微小非球面碳化钨光学模具的磁流变抛光特性研究

超精密加工是光学模具获得高形状精度、表面精度和表面完整性的必要手段。通过实验比较抛光前后工件面形精度的PV值及RMS值来研究微小非球面碳化钨光学模具的磁流变抛光特性。结果表明:磁流变抛光技术对提高微小非球面碳化钨光学模具形状精度、表面精度等有较显著的作用。     

偏置量对固结磨料小工具头抛光面形收敛效率的影响

目的 解决自由曲面磨抛面形收敛困难的问题,提高抛光小工具头的抛光效率.方法 提出一种偏置式固结磨料小工具头,基于固结磨料小工具头的结构特征参数,建立抛光小工具头的去除函数理论模型,并进行仿真分析,应用定点抛光法建立抛光小工具头去除函数实验模型,并验证抛光小工具头理论去除函数合理性,基于CCOS技术原理建立工件表面定量去除模型,通过虚拟加工实验探索偏置量对固结磨料小工具头抛光钛合金后的面形收敛效率的影响.结果 归一化理论去除函数曲线与实验曲线吻合度较高,定点抛光去除函数仿真模型能够很好地预测定点抛光斑的去除轮廓形状.抛光小工具头抛光钛合金的面形误差随偏置量增加,呈现先减小、后增大的趋势,无偏置的抛光小工具头抛光后,面形数据均方根(RMS)收敛效率为54.56％,波峰值与谷峰值之差(PV)的收敛效率为60.21％,当抛光小工具头偏置量为1.5 mm时,抛光后的RMS收敛效率达到最高,为73.83％,PV收敛效率为69.68％.结论 固结磨料小工具头去除函数理论模型可指导确定性材料去除,偏置量为1.5 mm时的抛光小工具头具有最强的修正误差能力,可以显著提高固结磨料小工具头抛光工艺的面形收敛效率.     

双抛光轮磁流变机床设计与抛光工艺研究

针对传统单抛光轮机床在加工中存在的不足,研发一台拥有双抛光轮的磁流变机床,该机床采用气浮技术,有力的减小了外界振动对加工过程的影响。该机床具备加工大口径平面、球面、离轴非球面以及加工光学元件表面小特征的能力,并对加工性能进行了实验验证。以所研发机床为平台分别研究了材料去除过程稳定性,修形能力和加工光学表面小特征的能力实验。实验表明在七个小时内去除函数的体积其去除效率低于5%,并对一块直径100.7mm的光学元件加以修形,经过迭代加工,PV值在2小时内由波长0.773下降到波长0.173,RMS值由61.3nm下降到4.577nm。并用直径20mm的抛光轮进行小特征的加工,加工结果表明小特征的宽度约为2.5mm,且图案清晰、均匀。由此表明,所研发机床具有较好的材料去除稳定性,较强的面形修正能力和加工光学元件小特征的能力。     

磁流变抛光光学表面加工面形控制技术研究

磁流变抛光是一种新型超精密光学表面加工方法。由于其抛光过程可控,磁流变抛光过程可以有效去除表面及亚表面破坏层,提高表面质量,修正元器件表面面形误差。抛光过程容易实现计算机数控,通过数控过程的合理设计,磁流变抛光过程可以有效地对球面及非球表面进行抛光加工。研究了实现面形修正的驻留时间算法,并对光学球面器件进行了试验加工,抛光后其表面面形误差2点峰谷值从0.17μm降低到0.07μm。     

熔石英表面离子束抛光去除函数稳定性研究

目的 检验熔石英光学元件表面离子束抛光过程中去除函数的稳定性.方法 对离子束进行法拉第扫描来获取束流密度信息,构建离子束抛光去除函数模型.分析离子束流密度信息与去除函数模型,并通过实验研究束流密度信息与去除函数之间的关系,获得基于法拉第扫描结果计算去除函数的方法.利用该方法求取离子束抛光过程中的去除函数特征量,分析去除...     

氮冷等离子体改性KDP晶体液膜接触潮解抛光

目的 利用氮冷等离子体改性KDP晶体表面,实现高质高效的液膜接触潮解抛光.方法 利用氮冷等离子体实时处理潮解抛光界面,实现微汽雾中的液滴在KDP晶体表面由液滴驻留向液膜接触转化,克服水在工件表面形成非均匀点状接触导致新"微凹坑"不断形成的不足.通过研究KDP晶体在含水介质中的材料去除特性,获得调控抛光介质性能的方法,并揭示氮冷等离子体对KDP晶体刻蚀规律的影响.通过研究KDP晶体在抛光界面上的摩擦特性和KDP晶体表面微观结构、拉曼光谱,以及氮冷等离子体对KDP晶体表面亲水改性的时效性,综合评估氮冷等离子体中的KDP晶体的抛光机理.结果 在抛光过程实验中,证明了氮冷等离子体改性KDP晶体潮解能够提高KDP晶体的表面质量.使用优化的放电参数,表面粗糙度(RMS)从18.4 nm下降至7.6 nm,PV值从109.9 nm下降至61.5 nm.材料去除率最低为10.14μm/min,最高达91.58μm/min.结论 利用氮冷等离子体,可快速、无损地将KDP晶体表面处理至超亲水状态,能有效去除液滴驻留产生的微凹坑,表面质量大幅提升,划痕明显减少,实现了液膜接触潮解抛光,为KDP晶体高质高效抛光提供新的思路.     

磁流变抛光技术的工艺试验

本文研究了利用自行配制的水基磁流变抛光液和抛光样机,进行了以抛光去除效率和表面粗糙度为考核指标的工艺实验,试验中所用工件为直径12mm的BK7玻璃零件,其初始表面粗糙度的均方根值为RMS1．41nm,经抛光后得到理想的表面粗糙度的均方根值为RMS0．61nm的玻璃工件,结果表明：随着磁流变抛光磁场强度的增加,抛光去除效率逐渐提高,但表面粗糙度的值随之降低;抛光盘转速的提高能促进抛光效率的提高,降低表面粗糙度值;抛光盘与工件间的间隙的减小有利于提高抛光效率但同时使表面粗糙度变差。     

小口径非球面小球头接触式抛光及磁流变抛光组合加工

目的 为了提高非球面光学模具的表面质量和加工效率。方法 分析当前非球面超精密抛光方式及其特点,针对小口径非球面光学模具,提出一种小球头接触式抛光及磁流变抛光的组合加工方法,对小球头进行设计,并抛光碳化钨圆片,对比小球头接触式抛光及轴向、径向、水平方向磁极的永磁体球头的磁流变抛光的加工性能。分别对编号为1^#、2^#、3^#等3个相同轮廓形状的碳化钨非球面模具进行单一方式抛光试验和组合加工试验。结果 通过对小球头抛光碳化钨圆片的加工性能进行分析发现,接触式抛光小球头的去除率为926.5 nm/h,表面粗糙度达到4.396 1 nm;轴向、径向、水平方向磁极的永磁体小球头磁流变抛光的去除率分别为391.7、344.3、353.7 nm/h,表面粗糙度分别为1.425 2、1.877 6、1.887 5 nm。对采用组合加工方法抛光碳化钨非球面的有效性进行验证时发现,非球面1^#在单一接触式抛光60 min后表面粗糙度从8.786 6 nm降至3.693 2 nm;非球面2^#在单一磁流变抛光60 min后表面粗糙度从8.212 1 nm降至1.674 5 nm;非球面3^#在组合抛光方法下先进行15 min接触式抛光,再进行15 min磁流变抛光,表面粗糙度从8.597 2 nm降至1.269 4 nm,面形精度由175.2 nm提高到138.4 nm。结论 组合加工方法可以弥补单一抛光方法的缺陷,并能有效地提高工件的面形精度。与单一接触式抛光方法相比,组合加工方法获得的表面质量更好,抛光后表面粗糙度为1.269 4 nm,远小于单一接触式抛光下的3.693 2 nm;与单一磁流变抛光方法相比,组合加工方法更高效,将样件抛光到同等级别粗糙度所需时间从60 min减少至30 min。     

弹性磨抛轮加工硅片面形预测模型及试验验证

目的 为分析弹性磨抛轮磨削硅片面形精度变化的影响因素,优化加工参数以获得良好的磨削面形。 方法 通过建立考虑弹性磨抛轮转速、硅片转速、偏心距等参数的弹性磨抛轮磨粒运动轨迹模型,结合单颗磨粒切削深度,提出了弹性磨抛轮加工硅片的材料去除非均匀性预测方法,建立了基于弹性磨抛轮磨削硅片的面形预测模型,并通过不同转速比下的磨削试验验证了预测模型的准确性。结果 面形预测模型仿真出的面形与弹性磨抛轮加工试验后的硅片面形一致,均呈“凸”形,且PV值随转速比的增大而增大。转速比为1时,磨削后硅片面形PV值为0.54 μm,仿真模型计算出的PV值为0.49 μm,转速比为5时,磨削后硅片面形PV值为2.12 μm,仿真模型计算出的PV值为2.38 μm。结论 磨削试验面形PV值与模型计算面形PV值的预测误差小于13%,建立的面形预测模型能够成功预测硅片的面形规律,可以分析加工参数对硅片面形的影响规律。由面形预测模型分析可知,转速比对硅片面形精度有影响,且随着转速比的增加,硅片面形不断恶化,因此在实际加工中,应选择较小的转速比进行加工,以获得更优的硅片面形精度。     

化学机械抛光机的抛光盘面形在位测量研究

化学机械抛光机是加工光学元件的主要设备,抛光盘面形是影响抛光机加工精度的重要技术参数。现有的抛光盘面形测量主要依赖离线测量的方式,存在着测量基准不统一、二次装夹引发变形等问题。针对上述问题,提出了一种抛光盘面形在位测量方法,搭建了抛光盘面形在位测量系统。经过误差分析将测量误差分离成为平行度误差与直线度误差两部分,通过垫调整片的方式将平行度误差从0.043 mm减小到0.015 mm,再通过z向补偿的方式将测量误差进一步减小到0.006 mm。分别利用抛光盘面形在位测量系统和三坐标测量机对直径200 mm的检测件进行了测量,两种测量方式的结果显示:抛光盘面形在位测量系统的测量误差在0.003 mm之内。抛光盘面形在位测量系统的测量精度得到了有效验证。     

汽车边梁的成形工艺分析及拉伸动态仿真模拟

通过分析边梁的成形工艺,建立了拉伸工艺补充面,改善了以往的加工工艺,利用UG建立零件的曲面模型,在冲压过程的力学模型基础上划分有限元网格,构建有限元模型并采用DYNAFORM分析软件对拉伸工序进行了动态模拟仿真,为汽车覆盖件的模具设计和验收提供了正确指导,缩短了生产周期,降低了成本,提高了质量。     

����H�͸���Ե����ԭ�����

 借助低倍、金相、扫描电镜及能谱等分析手段对Q235B热轧H型钢翼缘边部裂纹缺陷进行了研究,得出并验证了连铸坯皮下气泡、角部裂纹是造成H型钢翼缘开裂的主要原因,而浅表层夹杂则促进了裂纹在轧制过程中的进一步扩张。钢坯温度过高、加热时间过长,也会导致因钢坯过热、过烧引起的型钢翼缘轧制开裂,鉴于此,优化了温度控制工艺,工业实践效果显著。     

Microstructure and mechanical behaviour of pinless friction stir spot welded AA2198 joints

In this study, pinless friction stir spot welding of 1.8 mm thick 2198-T8 aluminium–lithium alloy plates was carried out. The change of the angle between the nugget edge and the surface, and the relationship between this angle and joint mechanical property were analysed. The results show that the angle increases rapidly initially and then approaches 45°, which is due to the extrusion of nugget material and its flow along the surrounding ‘cold’ metal during welding. The tensile strength is determined by the nugget edge angle and hook defect. Tensile loads reach a higher value when the nugget edge angle approaches 45° but have a slight decrease with the hook angle changing from obtuse to acute. The maximum tensile/shear strength could be 8.57 kN at the rotation speed of 1500 rev min^??1 and the dwell time of 12 s.     

Reactive atom plasma (RAP) figuring machine for meter class optical surfaces

A new surface figuring machine called Helios 1200 is presented in this paper. It is designed for the figuring of meter sized optical surfaces with form accuracy correction capability better than 20 nm rms within a reduced number of iterations. Unlike other large figuring facilities using energy beams, Helios 1200 operates a plasma torch at atmospheric pressure, offers a high material removal rate, and a relatively low running cost. This facility is ideal to process large optical components, lightweight optics, silicon based and difficult to machine materials, aspheric, and free form surfaces. Also, the surfaces processed by the reactive atom plasma (RAP) are easy to fine polish through hand conventional sub-aperture polishing techniques. These unique combined features lead to a new capability for the fabrication of optical components opening up novel design possibilities for optical engineers. The key technical features of this large RAP machine are fast figuring capabilities, non-contact material removal tool, the use of a near Gaussian footprint energy beam, and a proven tool path strategy for the management of the heat transfer. Helios 1200 complies with the European machine safety standard and can be used with different types of reactive gases using either fluorine or chlorine compounds. In this paper, first the need for large optical component is discussed. Then, the RAP facility is described: radio frequency R.F generator, plasma torch, and 3 axis computer numerically controlled motion system. Both the machine design and the performance of the RAP tool is assessed under specific production conditions and in the context of meter class mirror and lens fabrication.     

钛合金曲面超声辅助磁性磨料光整加工材料去除规律及去除函数

目的研究工件曲率半径、驻留时间以及加工角度对钛合金曲面超声辅助磁性磨料光整加工材料去除深度和材料去除曲线偏置程度的影响,建立不同走刀方式下的材料去除函数。方法在不同工件曲率半径、驻留时间和加工角度下,对钛合金曲面工件进行单点抛光试验,利用方差分析法,研究各因素水平对材料去除深度及材料去除曲线偏置程度的影响规律,采用最小二乘法拟合材料去除点坑在xoz平面和yoz平面内的材料去除曲线,基于二次多项式逐步回归方法,构建不同加工工艺参数下,材料去除曲线函数系数与加工工艺参数间的函数表达式,建立不同走刀方式下的材料去除函数,并对其进行准确性检验。结果由材料去除深度方差分析可得:驻留时间的F值为8.06,加工角度的F值为2.296,材料去除深度随驻留时间和工件曲率半径的增加而增加,随加工角度的增大,先增加后减小。由材料去除曲线偏置程度方差分析可得:工件曲率半径的F值为2.176,加工角度的F值为7.647,材料去除曲线偏置程度随工件曲率半径的增大而减小,随驻留时间和加工角度的增加而增加。此外,拟合的材料去除函数相关系数值R^2在0.97~0.99范围内。结论驻留时间对材料去除深度的影响最显著,加工角度次之,工件曲率半径影响最小。加工角度对材料去除曲线的偏置程度影响最显著,工件曲率半径次之,驻留时间影响最小。材料去除函数拟合结果较为准确,能满足实际的加工要求。     

气压对离子源增强磁控溅射制备氮化铝薄膜的影响

目的 制备性能优异的氮化铝薄膜.方法 采用射频感应耦合离子源辅助直流磁控溅射的方法 制备氮化铝薄膜,在不同的气压下,在Si(100)基片和普通玻璃上生长了不同晶面取向的氮化铝薄膜.使用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、原子力显微镜(AFM)分析氮化铝薄膜的结构、晶面取向、表面形貌及薄膜表面粗糙度,使用紫外可见分光光度计测定薄膜的透过率,并计算薄膜的禁带宽度.研究气压的大小对磁控溅射制备氮化铝薄膜微观结构的影响.结果 在各气压下,薄膜生长以(100)面取向为主.在0.7Pa前,(100)面的衍射峰强度逐渐增强,0.7 Pa之后减弱.(002)面衍射峰强度在0.6Pa之前较大,0.6Pa之后变小.各气压下薄膜表面均方根粗糙度均小于3nm,且随着气压的增大先增大后减小,0.7 Pa时最大达到2.678nm.各气压下所制备薄膜的透过率均大于60%,0.7Pa时薄膜的禁带宽度为5.4eV.结论 较高气压有利于(100)晶面的生长,较低气压有利于(002)晶面的生长;(100)面衍射峰强度在0.7 Pa时达到最大;随气压的增大,薄膜表面粗糙度先增大后减小;所制备的薄膜为直接带隙半导体薄膜.     

熔石英表面激光平滑中扫描速度对粗糙度的影响规律

目的 研究激光平滑光学元件的工艺,探索使用CW（连续）CO2激光器对熔石英光学元件表面进行平滑处理时,当激光束功率、束斑尺寸一定的情况下,不同的扫描速度对平滑后熔石英元件表面粗糙度的影响规律。方法 用仿真结合实验的方式进行了研究。使用有限元仿真模型对激光功率为25 W,作用斑点为短轴2 mm、长轴3 mm的椭圆斑的激光加工模型进行了仿真,得到了不同扫描速度下激光束作用于熔石英表面的温度场及对应的稳定温度。通过定点照射实验验证了温度仿真结果的准确性,并进行了扫描速度为0.04、0.1、0.2、0.35、0.5 mm/s的单因素实验,使用原子力显微镜检测平滑实验前后的熔石英表面粗糙度,得到了粗糙度与激光扫描速度之间的关系。结果 激光功率为25 W时,5种扫描速度对应的稳定温度都分布在熔石英材料的熔点以上。5种扫描速度下平滑后的熔石英表面粗糙度都明显降低,在扫描速度为0.1 mm/s的情况下,取得了将熔石英表面粗糙度由初始的62.55 nm降低至6.17 nm的平滑效果。结论 激光平滑过程中,当激光功率、激光斑尺寸一定时,存在一个最佳的扫描速度,可以使加工表面的粗糙度降低至光学表面的要求。     

低能Ar离子束处理对CuO纳米线的微观结构、化学成分及润湿性能的影响

离子束技术作为一种精确可控的表面改性技术，已开始成为调控纳米材料结构和性能的重要技术之一。利用热氧化法在铜网表面直接合成高密度、高质量和高长径比的CuO纳米线(CuO NWs)阵列，采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)和接触角测试仪，研究低能(860 eV)Ar离子束表面处理不同时间(0、5、10、15、20 min)对CuO NWs微观结构、化学成分及润湿性能的影响。结果表明：CuO NWs表面经低能Ar离子束处理后，CuO NWs顶端弯曲，表面变粗糙。随处理时间的增加，相邻CuO NWs之间出现熔合现象，CuO NWs顶端逐渐由双晶结构转变为非晶结构，CuO NWs表面部分CuO逐渐被还原成Cu₂O,CuO NWs表面的静态水接触角(SWCA)值从(86±2)°先大幅度增大到(152±3)°后轻微减小到(141±2)°，当处理时间为10 min时，获得最大的SWCA值为(152±3)°，表明CuO NWs表面具备超疏水性。因此，利用低能Ar离子束表面改性技术可以基本实现对CuO NWs形貌、结构和性能等的精确调控。研究结果可为...