变形误差刀路补偿

论文作者：上海交通大学 / 李洲龙

指导教师：朱利民《研究领域：数控加工技术与装备、机器人化智能制造装备》

Yusuf Altintas《研究领域：金属切削、机床振动、控制和虚拟加工》

五轴侧铣加工因具有极高的加工效率和表面质量，在航空航天复杂零件制造中有着广泛的应用。但由于切削几何的复杂性和加工系统的弱刚性，复杂薄壁件侧铣加工往往容易出现刀具包络面与设计面几何失配引起的刀路偏差和时变强切削力引起的让刀变形误差，导致加工精度难以保证。针对上述问题，本文开展了五轴加工过程的几何-力学集成仿真研究，解决了侧铣刀路误差控制和五轴铣削力精确预报的难题，提出了基于刀位修正的加工让刀变形补偿技术，显著提高了复杂薄壁零件的加工精度。本文的主要研究内容如下：

（1）提出了考虑刀具跳动的五轴侧铣包络面建模与刀路优化新方法。推导了刀齿在刀具跳动影响下的回转面及扫掠包络面表达式，并依据加工表面成形原理拼接最外层刀齿包络面为刀具有效包络面。将考虑跳动的侧铣刀路优化问题归结为刀具有效包络面向设计曲面的最佳一致逼近问题，通过微量调整刀轴轨迹实现了刀具路径几何精度的大幅提升。

（2）提出了一种精确高效判定五轴加工中刀具-工件啮合区域的弧面求交法。基于刀具运动信息提取了刀具轴向离散可行接触圆弧集，应用弧面相交法及距离场法精确提取了啮合圆弧段，进而轴向插值判定刀具-工件啮合区域。该方法降低了计算维度，解决了传统实体建模法计算效率低、鲁棒性差和离散几何建模法计算精度低的问题。

（3）提出了一种综合考虑刀具跳动影响和底刃切削效应的五轴铣削力预报方法。建立了适用于变进给、曲线路径以及刀具跳动影响下的五轴加工瞬时切厚计算模型，解决了基于经典简化模型和基于次摆线轨迹模型在切厚计算中难以兼顾计算效率和精度的问题。发展了考虑底刃切削效应的平底刀切削力预报模型及实验标定方法，解决了现有模型在五轴负倾角加工工况下切削力预报失准的难题。

（4）提出了适用于复杂薄壁零件五轴侧铣工况的加工变形预报与刀路补偿技术。建立无需网格重划的工件刚度修正模型，提出了切削力-变形耦合迭代式，探明了五轴侧铣变形映射原理，实现了薄壁曲面侧铣加工变形的准确预报。在此基础上，建立了变形误差关于刀轴面调整的微分关系，通过刀路优化实现了融合变形的加工成形面向设计曲面的最佳一致逼近，显著提升了薄壁曲面零件的加工精度。

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论文名称：轴对称非球面之绝对形状误差量测

论文作者：清华大学 / 林炜晟

指导教师：宋震国《研究领域：动力学、机械设计、材料应用、工具机系统及液静压轴承设计》

陈政寰《研究领域：微光学、绕射光学、显示光学系统与光学系统 设计》

非球面光学元件表面形貌的干涉量测因须透过电脑全像片、零透镜等补偿元件提供与待测元件相匹配之理想非球面波前，故需严谨与复杂的程序进行量测系统即包含干涉仪内部光路系统对准误差、参考球面镜头与补偿元件等误差的校正。然而，量测结果亦包含镜片之夹持变形、承受重力之自重变形与量测环境的震动与气流扰动等资讯，此类误差源对中大口径、量测光程长的光学元件之面形检测影响甚重。近年，诸多文献探讨光学元件的绝对形状量测技术，透过多组态的量测架构可将量测系统的误差校正至感测器像数等级，但量测光路架构外之误差源除了重力透过镜片承受正、负重力下之量测平均与透过有限元素分析预测外，尚未有一方法可从量测资讯中判别其影响。本研究提出一绝对形状误差量测法，透过Zernike coefficient圆周向周期特征将光学元件表面形貌之非轴对称系数项予以解析，并搭配随机球量测法将轴对称系数项予以解析，解析后之Zernike coefficient经重新拟合波前误差可预测在无重力变形下之低空间频率之形状误差。然而，量测资讯包含了Zernike coefficient可拟合之低空间频率与不可拟合之中、高空间频率形状误差，将重建后之低空间频率误差图与中、高频空间频率误差图进行迭合即可得到全域高解析之绝对形状误差图。本研究透过光学模拟验证方法后并使用三种不同量测工具对球面光学元件进行量测比对，探讨此方法之精确性与再现性。验证后，应用于直径300厘米非球面反射镜之表面形状修正抛光使其形状误差优于波峰-波谷值 0.125波长之规格。抛光后将反射镜组装于经有限元素软体优化设计之重力相消夹持机构，将组装后之形状误差与制程阶段之量测结果进行比对，其差异优于波锋-波谷值 0.01波长与均方根值 0.001波长。本研究提出之方法除可校正非球面形状误差量测时之量测系统误差外，亦可预测在无重力、夹持固锁变形下之真实表面形状误差，透过拟合平均结果亦可将环境干扰的因素予以排除，未来可应用于更高精度非球面光学元件。

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论文名称：混合磨料柔性抛光工具加工蓝宝石衬底技术研究

论文作者：华侨大学 / 许永超

指导教师：徐西鹏《研究领域：石材先进加工工具与技术、半导体材料精密超精密磨粒加工新技术》

陆静《研究领域：纳米材料的表面修饰改性及应用、超精密磨抛工具》

由于蓝宝石材料硬度大、脆性高和耐腐蚀，传统的铜抛和化学机械抛光方法存在着加工效率低、成本高和污染环境等缺点。本文基于固相反应原理提出了软硬混合磨料抛光蓝宝石衬底的新构想，开展了针对蓝宝石衬底的混合磨料抛光技术研究。

通过理论和试验的方法研究了不同种类软磨料与蓝宝石在研抛条件下的反应活性。研究表明在摩擦力诱导的条件下，二氧化硅较氧化镁和氧化铁磨料对蓝宝石具有更高的反应活性，最易与蓝宝石发生固相化学反应生成硅酸铝盐。

通过制备混合磨料半固结柔性抛光盘进行蓝宝石衬底的抛光试验。结果表明当软质磨料的化学反应作用和硬质磨料的机械去除作用达到动态平衡时，软硬混合磨料较单一硬质磨料的材料去除率提高了52.63%，同时表面粗糙度Sa降低了19.55%。分析了软硬混合磨料的去除机理，建立了混合磨料的材料去除模型。经过机械接触-反应层预生成-反应层生成-反应层去除四个阶段实现了材料去除。

探索了高活性磨料和环境友好型的酸碱性加工环境协调混合磨料加工过程中化学作用与机械作用之间的匹配性。结果表明采用高活性软磨料和合适的有机酸碱化合物有效提高了加工表面质量和加工效率。

通过制备核壳结构的复合磨料改变软磨料的受力方式以促进混合磨料的加工性能。结果表明金刚石/羟基氧化铁复合磨料能够有效减小晶片表面划痕深度，且羟基氧化铁壳层能够增强抛光盘基体对金刚石磨粒的把持力，有效地延长了抛光工具的使用寿命。

提出了以混合磨料柔性抛光工具和气液辅助化学机械抛光的新工艺取代传统的铜抛和化学机械抛光工艺来获得超光滑无损伤表面的新工艺，使得蓝宝石晶片在粗抛光阶段的加工时间缩短至50min，加工效率提高了将近65%。

本文的研究丰富了蓝宝石衬底抛光技术的思路和方法，对实现蓝宝石衬底的高效率、高质量和无污染的抛光加工具有现实指导意义。

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