采用非牛顿流体磨盘技术加工超大口径非球面的研究

发布时间：2017-12-11 18:26

  本文关键词：采用非牛顿流体磨盘技术加工超大口径非球面的研究

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【摘要】：与传统的加工非球面的手段相比,计算机控制光学表面成形技术(Computer Controlled Optical Surfacing,CCOS)拥有更确定性的材料去除以及更高的面形收敛效率,这使CCOS技术成为了一种加工高精度光学表面的有效途径,随着应力盘、磁流变以及离子束等技术的出现,CCOS获得了突飞猛进的进展。然而新一代的大口径光学系统对CCOS技术加工的效率以及加工质量提出了更高的要求。非球面的加工已经不仅仅以达到面形精度为目的,在重视加工效率的前提下,光学表面的中高频误差也受了越来越多的关注。新的需求转化为CCOS技术语言就是要求更确定性和更快速的去除能力(figuring)、更强的中频误差的抑制能力(smoothing)以及更高的表面粗糙度完成质量(finishing)。现有加工技术很难同时满足以上几点需求,各取所长把这些技术应用到加工的不同阶段是一种有效的途径。非牛顿流体磨盘加工技术是一种新型的加工方式,该加工技术平衡了现有加工技术的优势和不足,它同时具有figuring、smoothing和finishing三种能力,该磨盘极强的适用性决定了其在新一代的CCOS技术中不可或缺的地位。本文将对非牛顿流体磨盘加工技术进行深入的研究和探索,主要在以下四个方面展开了工作:1、对非牛顿流体磨盘的原理及理论基础进行了研究。分析了非牛顿流体磨盘的基本原理,将非牛顿流体磨盘在实际的加工过程中所表现出的柔性和刚性分为两个时间尺度。以牛顿粘性定律为基础,分析了粘弹性非牛顿流体的基本性质。根据粘弹性非牛顿流体力学模型的等当性,应用静态力学分析方法对非牛顿流体磨盘在第一时间尺度下所表现出柔性做出了解释,利用动态力学分析方法对非牛顿流体磨盘在第二时间尺度下所表现出的刚性行了描述。2、完成了非牛顿流体磨盘的设计与制作。以柔性磨盘为模板,完成了非牛顿流体磨盘的初始结构设计。针对磨盘的压力梯度效应以及磨盘和非球面的吻合条件对非牛顿流体磨盘的尺寸设计进行了规划。分析了非牛顿流体磨盘初始结构的去除函数的两大不稳定因素,分别采用有限元分析和赫兹接触理论进行了描述,并通过实验进行了验证。针对去除函数的不稳定因素,利用有限元分析优化了非牛顿流体磨盘的初始结构,通过实验验证了优化的结构的有效性,得到了理想的去除函数形状。3、非牛顿流体磨盘的工艺实验和优化。完成了RB-SiC抛光工艺实验与抛光参数的优化,实验包括材料的去除率与抛光参数之间的关系,去除函数的稳定程度与抛光参数的关系,抛光参数对表面粗糙度造成的影响,磨料对材料的去除率造成的影响。通过大量的工艺实验来进行总结和分析,最后得到了优化的抛光参数。对一块360×300mm RB-SiC离轴非球面进行了等厚去除实验,验证了非牛顿流体磨盘在加工非球面时的去除函数的稳定性90%。对一块800×300mm改性Si离轴非球面的面形进行了收敛实验,经过6个加工周期,面形精度从0.192λRMS成功收敛至0.073λRMS。最后,将非牛顿流体磨盘的应用向研磨阶段进行了扩展,通过对直径1430mm的微晶玻璃做研磨实验,验证了这种结构能有效的在研磨阶段控制中频误差。4、非牛顿流体磨盘平滑效应的理论研究与平滑实验。对平滑效应的经典理论进行了深入的分析,找出了现有模型的不足,保留了经典模型的优点,在经典理论模型的基础之上建立了时间相关平滑效应模型,该模型不仅明确的指出了平滑效率和抛光参数之间的关系,而且还兼顾了平滑模型的瞬时性。在时间相关的平滑效应模型的基础之上,提出了一种非牛顿流体磨盘平滑效率的优化策略,并以此策略进行了一组平滑实验,得到了最优的平滑参数。
【学位授予单位】：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH74;O373

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