用于KDP晶體切削的俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)*

夏 歡 吉 方 陳東生

(中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

用于KDP晶體切削的俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)*

夏 歡 吉 方 陳東生

(中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

介紹了一種在側(cè)棱加工中應(yīng)用的機(jī)床工件裝卡的俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，采用運(yùn)動(dòng)分析、受力分析、應(yīng)力應(yīng)變分析等優(yōu)化俯仰機(jī)構(gòu)的受力情況和整體剛度，獲得了具有Z向移動(dòng)量小，整體剛性高，有利于實(shí)現(xiàn)KDP晶體的高精度表面質(zhì)量，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到此種俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)粗糙度的加工。且采用此種調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、具有自鎖功能、結(jié)構(gòu)簡單、拆裝方便。

俯仰調(diào)節(jié)；KDP晶體；剛度；機(jī)構(gòu)

俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是一種常見的角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，應(yīng)用廣泛如風(fēng)洞、鼓風(fēng)機(jī)、磨刀機(jī)、船舶、鐵路、機(jī)床、醫(yī)療等均有俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)[1-5]。在機(jī)床中，俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要作為機(jī)床輔助裝卡工裝，這類工裝在工件加工時(shí)，可調(diào)整工件與工作臺(tái)之間的角度，從而實(shí)現(xiàn)工件上不同角度斜面加工要求。

正弦工作臺(tái)是機(jī)床輔助角度調(diào)節(jié)工裝中一種典型代表，通過一系列標(biāo)準(zhǔn)墊塊和合頁式鉸鏈結(jié)構(gòu)構(gòu)成正弦工作臺(tái)[6-8]，實(shí)現(xiàn)被加工件加工時(shí)的不同角度斜面的要求。當(dāng)前我國神光-Ⅲ等重大光學(xué)工程急需大量的大口徑KDP晶體，在安裝和使用過程中除了對(duì)大平面提出高指標(biāo)的精度要求，也進(jìn)一步對(duì)側(cè)面和側(cè)棱提出了加工要求，且要求面形精度、表面質(zhì)量及表面缺陷等指標(biāo)達(dá)到較高水平。但由于正弦工作臺(tái)這種俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的鉸鏈在下端，當(dāng)工件尺寸大，且角度要求大時(shí)，整個(gè)正弦機(jī)構(gòu)會(huì)比較龐大，對(duì)機(jī)床的空間尺寸提出了要求，另一方面工件的Z向調(diào)節(jié)量很大，導(dǎo)致加工刀具調(diào)節(jié)量大。

目前KDP晶體的側(cè)棱加工主要采用單點(diǎn)金剛石飛切加工[9-10]，飛切設(shè)備中刀具固定在刀盤上，其Z向調(diào)節(jié)量有限，另外為保證KDP晶體的納米和亞納米級(jí)加工精度不受影響，對(duì)側(cè)棱的角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)剛性要求很高，因此正弦工作臺(tái)這種機(jī)床輔助裝卡工裝在KDP晶體切削中不適用。

1 俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在大角度調(diào)節(jié)時(shí)Z向行程大、系統(tǒng)剛性差的不足，本文提出了一種俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，用于KDP晶體側(cè)棱與側(cè)面加工的俯仰調(diào)節(jié)。該機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)工件0°側(cè)面及30°～60°側(cè)棱的加工，同時(shí)可滿足工件的面形精度、表面質(zhì)量及表面缺陷等指標(biāo)要求。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)采用具有自鎖功能的梯形絲杠傳動(dòng)，手輪搖動(dòng)梯形絲杠驅(qū)動(dòng)雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的角度調(diào)節(jié)，俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)采用雙圓弧導(dǎo)軌支承并導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)工件0°～60°連續(xù)可調(diào)，Z向移動(dòng)量小于20 mm，同時(shí)雙圓弧導(dǎo)軌支承和雙曲柄滑塊驅(qū)動(dòng)點(diǎn)都在俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上端，增加機(jī)構(gòu)上端的剛性，從而使得該裝置具有Z向移動(dòng)量小，整體剛性高的特點(diǎn)，而工件的加工面處于機(jī)構(gòu)上端，這有利于提高被加工件的面形精度和表面質(zhì)量，使加工表面少缺陷、甚至無缺陷。而且整套俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便。

2 俯仰機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、受力分析

俯仰機(jī)構(gòu)從0°旋轉(zhuǎn)到60°時(shí)，即角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中的托板帶動(dòng)真空吸具和工件旋轉(zhuǎn)，圖2中的1號(hào)線表示旋轉(zhuǎn)中曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的連桿；2號(hào)線表示旋轉(zhuǎn)點(diǎn)與被加工件的上下棱邊和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)固定點(diǎn)之間的連線；3號(hào)線表示曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡線。圖2中的被加工件處于與豎直方向夾角30°的位置，即在加工時(shí)，根據(jù)需要，對(duì)被加工件旋轉(zhuǎn)±30°(按照順時(shí)針為負(fù)方向，逆時(shí)針為正方向)。旋轉(zhuǎn)-30°后俯仰機(jī)構(gòu)中的被加工件旋轉(zhuǎn)到0°，加工KDP晶體的側(cè)面；旋轉(zhuǎn)30°后俯仰機(jī)構(gòu)中的被加工件旋轉(zhuǎn)到60°，加工KDP晶體的側(cè)棱。

俯仰機(jī)構(gòu)在0°～60°正行程過程中,連桿受拉，俯仰板受力如圖3所示(圖中為俯仰板60°),在俯仰板運(yùn)動(dòng)到60°時(shí),連桿承受最大的拉力。

圖3中，G為俯仰板的重力；Fn為圓弧導(dǎo)軌對(duì)滑塊的支持力；F為連桿對(duì)俯仰機(jī)構(gòu)的作用力；L1為重心到旋轉(zhuǎn)中心的距離(G的力臂)；L2為連桿作用點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)中心的距離(F的力臂)。

由力學(xué)分析可知，俯仰板能順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，需∑M=F·L2-G·L1≥0。其中L1=109.384 6 mm，L2=13.707 1 mm，G=460 N。

由計(jì)算可得，F(xiàn)≥3 670.86 N，兩根連桿分別受力為F’=F/2=1 835.43 N。連桿為二力桿，F(xiàn)=T’，滾珠絲桿的推力T=T’cos38°=2 892.68 N。

俯仰機(jī)構(gòu)在60°～0°回程過程中，連桿受壓，俯仰板在60°～14°左右，主要由重力提供回程力矩，連桿基本上不受壓力；俯仰板在小于14°時(shí)，重力不再提供回程力矩，由受壓連桿提供回程力矩，當(dāng)俯仰機(jī)構(gòu)處于0°時(shí)，連桿所受的壓力最大，F(xiàn)=103.87 N，滾珠絲桿的推力T=T’cos60°=Fcos60°=51.935 N。

3 應(yīng)力、應(yīng)變計(jì)算分析

俯仰機(jī)構(gòu)零部件材料基本都為45鋼，所以按鋼計(jì)算，彈性模量E=200 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 830 kg/m3。計(jì)算俯仰機(jī)構(gòu)在切削力作用下的變形和應(yīng)力，計(jì)算得到俯仰機(jī)構(gòu)的應(yīng)力和變形分別如圖4、圖5所示。俯仰機(jī)構(gòu)考慮機(jī)構(gòu)自身自重的情況下，受到Z方向力取5 N，X方向的主切削力取10 N，X、Y、Z方向見圖4、圖5中的坐標(biāo)系。

在切削力作用下俯仰機(jī)構(gòu)的最大變形約為0.03 mm，最大應(yīng)力約為18.5 MPa。整個(gè)機(jī)構(gòu)的變形量和應(yīng)力都比較小，說明該機(jī)構(gòu)具有較好的剛度。

俯仰機(jī)構(gòu)的最大變形量達(dá)到了30 μm，但造成結(jié)構(gòu)變形的主要因素是重力，機(jī)構(gòu)重力引起的變形為恒定值，不會(huì)發(fā)生改變，而且最大變形處位于KDP晶體的下端面，因此不會(huì)對(duì)加工精度造成影響；在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)中連桿的上端變形為10 μm左右，下端變形很小，因?yàn)榍瑝K機(jī)構(gòu)的受力恒定，因此曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變形也是恒定變形，不會(huì)對(duì)KDP晶體的加工精度造成影響。

在重力和切削力共同作用下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力處約為18.5 MPa，發(fā)生于弧形導(dǎo)軌的滑塊上。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)連桿上的作用力很小，因?yàn)镵DP晶體及吸附工裝結(jié)構(gòu)對(duì)稱、重心在整個(gè)機(jī)構(gòu)的中心位置，重力主要靠滑軌來平衡，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)連桿主要提供部分作用力產(chǎn)生一個(gè)力矩使KDP晶體及吸附工裝不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。為增強(qiáng)圓弧導(dǎo)軌的承載力和剛度，在設(shè)計(jì)時(shí)選擇V型結(jié)構(gòu)的圓弧導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，符合整個(gè)機(jī)構(gòu)的受力的特點(diǎn)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)集成到單點(diǎn)金剛石飛切機(jī)床上進(jìn)行KDP晶體的側(cè)棱切削實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)迭代優(yōu)化相關(guān)刀具參數(shù)和機(jī)床切削參數(shù)，分別對(duì)KDP晶體和硬鋁做了相關(guān)的切削實(shí)驗(yàn)。對(duì)420 mm×420 mm的鋁鏡進(jìn)行飛切工藝實(shí)驗(yàn)后，再采用ZYGO激光干涉儀進(jìn)行了全口徑表面形貌檢測(cè)，結(jié)果為：面形精度PV達(dá)到2.75λ(約1.7 μm)(如圖6所示)；采用白光干涉儀測(cè)量KDP晶體表面粗糙度Ra為3.5 nm(如圖7所示)。

5 結(jié)語

KDP晶體側(cè)棱加工的幾何精度和粗糙度將直接對(duì)光學(xué)元件在光路中的安裝定位精度、光束的調(diào)整精度、光路損失等產(chǎn)生重要影響。本文設(shè)計(jì)的俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)KDP晶體的高精度切削，單點(diǎn)金剛石切削實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)粗糙度的加工，以及微米級(jí)的幾何精度，對(duì)提高我國光學(xué)元件關(guān)鍵制造裝備提供技術(shù)支持。

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Pitching adjusting mechanism design for cutting KDP crystal

XIA Huan, JI Fang, CHEN Dongsheng

(Institute of Mechanical Manufacturing Technology, China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，CHN)

A pitching adjusting mechanism is introduced in this paper, which is used for machine tool clamping in KDP crystal side edge machining. The kinematics, force, stress and strain of the mechanism were analyzed to optimize the force condition and structure rigidity, in order to acquire small motion inZdirection and high rigidity, which is useful for the KDP crystal high precision surface. The machining experiment indicates that nanometer roughness can be achieved with the pitching adjusting mechanism. The mechanism has the advantage of stable movement, self-locking function, simple structure, convenient mounting and dismounting.

pitching adjusting; KDP crystal; rigidity; mechanism

*國家“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)“強(qiáng)激光光學(xué)元件超精密制造關(guān)鍵裝備研制”課題資助(2013ZX04006011)

TH122

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.09.028

夏歡，男，1981年生，工程師，主要從事空氣靜壓軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究工作。

?靜) (

2015-12-15)

160933