超精密流体射流抛光加工技术研究与工艺系统开发

发布时间：2020-08-12 19:14

【摘要】：目前,对于流体射流抛光加工技术的应用研究相对较少,且主要集中于去除机理研究、去除函数的优化及工艺参数实验等方面。本文通过研究磨粒水射流加工技术进行快速、可靠的确定性去除的控制方法和工艺参数,及其对去除效率和去除函数轮廓造成的影响,探索流体射流加工技术的应用潜力和适用环境。并采用流体射流技术开展超光滑光学元件的加工和回转对称面形误差的快速去除实验研究,验证射流抛光加工技术及其控制方法的可靠性和稳定性。论文的主要研究内容如下:针对垂直射流时形成的W形去除函数,提出了采用回转函数的方法来取代通常采用的偏心式回转射流装置,从而得到虚拟的近高斯形去除函数;并提出逐层去除的驻留时间求解方法,实现了驻留时间图的快速有效求解及求解收敛的成功率。针对传统抛光和小工具抛光加工中存在的中频误差问题,提出了一种随机路径的生成方法,并对比了不同加工路径下的生成表面特点。根据确定性抛光加工的技术要求,开发了射流加工液压系统来满足确定性抛光加工中对射流束在长时间内保持压力稳定和不发散的功能要求。针对不同工艺参数,比如射流压力、射流角度、射流距离等,进行定点射流实验,并研究了去除函数的轮廓变化特点。结合计算流体仿真技术,对不同工艺参数设置下射流区域内的压力和速度分布,进行仿真研究。通过实验结果与仿真结果的对比,揭示射流抛光加工中的材料去除机理。针对在流体射流抛光(FJP)加工中,直接检测得到的去除函数并不呈理想的回转对称形,提出了解决方案。一方面通过滤波和回转增强算法来减弱测量误差的影响;另一方面提出了增强算法来提高回转对称性,并在质量评价算法中添加修正因子来研究去除函数质量随射流时间的变化。本文还对运动平台的动态反应及运动精度进行了检测,分析了可能造成抛光加工精度误差的影响因素;并根据分析结果,指导确定性抛光加工中的运动参数设置,对未来抛光加工装备及控制系统的开发提供了参考。根据上述研究,本文开展了超精密光学镜片的射流修形加工实验研究。根据射流去除函数的几何形状尺寸,进行了工件表面功率谱密度的修整能力范围求解,并研究了定位误差对加工精度的影响。本文还提出了一种结合FJP加工技术和确定性抛光加工技术对光学元件表面具有的回转对称面形误差进行确定性射流去除的方法。首先,提出了均值法和最小值法两种提取回转对称面形误差的方法,并进行了对比分析;其次,实验了回转半径对射流去除轮廓的影响,从而确定去除函数,并提出二维确定性加工驻留时间的求解方法。最后,进行了确定性射流修形加工试验。在本文最后,开展了非球面光学镜片的数控加工工艺链研究。由于流体射流抛光加工技术的材料去除率相比其它加工方式要小,通过结合高速磨削加工技术和小磨头抛光加工技术,探讨了流体射流加工技术在超精密光学镜片的整个加工工艺链中的适用位置及未来的研究方向。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH74
【图文】：

太空望远镜,天基,大口径,路基

超精密流体射流抛光加工技术研究与工艺系统开发远镜（GMT），预计 2020 年建成。其中 James Webb 望远镜的主反射镜口径达到 6m，由 3 种 18 块六边形子镜拼接而成，每块镜片的对角线长度超过 1.3m，每一块镜片的面形精度要到达到20nm 以下。预计 2018 年升空，预算上限达到 80 亿美元[4, 5]。

光刻机,光路系统,IC制造,镜头

2图 1.2 光刻机光路系统分布及其镜头机是 IC 制造中最关键的设备，其复杂的系统程度和高昂的制工提出了非常大的挑战。为了减小刻线宽度，当前采用的深紫已经达到 193nm。因此，如果在未来希望进一步提升光刻系统用更短波长的光束进行加工。已有信息显示，下一代的曝光波 13.5nm。为实现完善成像，光学系统面形的均方根误差需要四分之一，这意味着加工后的面形精度需要达到 1nmRMS，表 0.5nmRMS 以内，才能满足数值孔径为 0.75 的 193nm 深紫外

激光镜

对于未来的极紫外光刻光学系统，其中光学元件的加工精度更是达到极端苛刻的要求。激光惯性约束核聚变（Inertial confinement fusion，ICF）是为解决人类未来不断增长的能源需求问题而开展的重大基础科研课题，该技术的实现也是一项规模巨大的工程项目。该课题吸引了国内外大量的研究机构进行关注，属于研究前沿和热点领域。高功率激光驱动器中的大尺寸掺钕磷酸盐激光玻璃是 ICF 中的主要光学元件，其在 ICF 装置中的使用数量最多，且尺寸较大。比如在美国国家点火装置(National IgnitionFacility，NIF)中采用了超过 3000 多片的d{钕磷酸盐激光玻璃，其几何尺寸达到 34mm×460mm×810mm，加工难度非常大。另外在组装普克尔斯盒和倍频器件时，还需要大约 600 片的 KDP／DKDP 晶片，该晶片的截面面积达到了 410×410mm 尺度。如此大量的光学元器件不仅具有较高的面形精度要求，还需要保证元件的超光滑无损伤表面，以避免高能激光穿过时引起的能量集聚[6, 7]。

【相似文献】