論文摘要

論文名稱：薄壁曲面零件五軸側銑加工過程幾何-力學仿真及變形誤差刀路補償

論文作者：上海交通大學 / 李洲龍

指導教師：朱利民《研究領域：數控加工技術與裝備、機器人化智能制造裝備》

Yusuf Altintas《研究領域：金屬切削、機床振動、控制和虛擬加工》

五軸側銑加工因具有極高的加工效率和表面質量，在航空航天復雜零件制造中有著廣泛的應用。但由于切削幾何的復雜性和加工系統的弱剛性，復雜薄壁件側銑加工往往容易出現刀具包絡面與設計面幾何失配引起的刀路偏差和時變強切削力引起的讓刀變形誤差，導致加工精度難以保證。針對上述問題，本文開展了五軸加工過程的幾何-力學集成仿真研究，解決了側銑刀路誤差控制和五軸銑削力精確預報的難題，提出了基于刀位修正的加工讓刀變形補償技術，顯著提高了復雜薄壁零件的加工精度。本文的主要研究內容如下：

（1）提出了考慮刀具跳動的五軸側銑包絡面建模與刀路優化新方法。推導了刀齒在刀具跳動影響下的回轉面及掃掠包絡面表達式，并依據加工表面成形原理拼接最外層刀齒包絡面為刀具有效包絡面。將考慮跳動的側銑刀路優化問題歸結為刀具有效包絡面向設計曲面的最佳一致逼近問題，通過微量調整刀軸軌跡實現了刀具路徑幾何精度的大幅提升。

（2）提出了一種精確高效判定五軸加工中刀具-工件嚙合區域的弧面求交法。基于刀具運動信息提取了刀具軸向離散可行接觸圓弧集，應用弧面相交法及距離場法精確提取了嚙合圓弧段，進而軸向插值判定刀具-工件嚙合區域。該方法降低了計算維度，解決了傳統實體建模法計算效率低、魯棒性差和離散幾何建模法計算精度低的問題。

（3）提出了一種綜合考慮刀具跳動影響和底刃切削效應的五軸銑削力預報方法。建立了適用于變進給、曲線路徑以及刀具跳動影響下的五軸加工瞬時切厚計算模型，解決了基于經典簡化模型和基于次擺線軌跡模型在切厚計算中難以兼顧計算效率和精度的問題。發展了考慮底刃切削效應的平底刀切削力預報模型及實驗標定方法，解決了現有模型在五軸負傾角加工工況下切削力預報失準的難題。

（4）提出了適用于復雜薄壁零件五軸側銑工況的加工變形預報與刀路補償技術。建立無需網格重劃的工件剛度修正模型，提出了切削力-變形耦合迭代式，探明了五軸側銑變形映射原理，實現了薄壁曲面側銑加工變形的準確預報。在此基礎上，建立了變形誤差關于刀軸面調整的微分關系，通過刀路優化實現了融合變形的加工成形面向設計曲面的最佳一致逼近，顯著提升了薄壁曲面零件的加工精度。

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論文名稱：軸對稱非球面之絕對形狀誤差量測

論文作者：清華大學 / 林煒晟

指導教師：宋震國《研究領域：動力學、機械設計、材料應用、工具機系統及液靜壓軸承設計》

陳政寰《研究領域：微光學、繞射光學、顯示光學系統與光學系統 設計》

非球面光學元件表面形貌的干涉量測因須透過電腦全像片、零透鏡等補償元件提供與待測元件相匹配之理想非球面波前，故需嚴謹與復雜的程序進行量測系統即包含干涉儀內部光路系統對準誤差、參考球面鏡頭與補償元件等誤差的校正。然而，量測結果亦包含鏡片之夾持變形、承受重力之自重變形與量測環境的震動與氣流擾動等資訊，此類誤差源對中大口徑、量測光程長的光學元件之面形檢測影響甚重。近年，諸多文獻探討光學元件的絕對形狀量測技術，透過多組態的量測架構可將量測系統的誤差校正至感測器像數等級，但量測光路架構外之誤差源除了重力透過鏡片承受正、負重力下之量測平均與透過有限元素分析預測外，尚未有一方法可從量測資訊中判別其影響。本研究提出一絕對形狀誤差量測法，透過Zernike coefficient圓周向周期特征將光學元件表面形貌之非軸對稱系數項予以解析，并搭配隨機球量測法將軸對稱系數項予以解析，解析后之Zernike coefficient經重新擬合波前誤差可預測在無重力變形下之低空間頻率之形狀誤差。然而，量測資訊包含了Zernike coefficient可擬合之低空間頻率與不可擬合之中、高空間頻率形狀誤差，將重建后之低空間頻率誤差圖與中、高頻空間頻率誤差圖進行迭合即可得到全域高解析之絕對形狀誤差圖。本研究透過光學模擬驗證方法后并使用三種不同量測工具對球面光學元件進行量測比對，探討此方法之精確性與再現性。驗證后，應用于直徑300厘米非球面反射鏡之表面形狀修正拋光使其形狀誤差優于波峰-波谷值 0.125波長之規格。拋光后將反射鏡組裝于經有限元素軟體優化設計之重力相消夾持機構，將組裝后之形狀誤差與制程階段之量測結果進行比對，其差異優于波鋒-波谷值 0.01波長與均方根值 0.001波長。本研究提出之方法除可校正非球面形狀誤差量測時之量測系統誤差外，亦可預測在無重力、夾持固鎖變形下之真實表面形狀誤差，透過擬合平均結果亦可將環境干擾的因素予以排除，未來可應用于更高精度非球面光學元件。

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論文名稱：混合磨料柔性拋光工具加工藍寶石襯底技術研究

論文作者：華僑大學 / 許永超

指導教師：徐西鵬《研究領域：石材先進加工工具與技術、半導體材料精密超精密磨粒加工新技術》

陸靜《研究領域：納米材料的表面修飾改性及應用、超精密磨拋工具》

由于藍寶石材料硬度大、脆性高和耐腐蝕，傳統的銅拋和化學機械拋光方法存在著加工效率低、成本高和污染環境等缺點。本文基于固相反應原理提出了軟硬混合磨料拋光藍寶石襯底的新構想，開展了針對藍寶石襯底的混合磨料拋光技術研究。

通過理論和試驗的方法研究了不同種類軟磨料與藍寶石在研拋條件下的反應活性。研究表明在摩擦力誘導的條件下，二氧化硅較氧化鎂和氧化鐵磨料對藍寶石具有更高的反應活性，最易與藍寶石發生固相化學反應生成硅酸鋁鹽。

通過制備混合磨料半固結柔性拋光盤進行藍寶石襯底的拋光試驗。結果表明當軟質磨料的化學反應作用和硬質磨料的機械去除作用達到動態平衡時，軟硬混合磨料較單一硬質磨料的材料去除率提高了52.63%，同時表面粗糙度Sa降低了19.55%。分析了軟硬混合磨料的去除機理，建立了混合磨料的材料去除模型。經過機械接觸-反應層預生成-反應層生成-反應層去除四個階段實現了材料去除。

探索了高活性磨料和環境友好型的酸堿性加工環境協調混合磨料加工過程中化學作用與機械作用之間的匹配性。結果表明采用高活性軟磨料和合適的有機酸堿化合物有效提高了加工表面質量和加工效率。

通過制備核殼結構的復合磨料改變軟磨料的受力方式以促進混合磨料的加工性能。結果表明金剛石/羥基氧化鐵復合磨料能夠有效減小晶片表面劃痕深度，且羥基氧化鐵殼層能夠增強拋光盤基體對金剛石磨粒的把持力，有效地延長了拋光工具的使用壽命。

提出了以混合磨料柔性拋光工具和氣液輔助化學機械拋光的新工藝取代傳統的銅拋和化學機械拋光工藝來獲得超光滑無損傷表面的新工藝，使得藍寶石晶片在粗拋光階段的加工時間縮短至50min，加工效率提高了將近65%。

本文的研究豐富了藍寶石襯底拋光技術的思路和方法，對實現藍寶石襯底的高效率、高質量和無污染的拋光加工具有現實指導意義。

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