宮 輝，張志剛，練敏隆，張一凡，曹東晶

(北京空間機電研究所·北京·100089)

0 引 言

碳化硅材料是一種新型陶瓷材料，具有比剛度高、導熱性好、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點，是一種優(yōu)異的空間光學反射鏡材料，在國內外空間光學遙感器上有著大量應用。例如我國高分四號衛(wèi)星主反射鏡、歐空局研制的赫歇爾空間望遠鏡直徑3.5m主反射鏡、日本研制的ASTRO-F主反射鏡均采用碳化硅材料。

碳化硅反射鏡的鏡坯通常采用碳化硅粉末燒結制備。受成型和燒結工藝的限制，鏡坯燒結出爐后，還需要進行機械加工，去除多余材料，保證最終尺寸和精度。碳化硅陶瓷的高硬度、高脆性、低斷裂韌性的特點，導致了反射鏡磨削困難，而且在加工過程中易出現(xiàn)崩邊、開裂等現(xiàn)象。

碳化硅材料加工技術主要包括常規(guī)磨削技術、超聲振動銑磨技術、金剛石車削技術、柔帶磨削技術等。常規(guī)磨削技術是用磨頭去除工件的多余結構部分，多用于粗加工，被加工表面較為粗糙。磨頭的轉速及進給量是影響磨削效率、表面質量的主要因素。超聲振動輔助銑磨又稱作旋轉超聲加工，它是將超聲振動、旋轉磨削結合在一起，是傳統(tǒng)超聲加工與磨削的復合技術。超聲振動磨削可以實現(xiàn)較高精度的加工，工件表面粗糙度良好，但加工效率較低，適用于對表面要求不高的小尺寸零件的加工。金剛石車削可以用于光學零件的加工，采用天然單晶金剛石作刀具，直接車削出符合光學質量要求的光學零件。金剛石車削機床控制精度要求高，環(huán)境使用條件也高，價格較為昂貴。目前已經用于紅外晶體、有色金屬和部分激光晶體以及光學塑料的加工，還可以用于結構復雜和有特殊要求零件的加工和制造，如高次非球面、衍射光學元件、折衍混合光學元件、微透鏡陣列等。柔帶磨削技術是利用柔性砂帶作為切削工具的加工技術。砂帶主要由基體、膠黏劑和磨粒三部分組成。基體材料是有撓性的布料、紙料，其表面粘接切削刃朝外且均勻排布的金剛石磨粒。柔帶由控制系統(tǒng)操控，隨著驅動輪的轉動切削工件。柔帶單個磨粒切削工件時間短，散熱時間長，配合磨削液潤滑降溫，不會灼傷工件表面。柔帶基體柔軟，對工件的表面輪廓適配性好。該技術廣泛應用于工件的磨削及拋光。

常規(guī)磨削、超聲振動銑磨技術、金剛石車削技術的不足之處是材料去除量小、加工效率低，對于較大的碳化硅零件來說，加工周期長，不能滿足緊迫的航天遙感任務。針對某1550mm直徑的碳化硅(SiC)反射鏡坯大去除量需求，本文將柔帶磨削技術與機器人加工中心技術結合，設計并搭建了一套機器人砂帶自動磨削系統(tǒng)。在保證鏡坯安全的前提下，開展了反射鏡鏡坯加強筋的去除工作，同時對鏡體加工應力進行實時監(jiān)測。最終，完成了碳化硅鏡坯加強筋的去除工作，鏡體經檢測完好無損，整個加工周期由預計的6個月縮短到45天，為航天任務節(jié)省了時間。

1 柔性砂帶磨削技術

柔帶在控制系統(tǒng)的驅動下旋轉，磨粒隨著柔帶的旋轉切削工件。在柔帶驅動機構上安裝壓力傳感器，可實時監(jiān)測并反饋柔帶與工件之間的壓力，控制系統(tǒng)根據(jù)接觸壓力值計算進給量，控制柔帶的進給，形成閉環(huán)控制。在控制系統(tǒng)中提前設定磨削進給路徑曲線，接觸壓力初始值通過工藝試驗確定。

按照磨粒與工件表面接觸時干涉程度的不同，磨削過程可以分為3個階段。

1)滑擦：磨粒靠近并接觸工件表面，壓力小，工件表面發(fā)生彈性或塑性變形，此階段不切除材料；

2)耕犁：隨著擠壓力的增加，磨粒與工件表面干涉增大，被擠壓的材料從磨粒的下方和兩側擠出，此階段切除少量材料；

3)切削：磨粒的擠壓力達到最大并保持穩(wěn)定，工件表面的材料出現(xiàn)擠壓斷裂，形成切屑脫離工件。

柔帶磨削的3個階段如圖1所示。

圖1 磨削三階段示意圖Fig.1 Three-stage of grinding

柔帶磨削的主要特點有：

1)砂帶磨削效率高，是普通砂輪磨削的5倍；

2)摩擦生熱少，磨粒散熱時間間隔長，可以有效地減少工件燒傷，保證加工表面質量；

3)砂帶自身有很好的撓性，與工件外輪廓是柔性接觸，具有較好的跑合和拋光作用，工件的表面粗糙度Ra可達0.8～0.2μm；

4)柔帶可以適配輪廓復雜的結構，適用范圍廣；

5)柔帶成本低。

2 機器人柔性砂帶磨削方案設計

2.1 碳化硅反射鏡坯構型

在某靜止軌道光學遙感器研制中，主反射鏡采用碳化硅材料，最大外徑1550mm。由于鏡坯尺寸大，為了提高燒結成功率，在反射面增加了多條加強筋，在燒結完成后利用機械加工手段去除這些加強筋。鏡坯反射面加強筋最大高度135mm，寬度5mm。采用常規(guī)磨削技術，預計加工周期6個月，甚至更長，嚴重影響項目研制進展。因此，需要開展新型磨削方案論證、搭建新磨削系統(tǒng)，實現(xiàn)鏡坯反射面加強筋的快速去除，同時保證鏡體的安全。

反射鏡鏡坯構型如圖2所示。

圖2 鏡坯結構圖Fig.2 Structure of mirror blank

2.2 機器人柔性砂帶磨削系統(tǒng)

通過調研，完成了機器人柔性砂帶磨削系統(tǒng)方案論證，并投產小型碳化硅材料鏡坯，開展了磨削驗證。通過磨削試驗獲得柔帶轉速、進給速度、進給量、磨削角度等多個工藝參數(shù)。

2.2.1 磨削系統(tǒng)

機器人柔帶磨削系統(tǒng)包括控制中心、六軸機械臂、旋轉驅動機構、壓力監(jiān)測、水冷系統(tǒng)和金剛石砂帶等子系統(tǒng)。壓力監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測柔帶與零件之間的壓力，反饋給控制系統(tǒng)，控制中心計算出砂帶進給量，并控制驅動機構前進，實現(xiàn)持續(xù)磨削。水冷系統(tǒng)主要用于工件和砂帶的散熱。機器人機械臂有6個轉動軸，能方便地調整柔帶的磨削位置及磨削角度，如圖3所示。

(a) 六軸機器臂

2.2.2 應力監(jiān)測系統(tǒng)

工件應力監(jiān)測系統(tǒng)由應變測量單元、數(shù)據(jù)處理設備組成。應變測量單元粘貼于鏡坯非加工區(qū)域，監(jiān)測鏡坯加工過程中的微變形，用于判斷鏡坯的安全裕度。加工前，應變測量單元應進行防脫粘、防污染處理。數(shù)據(jù)處理設備可對應變測量單元的所有數(shù)據(jù)進行存儲與快速處理，并能直觀顯示反射鏡所有區(qū)域的內應力分布情況。

內應力與變形關系公式如下

=

(1)

式中，為結構內應力；為應變量；為結構材料彈性模量。

碳化硅材料彈性模量為310GPa，許用應力為150MPa～200MPa，由式(1)計算可知，應變應小于0.48mm。在考慮安全裕度后，本文將應變≤0.2mm作為參考依據(jù)。

2.3 反射鏡坯裝夾設計與加工應力分析

2.3.1 裝夾方案設計

加工過程中，鏡坯被夾緊固定，控制系統(tǒng)驅動柔帶轉動、進給。夾具的裝卡會造成鏡體局部應力集中。合理的裝夾設計能減小加工過程中鏡坯的應力。鏡坯的裝夾系統(tǒng)需要約束鏡坯的6個運動自由度，且無過約束，才能實現(xiàn)微應力裝夾。結合鏡坯構型，設計了一套微應力的裝夾系統(tǒng)。鏡坯限位示意圖如圖4所示，底部平臺限制鏡坯豎直方向的平動自由度，側面限位點(共8組)限制水平方向的2個運動自由度；背部限位點(共6組)與側面限位點、底部限位點共同實現(xiàn)對鏡坯3個轉動自由度的限制。

圖4 鏡坯限位示意圖

為避免反射鏡鏡體與機器人加工平臺硬接觸，在鏡坯與加工平臺上放置聚四氟乙烯平板。

2.3.2 加工應力分析

根據(jù)前期工藝試驗得到的磨削力，結合反射鏡體裝卡的約束，對加工時反射鏡的加工應力進行了仿真。分析軟件為HYPERMESH，解算器為OPTISTRUCT。鏡體上施加的磨削力為450N，約束底部限位面處節(jié)點的向平動自由度和側面限位點處節(jié)點的、向平動自由度。根據(jù)仿真結果可知，鏡體加工最大應力為1.71MPa，遠小于鏡體自身的許用應力。應力云紋圖如圖5所示。

復產期間，該氣田優(yōu)化生產運行參數(shù)及工藝流程，保持低壓運行。生產調度堅持“24小時值班、待命和處置”的工作制度。通過實時數(shù)據(jù)監(jiān)控和定時人工巡檢相結合的生產監(jiān)測措施，持續(xù)強化“三級調控，無人值守”的運行模式。同時，開發(fā)管理穩(wěn)步推進，通過抓新井地層對比、投產層位擬定、投產設計和井位勘定，科學制定治理措施，嚴控老井遞減，并快速開展連續(xù)油管沖砂作業(yè)以及壓裂施工，確保出砂井冬季穩(wěn)定生產。

圖5 反射鏡應力云紋圖Fig.5 Diagram of mirror stress

由圖5仿真可知，鏡體在加工時的應力是滿足安全需求的。

3 反射鏡磨削驗證

按照裝夾設計方案完成反射鏡裝夾后，開展了反射鏡的磨削驗證工作。磨削要求如下：

1)鏡體無裂紋、無崩邊；

2)鏡體反射面輔助筋殘余高度0.3～2mm。

在磨削前，以工藝件進行了磨削參數(shù)的試驗，獲得最佳磨削力250～450N，機械臂進給速度5～15mm/s。按照此工藝參數(shù)加工，能夠保證鏡體加工安全。

加工過程中，通過應力監(jiān)測系統(tǒng)適時監(jiān)測加工區(qū)域的應變及應力。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)得到部分應變片變形數(shù)據(jù)如圖6所示，縱軸為應變量，橫軸為時間。strain1～strain9代表應變片1～9號。

圖6 鏡坯應力變化曲線Fig.6 Stress curve of mirror blank

根據(jù)2.2.2節(jié)的分析，應變監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)低于200μm時，鏡體內應力低于碳化硅材料的屈服應力，且有一定的安全裕度，是滿足要求的。

鏡坯后續(xù)進行了精磨、鍍膜等工藝，對反射鏡進行了面形RMS測試，測試設備為干涉儀，測試結果為0.0157(=632.8nm)，滿足使用要求(0.02)。圖7(a)為反射鏡面形測試的放置狀態(tài)，圖7(b)為干涉儀測試得到的面形圖。

(a) 反射鏡測試狀態(tài)

通過此次磨削驗證，成功獲得了滿足使用要求的反射鏡鏡坯，同時積累了大量工藝參數(shù)，培養(yǎng)了一批成熟的技術人才，后續(xù)又完成了多塊鏡坯的加工，單塊鏡坯加工周期進一步縮短至40天。

4 結 論

針對碳化硅反射鏡難以磨削的特點，論證并搭建了機器人柔帶磨削系統(tǒng)。開展了碳化硅材料磨削工藝試驗，獲得了磨削參數(shù)，最佳磨削力為250～450N，機械臂進給速度為5～15mm/s。通過仿真獲得反射鏡磨削應力為1.71MPa，鏡體加工時處于安全狀態(tài)。完成了1550mm碳化硅反射鏡反射面加強筋的磨削，加工耗時45天，反射鏡體殘余筋高度0.5～1mm，無崩邊、無裂痕。反射鏡在完成精磨、鍍膜等后續(xù)工序后，利用干涉儀測試其面形RMS 為0.0157，滿足使用要求(0.02)。目前反射鏡在軌運行表現(xiàn)良好，指標滿足設計要求。