一种用于硬脆材料薄壁曲面镜片加工的夹具及装夹方法

本发明涉及硬脆材料反射镜制造的工装夹具领域，具体而言，尤其涉及一种用于硬脆材料薄壁曲面镜片加工的夹具及装夹方法。

背景技术：

1、x射线反射镜是深空探测x射线望远镜的关键部件，其功能在于反射和聚焦宇宙空间辐射的高能量x射线，实现对脉冲星、超新星、黑洞等宇宙天体的高灵敏度探测和高分辨成像，广泛应用于gps全球定位系统、航天器深空自主导航系统、宇宙天体观测等领域。单晶硅反射镜片拼装法是制造下一代高性能深空探测x射线望远镜最有前景的方法，该方法以高面形精度高表面完整性的单晶硅曲面镜片为基本单元，通过单晶硅曲面镜片分层模块化拼装制造出多层嵌套的x射线反射镜，如图1所示。

2、为了实现x射线的掠入射反射成像，单晶硅曲面镜片的凹面为大离轴角(>87°)的离轴抛物面或离轴双曲面，凸面为锥角等于所述离轴角的圆锥面，凹凸面曲率半径为100～500mm。单个镜片口径大小为100～300mm，镜片厚度小于1mm，并且曲面镜片凹面的面形精度pv要求小于1微米，表面粗糙度sa要求小于0.5纳米，如图2所示。综上所示，单晶硅曲面镜片属于典型的硬脆材料薄壁弱刚性复杂曲面精密光学元件。如何在保证加工精度的情况下，完成单晶硅薄壁曲面镜片的合理装夹固定，是实现反射镜片超精密加工的关键。

3、因此，一种针对硬脆材料、薄壁弱刚性、高精度的曲面镜片加工装夹方法亟待创新突破。

技术实现思路

1、根据上述提出的硬脆材料薄壁曲面的x射线反射镜片装夹困难的问题，本发明提出了一种用于硬脆材料薄壁曲面镜片加工的夹具及装夹方法。本发明采用的技术手段如下：

2、一种用于硬脆材料薄壁曲面镜片加工的夹具，包括夹具基体、定位机构、夹紧机构和零点定位快换机构，所述夹具基体的上表面为凹定位面，待加工硅块的下表面为凸面，二者凹凸度匹配，所述定位机构用于实现夹具基体与硅块的位置调整，所述夹紧机构可拆卸地与夹具基体连接，所述夹紧机构设置有能够上下位移的与待加工硅块上表面配合的推杆，所述零点定位快换机构用于实现夹具基体与加工设备的定位。

3、进一步地，所述夹具基体设置有注胶流道，夹具基体下表面设置有注胶孔。

4、进一步地，所述夹具基体的材质为微晶玻璃或陶瓷材质，其与单晶硅热膨胀系数相近，可减小热熔胶粘接过程中的镜片变形。夹具基体通过超声铣磨方式加工出注胶流道、凹定位面、零点定位槽等。

5、进一步地，所述定位机构为多个，所述定位机构包括定位底座、激光位移传感器和微调装置，所述微调装置包括微调电机和与其相连的推杆，所述定位底座安装在夹具基体上，所述推杆的输出端能够与硅块接触，所述激光位移传感器用于实时测量硅块侧面与夹具基体侧面的相对位置，通过微调电机推动推杆顶住硅块移动，激光位移传感器安装在夹具基体侧面。当硅块与夹具基体前后、左右侧面的相对位置相同时，实现硅块与夹具基体几何中心对齐。此时，方便后续加工以夹具基体四侧面为基准，建立单晶硅镜片几何中心为加工坐标系。

6、进一步地，所述夹紧机构包括支架、支板和螺纹推杆，支架通过螺纹连接固定在夹具基体上，支板通过螺纹连接固定在支架上，所述支板的中心开设有螺纹孔，螺纹推杆通过支板的螺纹孔上下移动。当硅块与夹具基体完成中心定位后，旋转螺纹推杆向下顶紧硅块，使得硅块与夹具基体夹紧固定。此时，随意倒置夹具基体也不会使硅块发生窜动，完成硅块与夹具基体的装夹。从夹具基体底部的注胶口灌入融化的热熔胶，待热熔胶冷却凝固后，卸掉定位机构与夹紧机构。

7、进一步地，所述夹具基体底部开设有锥形定位槽，所述零点定位快换机构包括零点定位母板，依靠夹具基体底部的锥形定位槽和零点定位母板上的锥形定位块配合实现快速定位。通过定位母板上的气道口抽真空，实现夹具基体的夹紧。依靠零点定位快换机构，可实现曲面切割、磨削、抛光等多工序的加工基准一致，真空吸放实现零件在多工位的快换。

8、进一步地，所述注胶流道有多种形状，包括但不限于螺旋型、十字形、回字形等。

9、进一步地。所述热熔胶包括但不限于石蜡、火漆、沥青、橡胶、环氧树脂等。

10、本发明还公开了基于上述夹具的硬脆材料薄壁曲面镜片装夹方法，包括如下步骤：首先依靠夹具基体的凹定位面和硅块凸面配合作为主基准面，再依靠夹具基体四侧面与硅块四侧面的次基准面通过定位夹紧机构实现对中定位并夹紧；其次通过夹具内流道从夹具背面将热熔胶灌入夹具体中，实现夹具基体与硅块的粘接；之后通过夹具体的零点定位快换机构，依次在切割机床、磨削机床以及抛光机床上实现同一基准的1mm薄片切割、离轴抛物面磨削、反射面抛光等加工；最后将夹具基体与反射镜片共同加热，热熔胶分解，实现镜片与夹具的分离，得到高精度的曲面反射镜片。

11、本发明的有益效果在于：

12、1、提供了一种适用于硬脆材料薄壁曲面零件加工的装夹工艺及专用装夹具，解决了硬脆材料薄壁曲面零件加工装夹困难的问题。

13、2、本装夹方法通过一次装夹，可实现镜片切割、磨削、抛光等多工序加工，加工基准一致，可保证多工序间的工件快速重复拆卸，多次装夹也不改变加工基准，缩短对刀时间，提高加工效率。

14、3、基于热熔胶加热融合、室温凝固的特点，采用胶粘法实现对硬脆材料薄壁曲面零件的完全固定，摒弃传统机械装夹易造成硬脆材料碎裂的方法，操作方便，经济实用。

15、4、夹具基体采用内流道设计，通过背面注胶，防止热熔胶溢出至定位面，不影响凸凹曲面的紧密贴合，保证定位精度，结构新颖，缩小粘接面积，减小薄壁零件在粘接过程中的变形。

技术特征：

1.一种用于硬脆材料薄壁曲面镜片加工的夹具，其特征在于，包括夹具基体、定位机构、夹紧机构和零点定位快换机构，所述夹具基体的上表面为凹定位面，待加工硅块的下表面为凸面，二者凹凸度匹配，所述定位机构用于实现夹具基体与硅块的位置调整，所述夹紧机构可拆卸地与夹具基体连接，所述夹紧机构设置有能够上下位移的与待加工硅块上表面配合的推杆，所述零点定位快换机构用于实现夹具基体与加工设备的定位。

2.根据权利要求1所述的用于硬脆材料薄壁曲面镜片加工的夹具，其特征在于，所述夹具基体设置有注胶流道，夹具基体下表面设置有注胶孔。

3.根据权利要求1所述的用于硬脆材料薄壁曲面镜片加工的夹具，其特征在于，所述夹具基体的材质为微晶玻璃或陶瓷材质。

4.根据权利要求1所述的用于硬脆材料薄壁曲面镜片加工的夹具，其特征在于，所述定位机构为多个，所述定位机构包括定位底座、激光位移传感器和微调装置，所述微调装置包括微调电机和与其相连的推杆，所述定位底座安装在夹具基体上，所述推杆的输出端能够与硅块接触，所述激光位移传感器用于实时测量硅块侧面与夹具基体侧面的相对位置，通过微调电机推动推杆顶住硅块移动，激光位移传感器安装在夹具基体侧面。

5.根据权利要求1所述的用于硬脆材料薄壁曲面镜片加工的夹具，其特征在于，所述夹紧机构包括支架、支板和螺纹推杆，支架通过螺纹连接固定在夹具基体上，支板通过螺纹连接固定在支架上，所述支板的中心开设有螺纹孔，螺纹推杆通过支板的螺纹孔上下移动。当硅块与夹具基体完成中心定位后，旋转螺纹推杆向下顶紧硅块，使得硅块与夹具基体夹紧固定。

6.根据权利要求1所述的用于硬脆材料薄壁曲面镜片加工的夹具，其特征在于，所述夹具基体底部开设有锥形定位槽，所述零点定位快换机构包括零点定位母板，依靠夹具基体底部的锥形定位槽和零点定位母板上的锥形定位块配合实现快速定位。通过定位母板上的气道口抽真空，实现夹具基体的夹紧。

7.根据权利要求2所述的用于硬脆材料薄壁曲面镜片加工的夹具，其特征在于，所述注胶流道的形状包括螺旋型、十字形、回字形。

8.采用权利要求1～7任一项所述夹具的硬脆材料薄壁曲面镜片装夹方法，其特征在于，包括如下步骤：

9.根据权利要求8所述的装夹方法，其特征在于，采用的热熔胶包括但不限于石蜡、火漆、沥青、橡胶、环氧树脂。

技术总结
一种用于硬脆材料薄壁曲面镜片加工的夹具及装夹方法，包括夹具基体、定位机构、夹紧机构和零点定位快换机构，所述夹具基体的上表面为凹定位面，待加工硅块的下表面为凸面，二者凹凸度匹配，所述定位机构用于实现夹具基体与硅块的位置调整，所述夹紧机构可拆卸地与夹具基体连接，所述夹紧机构设置有能够上下位移的与待加工硅块上表面配合的推杆，所述零点定位快换机构用于实现夹具基体与加工设备的定位。本发明提供了一种适用于硬脆材料薄壁曲面零件加工的装夹工艺及专用装夹具，解决了硬脆材料薄壁曲面零件加工装夹困难的问题。

技术研发人员：高尚,李洪钢,康仁科,郭晓光,牛浩
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/19