大口径光学元件的机械手抛光

为满足大口径光学元件多模式组合加工技术(MCM)的需要,研制了JP-01型数控抛光机械手。该机械手采用柱坐标结构,ρ-θ极坐标运动方式,ρ、θ两轴联动完成MCM加工所需各种运动。运用齐次坐标变换理论和Preston方程,在分析机械手抛光过程中工件表面上任意一点的相对速度、压强及抛光时间的基础上,建立了机械手抛光的材料去除数学模型,同时求解了JP-01型机械手的位姿转换矩阵。运用所建立的数学模型对MCM加工中修正环带误差和局部误差时单个抛光盘常用运动模式的材料去除特性进行了计算机模拟。应用JP-01型机械手对一口径为240 mm,F数为1.5的球面反射镜进行了确定性抛光实验,最终面形精度达到14.6 nm(RMS)。实验表明,所测得数据与理论分析数据吻合,建立的数学模型能真实反映材料去除分布特性,可以指导抛光实现确定性加工,JP-01型机械手能够提供MCM加工所需运动形式。     

磨料水射流抛光45钢工艺参数优化

对磨料水射流抛光45钢进行了研究,分析了材料的去除机理,在已有材料去除模型基础上,设计了正交实验,对不同参数组合下磨料水射流加工45钢的表面粗糙度、材料去除率进行了MATLAB数据分析,同时从材料去除机理方面对磨料粒度、射流压力、横向进给速度、靶距、喷嘴冲蚀角度等加工参数对于抛光表面质量和材料去除率的影响程度和影响趋势进行了分析。最终结合加工面表面粗糙度和材料去除率,选出45钢抛光加工最优加工参数组合。     

应用多模式组合加工技术修正大口径非球面环带误差

为了满足大口径非球面光学元件加工的需求,提出了用多模式组合加工(MCM)技术修正大口径非球面反射镜环带误差的方法。本文讨论的MCM技术以经典加工工艺为基础,采用抛光盘的多工位加工和抛光模式的组合完成光学元件的抛光,实现对光学表面中低频段误差的有效控制。介绍了MCM技术的重要组成部分JP-01抛光机械手的工作原理,分析了MCM的工作模式。采用MCM技术对Φ1230mm的非球面反射镜进行环带误差的修正,给出了镜面面形检测结果。实验结果表明,MCM技术可以有效地控制光学表面的中低频误差,使光学表面误差得到有效收敛,从而显著提高抛光效率。目前,采用MCM技术加工1～2m口径的同轴非球面,其精度可以达到30nm(RMS)。     

高陡度非球面光学元件加工技术研究

高陡度非球面光学元件因形状特点,其毛坯成形、研磨和抛光等加工技术难度远高于传统的球面元件.其加工过程中根据不同材料和不同加工阶段分别应用化学气相沉积(CVD)精密复制方法、单点金刚石车削(DPT)、金刚石磨削、确定性微研磨(DMG)、磁流变抛光(MRF)和射流抛光等先进制造技术.分析高陡度非球面光学元件的形状特征,重点讨论高陡度非球面光学元件的加工技术及关键工艺,针对凹面抛光加工等技术难点做出工艺分析.     

数控非接触式超光滑光学元件加工机床的设计

基于数控技术,提出了一种非接触式光学元件表面超光滑液体抛光方法.通过磨头中心孔为抛光表面提供抛光液,抛光液在磨头自转的带动下与光学元件表面相互作用,实现光学元件表面材料的微量去除,利用计算机控制抛光磨头的运动轨迹完成对光学元件表面的抛光.根据上述原理,设计和研制了数控非接触表面超光滑光学元件加工机床样机,样机直线运动轴最低进给速度为0.000 1 m/s,定位精度为0.008 mm;摆动轴最低转速为0.002 8 r/min,定位精度为15″.抛光实验结果表明,经过20 min的超光滑加工,熔石英材质光学元件上两点的表面粗糙度Ra值分别由加工前的1.03 nm和0.92 nm提高到加工后的0.48 nm和0.44 nm,显著提高了加工精度.     

超声振动辅助磨料流抛光技术研究综述

抛光加工是实现高性能零件最终表面质量要求的重要的方法.超声振动辅助磨料流抛光是磨料流抛光与超声振动相结合的复合抛光技术,在光学玻璃、蓝宝石、单晶硅、陶瓷等硬脆性材料抛光和金属材料零件复杂表面的抛光加工中具有独特的优势,可以有效地提高表面质量和抛光效率.对近年来的技术发展进行了总结,对抛光加工基本原理研究、材料去除微观机理研究、抛光工艺方法分类及应用等方面进行了系统的论述和分析.指出了这一技术当前的研究热点和需要解决的关键问题,对今后的研究、应用和发展给出了建议和展望.     

匀光阵列微结构模具高性能非接触仿形抛光

匀光元件具有优良的光束扩散性能,被广泛应用于投影、照明及成像系统,抛光可有效去除匀光模具表面刀纹从而提升性能,但现有的抛光方法通常难以在保持微结构面形精度的同时提升表面质量。为解决上述问题,提出了一种用于阵列微结构模具的高性能非接触仿形抛光方法,研究了加工间隙和工具转速对材料去除的影响,分析了模具表面质量及面形变化。最后,通过打光测试表征了不同加工方法与元件性能的关系。结果表明,抛光对匀光元件性能提升作用显著,提出的高性能非接触仿形抛光方法可大幅提高塑件匀光性能。抛光后,模具表面粗糙度由初始的164.2 nm Ra下降至8.1 nm Ra,形状精度误差小于0.8μm,同时刀纹和毛刺被有效去除。塑件匀光亮度提升了40.4%,匀光均匀度提升了67.1%,塑件匀光性能显著提升。提出的非接触仿形抛光方法可以为高性能光学微结构元件的制造提供技术支撑。     

基于流变原理的柔性接触抛光材料去除模型综述

基于流变原理的柔性接触抛光是通过辅助场控制智能材料转变相态形成柔性抛光头进行加工的一类抛光,能够满足复杂形面零件所需的高形状精度和高表面完整性要求。材料去除函数能直观地反应抛光后工件表面轮廓,是实现工件材料确定性去除的关键。对当前具有代表性的柔性接触抛光方法如磁流变抛光、电流变抛光、磁射流抛光、剪切增稠抛光进行综述,阐述了基于不同理论建立的材料去除模型,分析了各个模型的主要影响参数,比较了各个模型的特点。对柔性接触抛光方法及其材料去除模型研究趋势进行预测。     

时变去除函数在气压砂轮抛光中的应用研究

针对气压砂轮抛光中通过驻留时间控制材料去除量需在模具表面多去除一层材料及抛光效率低等问题,提出了一种基于时变去除函数的抛光材料去除量控制方法。该方法以抛光工具所能达到的最大进给速度在模具表面进行抛光加工,无需多去除材料,通过实时改变抛光工具的去除能力以适应面形误差的变化,极大地缩短了抛光时间;开展了抛光材料去除过程研究,建立了气压砂轮抛光工具进给速度与面形数据和抛光去除函数之间的关系,提出了抛光过程时间的计算方法;针对时变去除能力超出抛光工具最大去除能力的问题,提出了在气压砂轮抛光中对需去除的材料进行分层抛光的思想。最后,通过抛光过程时间对材料去除量控制的两种方法进行了对比分析。研究结果表明,在气压砂轮抛光中采用时变去除函数来控制材料去除量能极大地提高抛光效率。     

Manufacture of SiC off-axis aspheric mirrors by double-swing method

研究了用双摆动技术抛光离轴非球面的工艺.介绍了用双摆动抛光加工离轴非球面的原理,分析了双摆动抛光过程中抛光盘与工件的相对运动特性及各个工艺参数对相对运动路径的影响.建立了双摆动抛光运动的数学模型,进行了计算机仿真,并对不同参数下的仿真结果进行了比较.给出了抛光模形状模型,实验验证了不同形状抛光模的材料去除特性.应用双摆动技术加工了一个224 mm× 108 mm离轴碳化硅反射镜,结果显示:应用该技术加工离轴非球面镜可以有效抑制光学表面中频误差,具有较高的材料去除效率,面形精度可以稳定达到λ/30(rms,@633 nm).因此,双摆动抛光技术的研究有助于推动离轴非球面制造技术的发展.     

应用双摆动技术加工离轴碳化硅反射镜

研究了用双摆动技术抛光离轴非球面的工艺。介绍了用双摆动抛光加工离轴非球面的原理,分析了双摆动抛光过程中抛光盘与工件的相对运动特性及各个工艺参数对相对运动路径的影响。建立了双摆动抛光运动的数学模型,进行了计算机仿真,并对不同参数下的仿真结果进行了比较。给出了抛光模形状模型,实验验证了不同形状抛光模的材料去除特性。应用双摆动技术加工了一个224mm×108mm离轴碳化硅反射镜,结果显示:应用该技术加工离轴非球面镜可以有效抑制光学表面中频误差,具有较高的材料去除效率,面形精度可以稳定达到λ/30(rms,@633nm)。因此,双摆动抛光技术的研究有助于推动离轴非球面制造技术的发展。     

大口径非球面反射镜误差分离组合加工技术

为了解决大口径非球面反射镜材料去除效率与面形收敛效率之间的矛盾,提出了基于高低阶面形误差分离的组合加工技术。首先,分析了不同尺寸磨头对不同周期面形误差的控制能力。然后,比较了不同磨头的收敛效率与加工时间之间的关系。最后,根据大口径非球面反射镜加工过程中面形误差的特点,将大口径非球面反射镜的面形误差分离为低阶面形误差与高阶面形误差,使用不同加工方式分别对高、低阶面形误差驻留时间进行求解。通过多种加工方式组合加工的方法建立了具有针对性的加工策略,有效提高加工效率。结合工程实例,对一块口径为2.04m的非球面SiC反射镜进行了加工试验,单个组合加工周期内面形收敛效率达到61.2%。结果表明,高阶与低阶面形误差均得到较好的去除。材料去除效率与面形收敛效率均得到提高,达到了良好的效果,满足加工需求。     

计算机控制光学表面成形技术的驻留时间算法

为了提高镜片的加工精度与效率,利用计算机控制光学表面成形技术(CCOS)的抛光方法对光学镜片进行抛光全过程动态仿真。根据Preston方程建立材料去除函数模型,对抛光过程中压力、转速以及工件与抛光磨头相对半径比对抛光去除速率的影响进行分析。为建立球面镜片的动态全过程仿真,结合卷积原理,推导加工残余误差与去除函数和驻留时间三者间的线性关系,根据镜片的对称性,将元素个数从2m+1点简化为m+1点,以提高运算效率。最后为获得仿真最小残余误差,采用非负最小二乘法求解驻留时间。结果表明,材料去除速率函数类似于高斯分布,抛光后能使镜片面形误差收敛,对模拟表面进行仿真,半径为100mm的镜片其初始表面形貌粗糙度的均方根值从0.467μm收敛到0.028μm,轮廓最大高度从6.12μm收敛到1.48μm。对实测表面进行加工仿真同样令其表面形貌粗糙度的均方根值从3.007μm收敛到0.107μm,轮廓最大高度从160.73μm收敛到13.76μm,因此提出的驻留时间求解方法对于球面镜片抛光全过程动态仿真有一定的可行性。     

Kernel TIF method for effective material removal control in rotating pitch tool-based optical figuring

While opticians have used pitch tools for superb surface finishing, their poor controllability in material removal and associated lengthy tooling overhead have been well known in optics fabrication communities. We report a new computational technique called kernel tool influence function (KTIF) that can bring higher predictability to pitch tool-based material removal. The term ??kernel?? is defined as the ratio of experimental to simulated removal depth, therefore transforming the material removal coefficient of Preston??s equation to a removal scaling function at each point on the tool surface. This approach offers a unique inherent control feature incorporating ??real-life shop floor effects associated with pitch tool polishing variables?? into the tool influence functions without the need for theoretical expressions for the effects of individual variables on material removal behavior. Using a modified Draper-type polishing machine and a rotating pitch tool, we first generated kernel TIFs with zero stroke and used them for simulation and trial experiments of extended TIFs with variable tool strokes. The results show that the root mean square (rms) TIF profile differences between the prediction and experiments are in the range of 11 to 29?nm for conventional TIF and 7 to 15?nm for the KTIF. We then generated conventional TIF and KTIF database sets and applied them to surface figuring simulations. The results confirm that the kernel TIF has superior performance to the conventional TIF in controlling the material removal for correction of the chosen surface error.     

Characterization of 4H-SiC (0001) surface processed by plasma-assisted polishing

For the finishing of some difficult-to-machine materials, such as silicon carbide, diamond, and so on, a novel polishing technique named plasma-assisted polishing (PAP) was proposed, which combined with the irradiation of atmospheric pressure water vapor plasma and polishing using soft abrasives. In this article, application of PAP to 4H-SiC (0001) substrate was conducted. We used helium-based water vapor plasma to modify the mechanical and chemical properties of the SiC surface. The results of X-ray photoelectron spectroscopy measurements indicate that the surface was efficiently oxidized after plasma irradiation, and the main product was SiO₂. CeO₂ was used as the abrasive material in PAP, the hardness of which was near to that of the oxidized surface. The scanning white light interferometer images of the PAP processed surface showed us that scratches disappeared and surface roughness also decreased from 4.410 nm p-v, 0.621 nm root mean square (rms) to 1.889 nm p-v, 0.280 nm rms. From the atomic force microscopy images, step and terrace structure was observed on the surface after PAP, which means an atomically flat surface was obtained. The PAP processed surface was observed using cross-sectional transmission electron microscope, which indicated that almost no crystallographical defects were introduced.     

单晶硅同质互抛实验研究

以材料的去除率和表面粗糙度为评价指标设计对比实验,验证了硬脆材料互抛抛光的可行性,得到了抛光盘转速对硬脆材料互抛的影响趋势和大小。实验结果表明：当抛光压力为48 265 Pa（7 psi）、抛光盘转速为70 r/min时,自配抛光液互抛的材料去除率为672.1 nm/min,表面粗糙度为4.9 nm,与传统化学机械抛光方式的抛光效果相近,验证了硬脆材料同质互抛方式是完全可行的;互抛抛光液中可不添加磨料,这改进了传统抛光液的成分;采用抛光液互抛时,材料去除率随着抛光盘转速的增大呈现先增大后减小的趋势,硅片的表面粗糙度随着抛光盘转速的增大呈先减小后增大的趋势。     

ZF6重火石玻璃非球面数控加工技术的研究

由于重火石玻璃的密度很大,材料较软,在数控加工过程中难以控制材料的去除量。现主要针对Ф62mm ZF6非球面凸透镜,对铣磨成型工艺、抛光工艺、抛光设备及抛光液等相关工艺参数进行了研究,采用弹性模预抛光与小抛头修正抛光相结合的两步研抛法对零件表面快速抛光,给出了一套规范的ZF6玻璃非球面的数控加工工艺,同时保证了零件具有较高的面形精度,实现了该非球面元件的快速批量生产。Ф62mm口径非球面最终面形精度达到0．5μm以下,表面光洁度达到Ⅲ级,明显改善成像质量,减少系统中光学零件数目,满足了非球面的使用要求。     

磁流体辅助抛光工件表面粗糙度研究

给出了磁流体辅助抛光的机理,以及依据Preston方程建立的磁流体辅助抛光的数学模型。并通过实验详细研究了磁流体辅助抛光后工件的抛光区形状,以及抛光区内表面粗糙度情况。最终加工出了表面粗糙度为0.76 nm(rms值)的光学元件,其高频表面粗糙度达到0.471 nm(rms值),满足了对一定短波段光学研究的要求。结果表明:磁流体辅助抛光可以用于对光学元件进行超光滑加工;在磁流体辅助抛光过程中,较大粒度的磁流体抛光液有利于工件表面粗糙度快速降低,较小粒度的磁流体抛光液可以获得更加光滑的光学表面。