硬脆材料微结构光学功能表面的超声振动抛光技术研究

发布时间：2019-05-11 12:21

【摘要】：微结构表面光学玻璃元件因其集成性高、体积小、简化光学系统等优点而被广泛应用于光电子系统、成像系统及制导系统中。目前适用于微结构表面光学玻璃元件大批量生产的有效方式为模压加工,其中模压用硬脆模芯的超精密磨削加工是保证微结构表面面形精度及轮廓精度的关键技术,但是磨削后的微结构往往在表面交汇处存在微破损并出现亚表面损伤,从而导致模芯使用寿命降低或失效。因此,磨削后的模芯微结构表面必须要进行抛光以提升其表面质量。本文搭建了微结构表面超声振动抛光系统,分析了磨削后无压烧结碳化硅、无结合剂碳化钨及氮化硅微结构表面超声振动抛光原理,修正了抛光轮的结构尺寸及轮廓形状。揭示了微结构表面超声振动抛光中磨粒与工件表面材料的作用机理,建立了微结构表面超声振动抛光材料去除率模型。研究了抛光工艺参数对微结构表面完整性的影响规律,优化了微结构表面超声振动抛光工艺方法,并抛光加工了几种典型的微结构阵列,主要研究工作如下:搭建磨削-抛光一体化的微结构表面超声振动抛光系统,结合微结构表面与磨粒之间的相对运动关系,分析微结构表面的结构特性及超声振动对微结构表面相对运动轨迹即微结构表面材料去除均匀性的影响规律,分析结果表明超声振动可以改善结构特性对微结构表面材料去除不均匀性的影响。针对不同的微结构表面类型应用有限元仿真及Matlab计算修正抛光轮的截面结构尺寸和轮廓形状以保证微结构表面的面形精度。对微结构抛光轮进行精密修整,分析对中误差对微结构表面形状精度及抛光轮修整形状精度的影响规律并提出相应的解决方法。提出超声振动摩擦力完整数据采集方法。分析超声振动对微结构表面超声振动抛光过程中摩擦行为、润滑状态及材料去除形式的影响,揭示超声振动抛光磨粒与微结构表面的相互作用机理。研究结果表明,与普通磨粒抛光相比,超声振动可以减小微结构表面摩擦力,使微结构表面与抛光轮之间处于更接近于薄膜润滑状态的边界润滑,在低运动速度及抛光压力、高振动频率及振动幅值的情况下微结构表面材料去除形式以三体磨粒磨损去除为主。研究抛光工艺参数对超声振动抛光微结构表面质量,面形精度及材料去除率的影响规律,优化超声振动抛光工艺参数。并对比分析磨削后及超声振动抛光后的微结构亚表面损伤情况。研究结果表明,超声振动的引入可以降低微结构表面粗糙度,获得更尖锐的微结构顶角及底角,提高硬脆材料的材料去除率;同时与普通磨粒抛光相比,在相同的抛光工艺参数下超声振动抛光可以更有效的去除微结构亚表面裂纹。基于以上研究结果,对无压烧结碳化硅、无结合剂碳化钨及氮化硅等硬脆材料进行圆弧槽阵列、闪耀光栅及金字塔矩阵微结构光学功能表面的超声振动抛光加工,为实现微结构光学功能元件的玻璃模压用硬脆模芯的超声振动抛光加工奠定技术基础。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG580.692

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本文编号：2474487