负压缩性抛光装置设计及试验研究

发布时间：2020-07-29 11:32

【摘要】：二十世纪中后期,计算机技术飞速发展并开始被广泛应用于超精密加工领域。随之,涌现出多种现代抛光技术,使得光学表面的加工精度及加工效率都得到大幅提升。但是现代抛光技术仍存在一些不足之处,在超光滑表面的抛光加工中,加工效率与加工精度往往难以兼得,较难实现自适应的针对工件表面不同区域进行抛光。针对于现代抛光技术存在的不足之处,本文以负压缩性抛光原理为理论基础,设计了一种新的负压缩性抛光装置,并进行了多方面的试验研究。本文主要研究内容如下:(1)以负压缩性抛光原理为理论基础,选用八面体负压缩性酒架结构作为核心单元,设计出一种具有更大负压缩性的抛光装置。进行了八面体酒架结构的负压缩性分析,选取了合适的结构参数,制造出4×4×4的负压缩性立体单元。使用ANSYS有限元软件对该负压缩性抛光装置进行了仿真分析与参数优化,最终得到了负压缩性抛光装置的一组最优化参数。使用激光位移传感器对加工制造得到的抛光装置进行了负压缩性测试,测试结果表明抛光装置具有良好的负压缩性。(2)以Preston假设为理论基础,建立了CCOS技术下的材料去除函数和边缘去除函数模型。对两种函数模型进行了仿真分析及试验验证,试验结果证明了两种模型的正确性。使用对比试验的方法分析了抛光装置的负压缩性对去除函数模型的影响情况,试验结果表明,抛光装置的负压缩性不会影响去除函数模型的整体形状,但会降低材料的去除效率。对多组试验进行了Preston假设中比例系数k的计算,结果表明,比例系数k会随着抛光参数和其它抛光条件的改变而改变。(3)分别采用正交试验方法分析了各工艺参数对工件表面粗糙度和材料去除效率的影响情况。抛光剂粒度、抛光时间、抛光力和抛光工具转速对工件表面粗糙度的影响程度依次减弱;抛光剂粒度、抛光力、抛光工具转速和抛光剂浓度对材料去除效率的影响程度依次减弱。综合考虑各工艺参数对工件表面粗糙度和材料去除效率的影响情况,优选出最佳工艺参数组合。(4)进行了负压缩性的抛光试验研究。选用有利于工件表面粗糙度的工艺参数组合,分别在使用和不使用负压缩性抛光装置的情况下进行了抛光试验,试验结果表明,抛光装置的负压缩性起到了改善工件表面质量的效果。使用对比试验的方法分析了抛光时间对负压缩性抛光的影响情况,试验结果表明,负压缩性的作用效果会随着抛光时间的增长而逐渐减弱。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG580.692
【图文】：

物镜系统,极紫外光刻,加工精度

1.1.2 课题研究背景及意义中国作为新时代的制造大国，为实现由大到强的转变，提出“中国制造2025”这一制造强国战略，其中重点在于掌握关键核心技术，实现重要领域的发展突破。在航空航天、海洋工程、军工装备、交通运输等领域，对组成装备的元器件的质量要求越来越高，尤其是对光学元件的表面光洁程度提出了更高的要求。同时，一些重要光学元件能够有效校正像差、改善成像质量，并且可以精简光学系统构成，既可以减小设备重量又能够降低设备成本。于是，各领域对超光滑的精密光学元件的需求量越来越大。如今，超光滑的光学元件广泛应用于天文望远镜、摄影摄像设备、激光制导系统、光电成像系统、光纤通讯等产品中。图 1.1 是 Nikon公司设计的极紫外光刻（EUVL：Extreme Ultra-Violet Lithograph）物镜系统图及其加工精度[1,2]，可以看出物镜系统具有超高的面形精度，以及达到亚埃米级的中高频表面粗糙度。

金刚石车床

为了获得超光滑表面，不同国家和地区的技术人员不断研究和创新，陆续发展出了多种超光滑表面加工技术。根据材料去除方法的不同，可分为机械、化学、物理加工方法[3]。其中，以抛光为代表的机械加工方法应用最为广泛，它还包括磨削、飞刀铣削、金刚石车削等加工方法。金刚石车削常用于加工小型零件，而不适用于加工大中型光学元件[4-6]。图1.2 为 Nanoform250 Ultra 超精密单点金刚石车床。飞刀铣削加工精度较高，但是对刀困难，它对机床的精度和性能要求较高。同时，飞刀铣削不适用于加工陶瓷、微晶玻璃等硬脆材料[7,8]。因此，抛光和磨削加工技术成为加工大中型硬脆材料光学元件的重要途径。磨削的加工工具为修整后的金刚石砂轮，超精密磨削既可以获得纳米级的加工表面，还能用于加工微结构表面[9-11]。但是在磨削过程中，金刚石砂轮不断发生磨损，会影响零件的表面粗糙度和面形精度。图 1.3 为美国Moore 公司研制的 Nanotech 超精密磨削机床。

超精密磨削,机床

【参考文献】