第1章 绪论
1.1 课题研究目的和意义
本课题来源于航天科技创新基金重点项目“高效三结 GaAs 聚光电池系统中高倍聚光器的设计与制造”。聚光太阳能电池系统主要由聚光器和太阳能电池组成，其转换效率由聚光器的光学效率和太阳能电池的转换效率起主要决定作用。聚光器中的光学元件将光线均匀地聚集到太阳能电池表面，最大限度地利用太阳能电池光电转换的潜力。聚光太阳能电池系统可以使太阳能电池小型化，并且聚光器中的光学元件一般采用光学塑料注射成型，在很大程度上降低了整个电源的重量，从而降低电源系统的成本，而其中高倍聚光的聚光器可以进一步提高聚光电池系统的转换效率。TIR-R 聚光器是一种新型、高效的高倍聚光器，由全内反射 TIR 主透镜和折射二次透镜组成。与 RXI 和 XR 高倍聚光器相比，TIR-R 聚光器具有以下优点：
(1) 聚光器中没有反射镜，可以减少由于反射作用而引起的光学损失；
(2) 二次透镜的设计使太阳能电池表面的照度均匀度得到很大提高；
(3) TIR-R 组合透镜的设计可以避免产生遮光的阴影区；
(4) 接收和发射装置的位置有利于整个系统的密封、电路连接和散热。TIR-R 聚光器的三维示意图见图 1-1，其中主透镜表面有菲涅尔槽和中心处的非球面镜，二次透镜外表面是由两种类型的非球面组成，其内表面是球面并形成放置太阳能电池的内腔室。
由此可见，TIR-R 聚光器光学元件的结构非常复杂，高光学效率 TIR-R 聚光器的制造对加工工艺和装配工艺要求非常高。根据国外的研究结果，TIR-R 组合透镜的制造过程为：将铝合金模具分割为若干部分、分别采用硬质合金刀具粗加工、在粗加工模具表面进行无电解镍膜层的镀制、然后采用金刚石刀具对膜层进行超精密切削加工、模具装配、PMMA 注射成型、装配注射成型的元件。模具三维示意图如图 1-2 所示。所以通常是采用单点金刚石车削对模具进行切削加工。对于有色金属，使用单点金刚石车削，在符合条件的机床和环境条件下，可以直接得到超光滑的表面。
由于金刚石刀具具有极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量，可以保证刀具具有很长的寿命和很高的尺寸耐用度；金刚石刀具的刃口可以非常锋利，刃口半径可以达到 0.05μm 甚至更小，能实现超薄切削厚度。切削刃无缺陷，切削时刃形能够复印在加工表面上，能得到超光滑的镜面；金刚石刀具和工件材料的抗粘接性能好、化学亲和性小、摩擦系数低，能够得到极好的表面完整性。所以，在加工一些对表面要求较高的光学元件及模具时，通常采用单点金刚石车削。聚光器模具复杂的结构，特别是其大的深径比，也决定了需要采用单点金刚石进行切削加工，因为金刚石刀具的刀尖部分可以非常尖锐，刃口也可以磨得极其锋利。
1.2 车削加工表面粗糙度研究现状
传统的车削加工表面粗糙度研究中，试验法是最主要的方法，即根据试验结果得出经验公式，从而预测表面粗糙度。日益增长的时间、设备、材料和人力成本的消耗促使人们寻找更通用、更有效的研究方法。2002 年，哈尔滨工业大学王洪祥等[7]在综合考虑刀具几何参数、刀具振动和最小切削厚度等因素对已加工表面形貌影响的前提下编写了表面微观形貌的仿真程序, 在仿真时把一个随机振动信号成功地叠加在理论表面粗糙度中，提出一种建立圆弧刃金刚石车刀超精密车削表面粗糙度模型的新方法； 2003 年，国防科技大学尹自强等[8]对在金刚石超精密车削加工中刀具与工件间相对振动对工件表面形貌的影响进行了仿真，并在理论上对工件表面的三维微观形貌的特征进行了分析，表明在不同的切削条件下工件表面形貌具有不同的特征； 2000 年，香港理工大学李荣彬等[9]描述并建立了超精密加工的三维表面形貌模型，生成了已加工表面的形貌，仿真的三维表面形貌和由激光干涉形貌仪测量得到的三维形貌具有很好的相似性； 1996 年，Grzesik[10]考虑了最小的未变形切屑厚度，预测了车削加工的表面粗糙度，基于分子机械的摩擦理论及 Hencky–Ilyushin 的弹性理论，他建立了切屑和刀具之间的摩擦效应的数学模型。这种方法的前提假设是产生理论表面粗糙度和实际测得的表面粗糙度之间的差值的原因是切屑和刀具之间的粘附效应以及最小未变形切削厚度的存在。从而现有的预测表面粗糙度的模型得到了改进，理论值和实际值之间的差值减小了。1998 年，S.C. Lin[11]在已知振动特性条件下，建立了一种车削加工表面形貌的仿真模型。模型考虑了刀具形状，切削参数，刀具和工件间的相对振动等因素。他将振动分解为三个方向，径向，切向及轴向，并且得到，振动频率比，即振动频率/主轴转速，会影响轴向表面波纹度的周期。
第2章 超精密车削表面粗糙度预测模型和研究方法
2.1 超精密车削表面三维形貌及其特征形成
加工表面的三维形貌特征主要分为 3 类，即粗糙度、波纹度和几何形状。欲获得高质量表面，须全面认清超精密加工表面形貌及其特征的影响因素。每一类形貌特征的形成都受到多种加工因素的影响，也正是这些加工影响因素的综合作用最终导致了三维表面形貌的形成。表面的粗糙度特征主要由加工方法所产生，如机床、刀具等，通常具有周期性。具体到加工参数及用量，理想条件下的粗糙度由刀具几何形状、进给量和背吃刀量形成。但事实上这种无加工振动和环境影响的理想状态是不存在的。实际加工表面的粗糙度还要受到刀具与工件间的高频振动成分影响。另外， 在精细尺度上还存在由于刀具和工件材料特性如刀具材料撕裂、工件材料晶格晶相的改变等导致的不规则性。表面的波纹度特征主要由切削过程中出现的振动引起，并且主要是刀具与工件间低频振动的影响，如图 2-1 所示。通常刀具与工件间的振动是主轴系统振动、环境振动和切削力波动等共同作用的结果。表面的几何形状特征主要是加工进给运动误差造成的。如图 2-2 所示为超精密加工表面形貌及其特征的主要加工影响因素。
第3章 相对振动和膨胀效应的实验研究................... 26-47
3.1 问题的提出................... 26-27
3.2 实验方案及实验条件 ...................27-31
3.3 相对振动的影响因素................... 31-39
3.3.1 实验结果 ...................31-33
3.3.2 进给速度对相对振动的影响................... 33-34
3.3.3 背吃刀量对相对振动的影响 ...................34-35
3.3.4 主轴转速对相对振动的影响 ...................35-39
3.4 膨胀效应 ...................39-46
3.5 本章小结 ...................46-47
第4章 表面粗糙度预测模型的建立................... 47-57
4.1 模型的基本思路................... 47-48
4.2 模型的验证...................48-52
4.3 模型的应用................... 52-53
4.4 模型的评价 ...................53-54
4.5 刀具磨损对表面粗糙度................... 54-56
4.6 本章小结 ...................56-57
结论
本文对模具材料的单点金刚石车削表面粗糙度进行了研究工作，主要结论总结如下：
(1) 在实际加工过程中，刀具和工件间的相对振动和机床空转的未切削状态下的刀具和工件间的相对振动是不同的，主要原因在于刀具和工件间的接触引入了额外的震颤；材料的晶态以及内部的组织结构等会影响在加工中相对振动的大小。
(2) 对于非电解镍，由于其非晶态结构，内部不存在晶界、位错、孪晶或其他缺陷，在加工过程中由于材质所引起的振动较小；对于合金材料，材质引起的额外振动的大小取决于夹杂相的尺度和刀具与工件间的接触长度的相对大小。
(3) 实验结果表明，在加工参数中，背吃刀量和进给速度对刀具和工件间相对振动影响很小，主轴转速对刀具和工件间的相对振动略有影响。
(4) 实验结果表明，纯粹从几何角度计算的理论表面粗糙度不能够正确地反映实际残留区域的高度。在相同的加工条件，对于不同的材料，残留区域的高度差别很大，这就说明，需要引入膨胀比的概念加以修正理论表面粗糙度，以更准确地反映实际的加工情况。
(5) 在加工参数中，相比于背吃刀量和进给速度，主轴转速对于膨胀比的影响较大。所以，可以通过实验确定材料在某个转速下的膨胀比。
(6) 由于不同的材料在加工过程中刀具和工件间的相对振动不同，不同的材料在相同加工条件下的膨胀比也不同，所以就有必要在表面粗糙度预测模型中考虑二者的影响。新的模型中的相对振动是实际加工过程中的刀具和工件的相对振动，它包含了由于材质所引起的震颤，以及主轴转速改变而引起的机床特性的变化。在新的模型中，由于膨胀比的引入，更贴近于实际的加工过程，因为其体现了实际加工过程发生的一系列复杂的弹塑性变形，体现了材料的特性。实验结果表明新建立的表面粗糙度预测模型可以很好地实现表面粗糙度的准确预测。在新的模型中，预测值和实验值的最大误差率不超过 10%，低于前人建立模型的 20%的最大误差率。
参考文献
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9 李荣彬,张志辉,李建广. 超精密加工的三维表面形貌预测. 中国机械工程.2000, 11 (08) :845~849
10 W. Grzesik. A Revised Model for Predicting Surface Roughness in Turning. Wear.1996, 194(1): 143~148
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