机械刻划过程中的材料滞留特征分析

为研究光栅毛胚材料在机械刻划过程中滞留区的产生及分布特征。基于LEE和SHAFFER提出的正交切削滑移线场理论模型,在机械刻划塑流剖面内建立了带有滞留区特征的滑移线场模型,提出量纲一滞留区几何尺寸的计算方法。并结合有限元仿真方法获得了机械刻划三向分力,经拟合得到滞留区几何尺寸的演变规律,揭示了滞留区产生机理及分布特征。最后通过机械刻划试验,验证了槽面滞留区的分布特征及其对光栅槽质量的影响。研究结果表明：在一定的机械刻划加工工艺条件下,光栅槽面形成明显分界线,该线将光栅槽面分为塑性变形区和滞留区。因槽面分区成形机理和槽面质量不同,多道槽机械刻划槽面会发生非线性变形,最终将影响衍射光栅的光学衍射效果。此研究结果为从滞留区角度考虑大负前角刀具机械刻划槽形及槽面质量的控制优化问题提供了理论及试验依据。     

主副双刀机械刻划装置的开发与试验研究

超精密机械刻划加工领域中,在金属薄膜表面进行重复刻划(如衍射光栅)是一种罕见的加工方式,而工件材料(如铝膜)的回弹现象直接制约加工精度的进一步提高。本文根据衍射光栅机械刻划原理设计了一种主副双刀机械刻划装置的结构方案,并通过软硬件开发应用到衍射光栅机械刻划工艺的试验过程中,获得了更为精准的理想槽型的衍射光栅。通过扫描电子显微镜检测衍射光栅的槽型,分析得出主副双刀比单刀机械刻划出衍射光栅槽型的闪耀角精度提高了0.05°,进而验证了该装置的可行性,为后续工艺研究和工程应用研究提供了软硬件平台基础。     

刻划光栅中刻划刀的刃口半径影响研究

刃口半径是金刚石刻划刀的重要参数之一,影响光栅的衍射效率、刻划刀的刻划深度及刻划力。本文利用计算公式分析刃口半径对衍射效率、刻划深度的影响;另外,利用有限元软件模拟光栅的刻划过程,得出不同刃口半径对刻划力的影响曲线,为正确选择刃口半径提供了理论依据。     

衍射光栅机械刻划成槽的预控试验

由于目前机械刻划衍射光栅加工仍依赖操作者经验,故存在成槽质量差、无法预控等问题.本文结合铝薄膜蒸镀工艺现状,采用X射线衍射法(XRD)、扫描电子显微镜法(SEM)及纳米压痕实验揭示不同薄膜样本的微观结构与力学属性,提出了制作衍射光栅的“薄膜分类试刻法”.研究结果表明,光栅刻划过程可近似等效为楔体下压过程,对“低弹性模量类”薄膜,可采用滑移线场进行解析求解并一次试刻成槽;对“弹塑性类”薄膜,可采用有限元模拟实验进行成槽预控.该方法可预先对薄膜甄别分类,用不同的计算方法确定不同种类薄膜的工装参数,进而刻划出近乎完美的槽形;同时减少了试验刻划耗时与浪费,提高了成槽质量与刻划效率;为刻划更加精密的光栅奠定了基础.     

机刻光栅复合基底对薄膜内应力的影响研究

机械刻划制备大尺寸中阶梯衍射光栅是亚微米级的成槽挤压过程,在薄膜成槽变形过程中应力的产生与分布会直接影响槽形质量。受限于实际加工及检测手段,无法对薄膜内应力进行有效研究与计算。通过建立无基底纯铝膜模型、仅存玻璃基底铝薄膜模型与具有玻璃—铬复合基底的真实铝薄膜等三种模型,采用有限元模拟压痕试验分析方法,对比分析受压区域应力分布情况,总结受压薄膜内应力分布规律。实验研究表明",三明治"式复合基底有助于薄膜内竖直方向内部应力的分布优化。此研究创新了基底效应与薄膜内应力相互影响关系的研究方法,同时为机刻光栅制备工艺提供借鉴指导。     

机械刻划长焦距凹面金属光栅的研制

对大曲率半径(即长焦距)金属基底凹面光栅的机械刻划技术做了研究。为了刻制长焦距凹面光栅,设计和研制了弹性顶针式光栅刻划刀刀架,它具有适用于刻划平面光栅和长焦距凹面光栅的双重功能。给出了描述光栅刻划刀圆弧形刀刃曲率半径与凹面光栅曲率半径、光栅口径、金刚石刀头横向尺寸之间关系的数学表达式,理论分析了光栅刻划刀圆弧形刀刃曲率半径的取值范围,研制了10.6 μm激光系统用曲率半径为30 m的凹面金属光栅。检验结果表明,光栅的槽形质量较好,光栅的衍射效率可达96.8%以上。     

超精密金刚石刀具──衍射光栅刻划刀

衍射光栅是一种非常精密的光学元件。它们通常是用金刚石刀具刻划的。为了使光栅有较高的衍射效率,金刚石刻划刀应有精确的角度。正确选择金刚石晶格的方向对提高刀具的寿命非常重要。光栅刻划刀刀刃的粗糙度好于8nmRa.     

衍射光栅槽形隆起的数学建模及演变规律

以79g/mm的中阶梯衍射光栅为目标,研究衍射光栅机械刻划过程中铝膜的槽形隆起机制。首先,经过4次坐标变换,建立了光栅槽形的塑流剖面。然后,基于Lee and Shaffer提出的滑移线场模型,在塑流剖面内建立起包含滞留区域的滑移现场模型,并根据Dewhurst and Collins提出的矩阵算法对滑移线场进行求解,最终得到槽形隆起尺寸模型。最后,通过DEFORM软件对槽形隆起尺寸的演变规律进行模拟分析。     

机械刻划槽形过挤压临界状态分析

衍射光栅是重要的光学元件,机械刻划过程中的过挤压现象在一定程度上会对其槽形质量产生影响。针对刻划过程中的过挤压现象,本文建立了槽形顶角分别为钝角、直角和锐角三种情况下的滑移线场模型,并结合塑性变形体积不变准则确定了槽形过挤压临界点D的位置。得出了在光栅常数、槽形非闪耀角一定的条件下,D点的位置随着刻划深度和刻刀刀尖角度变化的规律。为光栅槽形过挤压现象的抑制以及槽形的控制提供了理论依据。     

光栅分层结构铝膜塑变应力传递规律研究

近似采用连续均匀介质模型表征分层铝膜机械刻划塑变过程时,无法准确揭示铝膜微观结构对应力传递的影响规律,直接阻碍刻划光栅精密控形成槽技术的获取。首先通过扫描电镜获取光栅毛坯上分层铝膜的微观形貌,结合混合率理论建立具有晶粒晶界特性的两相晶粒模型。其次通过纳米压痕及纳米划痕实验获取分层结构铝膜的力学特性。最后利用Abaqus软件,对光栅机械刻划过程进行仿真分析。分析研究表明:临近刻槽的晶界在形变结束后储存压应力,阻碍下方晶粒中拉应力的释放。仿真中的回弹量与划痕数据相吻合,误差较传统模型减小一半。两相晶粒模型可以很好地揭示具有分层结构铝膜的加载形变规律。     

精密金刚石刀具研磨机——光栅磨刀机的研制

<正> 随着我国工业技术的发展,精密金刚石刀具的需要量增加,而我国目前许多加工金刚石刀具的研磨机仍采用磨制手饰戒指用的磨钻机,其精度低、振动大,致使精密金刚石刀具的磨制遇到困难和不便。我所为进行光栅刻划需用精密金刚石刻刀,因而于1975年研制成光栅磨刀机,取得了一些经验,现将其技术关键介绍如下。一、光栅刻划和光栅刀光栅是一种精密分光元件,用光栅刻划刀在镀铝膜上刻出间距不同的刻槽即成光栅。若刻制每毫米1200条线的光栅,其间距a 为0.8μ,如图1所示。铝膜镀在玻璃坯上。为获得集光效率很高的光栅,要求刻刀光洁度达▽_(14),刀     

基于ANSYS Workbench的机械刻划弹性刀架动态特性分析

弹性刀架是光栅机械刻划装置的关键部件,是易发颤振的薄弱环节。机械刻划颤振会加剧金刚石刀具磨损,严重影响光栅成形质量,甚至会使光栅报废。以弹性刀架为研究对象,采用直接求解法分析了弹性刀架的动态特性,得到了弹性刀架的固有频率和模态振型,找到了弹性刀架易发颤振的位置,为提高弹性刀架的稳定性提供了理论支持。在此基础上进行了谐响应分析,得出弹性刀架沿X、Y、Z轴三个方向的频率-位移响应曲线,分析出机械刻划时弹性刀架应该避开的工作频率范围,这对抑制机械刻划颤振的发生,保证光栅槽形质量具有重要意义。     

高效平面全息衍射光栅的获取方法

从全息衍射光栅的制作原理出发,介绍了全息光栅的主要制作方法,并与刻划光栅对比分析了全息衍射光栅的诸多优点。通过利用光栅设计的耦合波理论对全息衍射光栅槽型、槽深及槽间距等进行了优化设计,同时利用离子束刻蚀技术获得了高效率全息光栅。文中全面分析了制作高效率平面全息光栅的各项关键技术。     

衍射光栅

大多数现代光栅是在刚性基片上的有金属镀层的胶膜复制品,胶膜复制品由母光栅复制得来。母光栅的制作方法有两种:一种是机械刻划,即用金刚石刀具在柔软的金属薄膜上划出一些间距均匀的刻槽;另一种是用涂有光致抗蚀剂的毛坯对大功率激光器产生的干涉条纹进行曝光。本文对平面和凹面光栅制作的主要方法做了叙述。性能测试主要是衍射效率和衍射波前的完善度。成象缺陷主要表现是降低了分辨率。刻槽间距缺陷则表现为鬼线、杂散光和伴线。这些都将予以评论。     

衍射光栅机械刻划工艺理论分析与实验研究

目前,“试刻划”加工光栅的工艺模式耗时长、效率低,且机械刻划光栅的槽形无法准确预控。通过纳米压痕实验对光栅刻划铝薄膜的微观结构及力学性能进行了表征,采用DEFORM有限元分析软件并结合正交试验对成槽过程进行了研究,通过对数据进行极差分析和单因素影响规律实验分析,建立了槽底角数学工艺模型。研究结果表明,光栅刻划过程可转化为楔体下压过程,基于有限元模拟实验的槽底角数学工艺模型可用。     

残余应力与基底效应对光栅厚铝膜纳米压痕耦合影响研究

机刻中阶梯衍射光栅厚铝膜通过真空蒸镀方法获得,其内部存在残余应力,与基底效应耦合作用,增加纳米压入测试与刻划成槽模拟仿真的研究难度。为此,基于材料变形弹塑性接触理论和量纲分析方法,建立具有内部残余应力的光栅厚铝膜模型,研究内部残余应力与基底效应耦合作用对纳米压痕硬度与隆起高度的影响规律。结果显示,随着薄膜内部残余应力变大,铝膜载荷和表面隆起高度减小;受基底效应耦合影响,其二者变化趋势逐渐增大。此研究为机刻衍射光栅厚铝膜力学性能纳米压入测试及刻划成槽研究提供重要参考。     

光栅机械刻划摩擦型颤振机理

研究了光栅机械刻划过程中弹性刀架和金刚石刻刀系统的摩擦型颤振机理。建立了光栅机械刻划摩擦型颤振动力学模型,并对颤振系统进行了稳定性分析,提出了系统的稳定性条件和"稳定性阈"。从能量角度对颤振进行了分析,获得了相同的稳定性条件。在刻划工艺试验装置上单一改变刻划速度进行了光栅刻划试验,通过对刻划力的测量和分析,验证了竖直方向刻划力相对于刻划速度具有下降特性,即满足了摩擦型颤振的前提条件。最后,通过对2、6、10和13mm/s 4组不同刻划速度下所刻光栅槽形轮廓的检测,验证了该系统在超过临界刻划速度(在6~10mm/s)的情况下会有颤振发生。验证实验证明了该摩擦型颤振动力学模型的有效性和稳定性阈的存在性,为深入量化分析并抑制颤振的发生奠定了理论基础。     

弧形刻刀的主刃半径对中阶梯光栅槽形的影响研究

以弧形刻刀刻划79g/mm的中阶梯衍射光栅为研究对象,基于滑移线场理论建立了光栅槽形隆起高度的数学模型,并以此分析出槽形隆起高度随主刃半径增大而降低的变化规律.在有限元软件DEFORM中建立了弧形刻刀刻划光栅的动态仿真模型,模拟出主刃圆弧半径参数对槽形隆起高度的影响规律,和理论分析一致.为弧形刻刀刻划中阶梯衍射光栅的机理和工艺研究奠定基础.     

非异常区TM偏振波宽波段特性在激光器调谐光栅设计中的应用

通过刻划工艺控制光栅槽形零级面宽度,使-1级和0级衍射效率同时达到期望值是激光器调谐光栅研制中的技术难题。基于光栅电磁场理论,利用光栅非异常区入射波长与光栅周期之比λ/d≈1.414附近较宽波段范围内TM偏振波的衍射效率变化梯度小,而且同一波长的衍射效率随闪耀角增大呈单调递增或随槽顶角增大呈单调递减趋势的特性,给出了-1级振荡0级输出激光器调谐光栅的全三角槽形模型及设计方法。该方法用常规三角槽形光栅即可实现任意比值的-1级与0级衍射能量分布,避免了以往通过控制类梯形槽形零级面宽度来制作此类光栅的工艺不确定性,降低了制作难度。应用该模型设计并制作了-1级衍射效率为65%的0级输出激光器调谐光栅,其在10.6μm处的衍射效率误差为0.6%。该方法还适用于-1级振荡-1级输出激光器调谐光栅的设计,实现了两类激光器谐振光栅在设计方法以及制作工艺上的统一。     

激光衍射对刀装置的开发与应用

在超精密加工领域,在工件原始表面进行加工(如机械刻划)是非常重要的加工方式,而对刀间距的检测精度直接制约着加工精度。根据激光衍射测量原理设计了一种激光衍射对刀装置的结构方案,并通过软硬件开发,应用到了衍射光栅的机械刻划工艺试验装置的对刀间距检测过程中,获得了对刀间距的特征衍射条纹图像。通过检测两个一级次极大衍射条纹光强峰值点的间距实现了对精密对刀间距的有效测量,验证了该装置的可行性。为后续工艺研究和工程应用研究提供了软硬件平台基础。