计算机控制的轻质大型反射镜坯钻铣加工技术

　　1　引　言

　　大尺寸反射镜历来为国内外光学领域格外重视。许多领域如天文观察、气象预报、军事侦察、光电跟踪等都需要高分辨力光学系统。提高光学分辨率的一个重要途径是加大光学系统的通光口径,这将引起反射镜自重的急剧增加。由于反射镜质量增大,其自重变形对镜面面形精度的影响很大,难以得到高精度的反射镜。由此而造成光学系统质量加大,使得光学仪器的机动性下降或使运载发射成本大量增加。因此,轻质大型反射镜的制造是必须要解决的关键技术之一。本文主要讨论轻质反射镜镜坯的一种制造技术。

　　2　镜坯轻量化加工

　　反射镜镜坯轻量化的主要途径有:机械法、熔铸法、焊接法以及采用金属类高比刚度材料(如铍、碳化硅等)来制造反射镜等。机械法是在保证反射镜具有足够刚性的前提下,通过某种工艺方法去除反射镜镜体上不参与光学系统成像部分的材料,以达到减轻反射镜重量的目的。采用机械法进行异形盲孔的加工有钻铣、超声钻、射流等方法。采用计算机控制的钻铣法可以得到较高的加工效率和更高轻量化程度及几何精度的镜坯。计算机控制的钻铣法是采用金刚石刀具,通过由计算机编程好的,并经计算机仿真检验过的加工程序,由机床自动完成各种异形盲孔的加工。

　　刀具采用金刚石磨具。选用不同粒度、浓度的金刚石磨轮,通过对不同材料进行磨削试验,确定最佳的磨轮粒度、浓度。选择天然金刚石或人工合成金刚石,并确定刀具的形状、结构,从而设计出合理的金刚石刀具。

　　使用此刀具,采用手控与数控相结合的方式,对不同材料进行了各种异形盲孔的钻铣实验,了解各种工艺参数如主轴转速及进给速度,进刀方式,工作台进给速度及运动方向,金刚石刀具的粒度、浓度等对加工的影响,并找到刀具的尺寸精度及径向跳动等与加工尺寸的关系。从而确定合理的工艺参数,并以此确定在不同镜坯材料上钻铣各种单元孔的工艺。做出加工程序设计文本,并存入计算机,以备随时调用。

　　大尺寸轻质反射镜的轻量化结构大都比较复杂,轻量化孔的数量及种类均较多,种类也较多,形状有锥形、圆形、方形、三角形、正六边形、不规则多边形等,且分布复杂,深度各不相同。因此,各孔的尺寸确定及位置确定、异形轻量化孔的成形加工等,对一般机械加工法来说,都是难以实现的。采用CNC与CAD/CAM技术相结合,可以很好地解决上述难题。

　　采用计算机控制加工最突出的优点是,能使轻量化结构的计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助编程(CNC)与计算机辅助制造(CAM)相结合。CAD根据对反射镜在空间工作环境下的光学性能和机械性能的要求,做出轻量化结构设计。CAM则根据CAD的结构图形给出图形的所有图素的具体加工参数,结合单元孔的工艺设计文本,在计算机上进行轻量化结构的数控仿真和模拟工艺试验,将实验结果再反馈回CAD。如此通过加工工艺与设计过程的融合,最终达到最佳设计/工艺状态,从而进一步保证设计与加工的正确、安全、高效,并使数控编程、数控加工、数据程序的管理纳入计算机管理的轨道。由计算机数控(CNC-Computer Numerical Control)技术发展起来的CAM可应用于各种数控机床编程。数控程序的质量是影响数控机床的加工质量和使用效率的重要因素,它决定着加工的尺寸、形状、位置及精度等,所选择的工艺参数、刀具等也要通过它来实现。为使数控机床能够正确、高效的工作,充分发挥其功能,必须编制好零件的加工程序。