黑色金属超声辅助超精密车削系统

  单点金刚石超精密车削加工是超精密制造技术的典型代表，具备优异的过程可控性：既可实现亚微米量级的形状精度，又能获得纳米量级的表面粗糙度，因而被广泛应用于精密光学器件的制造。然而，在加工钢铁类材料时，金刚石刀具易发生显著的化学磨损，严重制约其工程化应用。鉴于钢铁材料在工业领域应用最为广泛，若能突破金刚石超精密车削技术在钢铁材料上的适用瓶颈，实现其纳米级表面加工并有效抑制金刚石刀具的化学磨损，将为解决精密光学元器件制造中的多项关键技术难题提供重要支撑。针对上述挑战，本实验室系统开展攻关研究：首先，提出一种新型超声换能器结构设计方法；其次，在此基础上完成超声驱动电源的优化设计；最后，通过大规模生产应用验证与深入的工艺机理分析，全面评估技术可行性与稳定性。经过多年的持续创新与迭代优化，成功突破多项关键技术，研制出高稳定性、高重复性的超声辅助超精密车削系统，并已实现光学模具的规模化、批量化生产应用。

自由曲面精密/超精密加工运动几何学方法

  针对自由曲面多轴加工提出了刀位规划的基本曲率公式（BCELTP），建立了刀具曲面、刀具包络面和设计曲面之间的二阶微分关系，为自由曲面加工刀具轨迹规划以及刀具形状的设计具有重要的指导作用；在基本曲率公式（BCELTP）基础上，建立了自由曲面加工的局部优化法和整体优化法，该方法可以应用于航空叶片的高效加工；针对光学曲面超精密车削的路径规划，提出了空间阿基米德螺线和准回转面的定义，在此基础上建立了超精密车削路径规划的统一计算方法，该方法把传统的基于平面法向投影的思路统一到基于回转面法向投影的思路上，使其更加适用于复杂曲面的超精密车削轨迹规划，并开发了U-CAM软件。

（a）基于平面阿基米德螺旋螺旋驱动的轨迹计算

（b）基于空间阿基米德螺旋驱动的轨迹计算

旋转超声加工系统设计与应用

  针对碳化硅陶瓷、陶瓷基复合材料及石英玻璃等先进脆性材料的高效精密加工需求，系统开展了非接触式旋转超声加工系统的设计方法与工程化应用研究。具体包括：研制了高稳定性大功率超声驱动电源；研发了适用于高速旋转工况的无线能量传输供电方案；提出了基于机器学习的超声振动单元参数化智能设计方法；研制了一种基于声压响应的低成本、原位工作频率快速标定技术。上述关键技术均已通过工艺验证，并成功实现产业化应用。