单晶硅表面微结构的超精密车削成型技术

采用超精密切削加工方法进行单晶硅表面微结构制备,实验获得了一组优化的工艺参数,并在此基础上开展了不同类型微结构的超精密切削成形实验,分别获得了金字塔阵列、V形槽阵列和正弦波阵列等不同结构,证明了在单晶硅表面制备出微结构能够使得表面反射率大大降低。     

微结构功能表面的金刚石超精密加工仿真与试验

为解决微结构功能表面的金刚石超精密加工过程中,难以经济而灵活地预测表面质量及加工条件对加工表面质量的影响的问题,以自行设计的带有快速伺服刀架的超精密机床为基础,采用Matlab/ Simulink模块建立正弦波微结构功能表面金刚石超精密加工过程的动态仿真模型。利用该模型,不仅可以预测加工表面质量,还可以对加工条件如进给速度、主轴转速对加工表面质量的影响进行仿真进而对加工条件进行优化。通过微结构功能表面的金刚石超精密切削加工验证试验,加工出表面粗糙度约为45 nm、形状精度约为0.65 µm的正弦波微结构功能表面,试验结果表明,该模型的建立对于微结构功能表面的金刚石超精密加工具有重要的指导意义。     

正弦波微结构的超精密加工技术研究

阐述了同轴调制正弦波微结构的加工原理。结合试验分析讨论了刀具刀尖圆弧半径、被加工材料、切削液等切削条件与主轴转速和刀具进给速度等切削用量对金刚石超精密切削加工后的微结构功能表面的影响。为复杂微结构的金刚石超精密加X-技术研究积累了一定经验。     

辊筒模具超精密机床系统设计与工艺

为了提高国内大尺寸光学微结构薄膜的光学级模具制造水平,打破国外在辊筒模具超精密加工装备的垄断,完成了国内首台套大尺寸光学微结构辊筒模具超精密机床的设计、集成以及典型微结构工艺的研究工作。首先,根据辊筒模具表面微结构加工工艺的特点,分析了辊筒模具超精密机床的关键技术并完成了机床结构与运动控制系统设计。在机床系统集成后,完成了运动控制系统的调试。直线轴执行阶梯运动完成了直线轴运动分辨率的测试。其次,通过准直仪和激光干涉仪完成了机床关键轴系的直线度及定位精度的测试和补偿。最后,采用多步切削法切削实验,以降低毛刺高度为目标,完成了V槽阵列的加工工艺参数优化。经测试,该超精密加工机床的直线运动分辨可达到5nm,直线轴的双向定位精度均优于1μm/1 100mm;采用多步切削法加工V槽阵列,最后一次切削深度建议在1~2μm,可以获得合格的V槽阵列。     

超精密车削时切屑形成及表面微观形貌形成机理的研究

在亚微米级CNC超精密车床上进行了单晶金刚石刀具切削试验 ,根据试验结果分析了切屑形成机理和最小切削厚度与表面粗糙度之间的关系 ,建立了加工表面微观形貌的几何模型。研究结果表明 :通过计算最小切削厚度值可预测金刚石车削加工可获得的表面粗糙度值。     

微结构光学功能元件模具的超精密磨削加工技术

微结构光学功能元件在航空航天、机械电子、光学以及光电子领域都具有非常重要的应用价值和极其广阔的应用前景,针对其大批量复制用模具的超精密磨削加工技术也越来越受到重视。微结构光学功能元件模具的超精密磨削加工技术不同于传统的磨削加工技术,是在模具表面加工制造出各种不同形貌、不同尺度、不同维数并具有不同光学功能的微小几何结构。结合目前国内外微结构表面超精密制造技术的研究和发展,对微结构光学功能元件模具的超精密磨削加工技术进行综述。介绍超精密磨削加工技术在微结构表面制造中的应用,分析目前微结构光学功能元件模具超精密磨削加工中存在的关键技术问题,并对微结构光学功能元件模具的超精密磨削加工发展趋势进行预测。     

红外光学微结构表面的高效自适应飞刀切削

为了实现红外光学微结构表面的高效、高精度、低损伤加工,提出了一种超精密自适应飞刀切削方法,并进行了实验验证。根据飞刀切削的运动学特性,建立了飞刀切削塑性加工模型。以最大切屑厚度始终小于脆塑转变临界为原则,根据微结构表面的局部形貌特征,采用迭代算法规划出具有动态变化进给速度的刀具轨迹。最后,将所提出方法与传统飞刀切削方法进行对比实验,验证了所提出自适应飞刀切削方法的有效性。通过实验成功在单晶硅材料上加工了无脆性断裂的微沟槽,表面粗糙度达到18 nm。与传统飞刀切削方法相比,超精密自适应飞刀切削方法在不降低进给速度的前提下,避免了脆性断裂,加工效率是传统方法的2.5倍。     

微结构自由曲面的超精密单点金刚石切削技术概述

回顾了超精密加工技术的发展,主要包括超精密加工设备的开发历程,以及超精密单点金刚石切削技术基础,并对微工程技术作一简要介绍;重点论述微结构自由曲面的微纳切削技术,包括单点金刚石车削(Single point diamond turning, SPDT),快刀伺服加工(Fast tool servo, FTS),金刚石微凿切(Diamond micro chiseling, DMC),光栅铣削等技术。指出微结构自由曲面测量领域面临的挑战和存在的问题,包括接触式测量和非接触式测量。通过几个典型微结构自由曲面的加工及测量的应用进行举例说明;最后介绍我国在超精密加工机床领域内的研制情况,展望了超精密切削技术未来发展趋势。     

光学脆性材料的金刚石切削加工

重点对脆性材料的超精密研磨、抛光加工技术及超精密磨削加工技术和超精密切削加工技术进行了分析研究。分析表明,硬脆材料光学元件主要应进行超精密研磨、抛光及超精密磨削加工;软脆材料光学元件主要应进行金刚石切削加工。对软脆材料金刚石切削进行了试验设计,指出了光学脆性材料的金刚石切削加工过程不同于金属加工过程,通过控制切削条件可以实现脆性材料塑性域加工,提高光学脆性材料的表面加工质量。     

单点金刚石切削加工表面粗糙度的影响因素分析

本文研究了单点金刚石切削加工表面微观形貌形成机理,建立了圆弧刃金刚石刀具超精密加工表面微观形貌的理论模型,重点分析了主轴转速、进给量、刀尖圆弧半径和振动等因素对超精密加工表面粗糙度的影响。     

人造多晶金刚石刀具加工表面微观纹理的实验研究

讨论了用人造多晶金刚右刀具(PCD)进行超精密切削加工的表面形貌,重点讨论了微观纹理特征。     

圆柱表面微结构超精密车削加工技术研究

辊筒模具是加工微结构阵列光学薄膜的关键零件,辊筒表面由大量微结构构成,其表面的微结构通过UV固化技术复制到光学薄膜上,可以实现许多新型光学功能。在该技术中,辊筒模具表面数量庞大的微结构超精密加工质量是保证压印加工质量的关键和难点。为此,利用自主研发的光鼓车加工微V槽型辊筒,分析并解决了刀具、程序、加工表面等方面的关键技术难点,得到了预期的微结构效果。     

SiC_p/Al复合材料的超精密车削试验

试验研究了碳化硅颗粒增强铝基复合材料(SiCp/Al)的超精密车削加工性能.使用扫描电镜(SEM)对已加工表面、切屑及其根部、刀具前/后刀面磨损带进行观察,使用表面粗糙度轮廓仪对各种切削条件下的加工表面粗糙度轮廓进行测试分析.结果表明,该材料的加工表面常残留微孔洞、微裂纹、坑洞、划痕、残留物突起及基体材料撕裂等微观缺陷,刀具几何参数、切削速度、进给量、增强颗粒尺寸和材料体积分数是影响表面粗糙度的主要因素.由于切削变形区微裂纹动态形成的作用,超精密切削该材料时一般形成锯齿型切屑.刀具-工件的相对振动、基体撕裂增强颗粒拔出、破碎、压入等是该材料超精密车削表面形成的主要机制.单晶金刚石(SCD)刀具主要发生微磨损、崩刃、剥落和磨粒磨损,聚晶金刚石(PCD)刀具主要发生磨粒磨损和粘结磨损.结论表明SiCp/Al的超精密切削加工性较差,但通过选择合适的工艺参数,体积分数为15%的SiCp/2024Al加工表面粗糙度Ra可达24.7 nm.     

不分离型超声椭圆振动切削试验研究

超声椭圆振动切削在分离切削区能够有效地降低切削力、抑制加工过程颤振、提高零件表面加工质量和延长刀具的使用寿命,为此已成功地应用于精密和超精密加工领域.为更充分发挥超声椭圆振动切削技术的优势,拓宽其应用领域,在深入分析椭圆振动切削过程和表面微观形貌形成机理的基础上,通过具体的切削试验验证超声椭圆振动切削在不分离区仍然具有降低切削力、抑制加工颤振、降低已加工表面粗糙度等优势特性.同时,不分离型超声椭圆振动切削的加工效率是分离型椭圆振动切削的2～3倍,进一步提高超声椭圆振动切削的加工效率.但是,这些特性在不分离切削区随着速度系数的增加而逐渐减弱,当速度系数大于3以后,这些切削优势特性基本消失.     

镍基合金材料切削加工刀具研究

对硬质合金刀具、立方氮化硼刀具这两种镍基合金材料切削加工的主要刀具进行研究,通过切削加工试验分析不同刀具对镍基合金材料切削加工表面粗糙度的影响,进而优化得到适用于镍基合金材料超精密切削加工的刀具.     

超精密机床静压气浮导轨表面微结构设计研究

以减少超精密机床气浮导轨高速运动时气体阻力为设计目标,应用雷诺平均方程(Reynolds-averaged Navier–Stokes equations,RANS)和带旋流修正的k-ε湍流模型,建立导轨微结构功能表面流体动力学减阻分析模型。采用减阻机理分析与仿真方法对比分析矩形沟槽、V形沟槽、U形沟槽、Space-V沟槽等四种微结构表面构型,确定最适合超精密机床气浮导轨表面减阻需求的构型是V形沟槽结构表面。继而对V形沟槽表面几何参数进行优化设计,获得优化的沟槽角度、宽度、间距设计参数,确定最优超精密机床静压气浮导轨微结构功能表面。该设计研究可用于进一步保障超精密机床设计精度和运动精度。     

超精密径向调刀飞刀盘研制及弧形微结构的飞切实验

采用超精密飞切技术实现的脆性光学晶体材料表面的微结构功能具有重要应用。针对超精密车削机床缺乏竖直Y轴的问题,开发了一种铝制径向调刀飞刀盘,从而可以保证飞切槽形时对槽深的控制。采用差动螺旋进给机构在传统飞刀盘盘面径向设计了金刚石刀具的微调进给装置,并设计了动平衡的粗、精调功能。通过对单晶锗片表面的超精密飞切弧形槽微结构阵列的加工实验表明,该飞刀盘既可以有效相对工件表面进行对刀,也可以精确控制落刀深度;通过合理确定落刀深度,可以实现脆性晶体材料单晶锗表面弧形槽微结构的塑性区超精密飞切加工。     

铌基合金切削加工过程中刀具优化研究

通过研究硬质合金和CBN刀具切削加工铌基合金材料过程中的加工性能,优化出适合铌基合金材料零部件超精密切削加工的刀具材料。通过硬质合金刀具在铌基合金材料切削加工过程中切削三要素(切削速度、进给量和切削深度)的正交切削加工试验,研究了其对切削加工表面粗糙度的影响,建立了硬质合金刀具切削加工铌基合金材料表面粗糙度预测模型,并利用AdvantEdge金属切削有限元仿真软件开展了切削工艺参数对切削加工过程的影响。     

超精密加工技术研究现状及发展趋势

超精密加工是多种技术综合的一种加工技术,是获得高形状精度、表面精度和表面完整性的必要手段。根据当前国内外超精密加工技术的发展状况,对超精密切削、磨削、研磨以及超精密特种加工及复合加工技术进行综述,简单地对超精密加工的发展趋势进行预测。     

锗单晶球面镜超精密车削加工研究

锗单晶球面镜是精密光学试验中的重要设备,表面粗糙度、型面精度要求高,加工难度大。对锗单晶球面镜的超精密车削加工进行了研究,分析了加工难点,对加工设备、切削方式、刀具角度、切削参数进行了选择与设置,给定了冷却润滑条件,并检测了加工得到的表面粗糙度与型面精度。通过锗单晶球面镜超精密车削加工,获得了符合设计要求的加工产品。