进动气囊抛光的驻留时间优化

提出了一种新的进动气囊抛光驻留时间算法,用于实现高精度的光学玻璃零件的加工。首先,通过抛光工艺试验确定抛光去除率函数;在矩阵迭代算法的基础上,给定一个合适的驻留时间初值函数。然后,采用分层阈值去除法进行驻留时间的优化求解,并加上残余误差方差最小的判定条件,从而得到完整的驻留时间函数。该算法适用于非球面、自由曲面等光学玻璃元件的抛光加工。用MATLAB对残余面形误差进行了仿真,仿真结果表明残余误差精度PV值可以收敛到0.1μm左右。最后,对光学玻璃平面进行了抛光。实际抛光后,该玻璃表面粗糙度Ra从抛光前的0.159μm减小到0.024μm,面形精度PV值由抛光前的0.756μm减小到0.158μm。得到的结果验证了提出驻留时间算法的合理性,表明该算法可为以后进行复杂面形工件的气囊抛光研究提供理论基础。     

基于粘弹性球形小磨头的小口径非球面模具抛光

传统的抛光方法加工小口径非球面模具，存在工具容易干涉和面型误差补偿精度差的问题。提出一种使用粘弹性聚酯纤维布包裹球形小磨头的子孔径抛光方式，以适应小口径非球面模具的轮廓形状变化。首先，通过探究纤维布的压缩量与其不可恢复形变量和粘弹性应力的关系，确定抛光过程中纤维布的压缩形变规律，提出以纤维布的粘弹特性为基础，建立抛光压强分布模型，并结合抛光工具与模具的位姿得出合线速度分布规律，建立小磨头抛光单位时间去除函数；然后，通过单点抛光和均匀抛光实验，证明了粘弹性聚酯纤维布包裹球形小磨头的抛光方式比单独采用刚性球形小磨头抛光的效果更佳；接着使用粘弹性球形小磨头进行环带实验，探究了驻留时间、抛光压力、抛光工具转速和工件轴线速度等工艺参数对碳化钨模具的材料去除深度和表面粗糙度的影响规律，并对直径为9.7mm的回转对称非球面碳化钨模具进行面型误差补偿仿真与验证；最后，结果表明模具的面型误差仿真结果和实验补偿效果都有效收敛，面型误差PV值(Peak to valley)从0.208 7μm改善至0.079 9μm，而且中心处表面粗糙度Ra由20nm降至10nm。证明了提出的基于粘弹性球形小磨头的子孔径抛...     

微通道反应器沟槽底面的磨料水射流抛光研究

针对燃料电池微通道反应器的沟槽底面抛光技术难题,开展磨料水射流沟槽抛光仿真与试验研究。采用FLUENT软件,对不同工艺参数下沟槽底部剪切力分布进行了数值模拟;根据仿真结果进行316L不锈钢材料的单沟槽抛光工艺试验,检测分析不同抛光参数下单沟槽底面形貌、材料去除率以及表面粗糙度的变化规律;根据单沟槽底面几何精度和表面粗糙度需求,获得最佳的沟槽抛光参数,进行单沟槽抛光验证试验。结果表明:当磨料粒径5μm,抛光液浓度3%,射流压力0.35 MPa,喷射距离8 mm时沟槽底面抛光效果最佳,抛光后粗糙度Ra达到0.11μm,沟槽底面轮廓的RMS误差为2.92μm。试验研究结果为磨料水射流抛光微通道反应器等沟槽类零件提供指导依据。     

应用四轴联动磁流变机床加工曲面

以永磁型磁流变抛光机为基础,提出了在光栅式加工轨迹下结合四轴联动机床(不含抛光轮转动轴)和变去除函数实现磁流变抛光技术确定性加工曲面的方法。讨论了曲面上光栅式加工轨迹等面积规划原则和基于矩阵乘积运算的驻留时间求解算法。分析了磁流变四轴联动机床的机械补偿方式,同时以变去除函数模型为基础从算法上实现了机械的剩余补偿。应用以氧化铈为抛光粉的水基磁流液对口径为80mm、曲率半径为800mm的BK7材料凸球面进行了修形验证实验,一次加工(5.5min)后显示:面形误差分布峰谷值(PV)和均方根值(RMS)从117.47nm和22.78nm分别收敛到60.80nm和6.28nm。实验结果表明:结合四轴联动的低自由度机床和变去除函数算法补偿的磁流变加工工艺能够有效地实现球面及低陡度非球面等曲面的高效确定性加工,为磁流变抛光在光学制造中的应用提供了有力的支持。     

超声加工对球墨铸铁表面粗糙度的影响及其机理

对球墨铸铁表面进行超声加工处理,通过白光共焦三维显微镜、扫描电子显微镜、光学显微镜和维氏硬度计等研究了加工区和未加工区的三维形貌、表面粗糙度、显微组织等。结果表明:超声加工对试样的尺寸影响很小,可实现连续抛光;加工区与未加工区的交界处有高约30μm的蝶形凸起;超声加工能显著降低试样的表面粗糙度,轮廓算术平均偏差由加工前的1.465μm减小到0.948μm,降低了35.29%;超声加工后,试样表层晶粒明显细化,表面硬度提高,超声加工对试样硬度的影响深度为0.6mm左右。     

磁流变抛光预补偿交叉耦合轮廓控制算法

文章首先介绍了直线和圆弧的轮廓误差模型,根据磁流变抛光运动特点推出了三轴联动时的轮廓误差模型,并针对该模型提出了三轴联动预补偿交叉耦合轮廓方法,最后进行了仿真及加工实验.仿真结果表明,在跟踪圆弧轮廓时,采用三轴预补偿交叉耦合轮廓控制算法,轮廓误差由0.045mm减小到0.006mm,可见该算法能有效地减小轮廓误差.通过对球面K9光学玻璃进行的磁流变抛光实验,获得了表面粗糙度Ra0.636nm、面形精度P-V值52.14nm的球形表面.     

砂轮约束磨粒喷射加工外圆表面创成机理及三维形貌

磨粒喷射精密光整加工是重要零件在磨削后进行去除表面缺陷层、降低粗糙度和波纹度为目的光整加工新工艺。试验在MB1332A外圆磨床上完成,加工试样为表面粗糙度0.6 m左右的45钢。加工表面形貌和微观几何参数分别用扫描电子显微镜和Micromesvre2表面轮廓仪测量。应用自相关函数对磨削加工表面和光整加工表面进行分析,并研究材料去除机理和微观表面形貌的创成机理。在楔形区游离磨粒获得能量对工件进行抛磨、滑擦、和微切削是材料去除机理的核心因素,磨料流体侧向挤出是均化和降低表面波纹度的主要因素。试验结果表明,试样表面从连续的方向一致的沟槽被随机不连续的微坑所代替,表面粗糙度明显得到改善。随着加工循环的增加,工件表面的粗糙度值由0.6 m下降到0.2 m左右。此外,光整加工可以获得各向同性网纹交错的表面,表面轮廓的支撑长度率提高,对工件的耐磨性有利。     

圆弧金刚石砂轮三维几何形貌的在位检测和误差评价

针对非球面光学元件加工对圆弧金刚石砂轮形状误差测量的需求,提出了砂轮三维几何形貌在位检测与误差评价方法。建立了砂轮外圆面螺旋扫描轨迹测量数学模型,利用位移传感器获取了砂轮表面轮廓数据;对得到的数据匀滑滤波后沿圆周展开并进行插值处理,得到砂轮三维几何形貌。然后,根据非球面平行磨削加工特点,提出评价圆弧砂轮形状精度的指标。通过提取三维几何形貌轴截面轮廓,进行最小二乘圆弧拟合得到不同相位处的圆弧半径与圆心坐标,并由误差分离获得砂轮表面圆弧的圆度误差、圆周跳动误差及轮廓圆心轴向偏差。最后,对非球面加工圆弧金刚石砂轮进行检测,获得了砂轮的三维几何形貌以及多个关键尺寸及其误差数据:即圆弧金刚石砂轮的平均圆弧半径为55.442 3mm,半径波动极差为0.16mm,中央±8mm环带内圆弧的圆度误差约为5μm,圆周跳动误差约为2μm,截面轮廓圆心轴向位置相对偏差为0.008mm。根据检测结果,进行了大口径复杂非球面磨削实验,得到的元件面形P-V值为4.62μm,RMS值优于0.7μm,满足工程的实际需求。     

超薄石英晶片超精密抛光实验的研究

为了解决超薄石英晶片高表面质量的加工问题,以及寻求一种高效低成本的加工方法,将一种新的超精密抛光工艺应用到超薄石英晶片的加工中。给出了加工过程中的抛光原理,制定出了在研磨和抛光过程中的最优实验条件,并对加工后超薄石英晶片的粗糙度和厚度做了详细的分析;讨论了磨粒的尺寸对表面粗糙度和材料去除率的影响,同时对加工过程的材料去除机理做了论述,以表面粗糙度和厚度为评价目标对超薄石英晶片的加工特性和表面质量进行了评价。研究结果表明：使用该实验的工艺加工超薄石英晶片可以得到厚度为99．4μm、表面粗糙度为0．82nm的超光滑表面;同时,该研究还发现通过延长抛光时间可以减小石英晶片的表面残余应力,可有效控制石英晶片四角“翘曲”现象,得到更好的平面度和平行度。     

化学刻蚀的光学元件面形修复

采用化学加工方法对光学元器件进行面形加工,可以避免传统的抛光工艺带来的亚表面缺陷和表面污染。实验中利用Marangoni界面效应有效控制化学液的驻留时间和驻留面积,并通过数控系统实现编程控制加工,进行了面形修复实验,利用轮廓仪测量了加工前后的表面粗糙度。结果表明,采用拼接小去除量多次加工的方法,有效地降低了面形误差,面形值由1.32 λ(λ=632 nm)减少到0.66 λ,粗糙度基本维持不变。利用此实验装置使基片面形得到修复,避免了传统加工方式带来的亚表面缺陷等问题,有利于强激光系统的使用。     

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。     

EFFECTS OF POLISHING PARAMETERS ON MATERIAL REMOVAL FOR CURVED OPTICAL GLASSES IN BONNET POLISHING

The paper firstly analyzes the influence factor on material removal rate of curved optical work-pieces in the bonnet polishing. Then the experiments are conducted to reveal the effects of several polishing parameters on the material removal rate when the spherical optical glasses are polished with different curvature radius, such as the decrement of the bonnet, the rotational speed of the bonnet and the curvature radius of the work-piece＇s surface using a bonnet trial-manufacturing machine developed by our assignment groups. In the end, the curvilinear relationships between these parameters and the material removal rate are acquired and the laws of the effects on material removal rate in bonnet polishing by several parameters are given. When the spherical-pieces are polished with smaller curvature radius, it is not proportional to either bonnet decrement or bonnet rotational speed as described by the Preston equation although the removal rate increases as the relative velocity or the applied pressure increases. Therefore, for the purpose of calculating more accurately the material removal of the spherical work-pieces, the Preston equation should be modified and studied further.     

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。     

Trajectory planning of optical polishing based on optimized implementation of dwell time

This paper presents a study on the trajectory planning of optical polishing based on an optimized implementation of dwell time to improve the polishing quality and efficiency of optical surfaces. The large-scale, sparse, and ill-posed linear equation solution is transformed into a quadratic programming problem with boundary constraint, and the monotone projection gradient method is adopted to obtain an optimal dwell time solution by considering its fluctuation characteristic. Then, parametric polishing paths are constructed using cubic B-spline curves to guarantee one-to-one correspondence between each curve segment and dwell time of a removal spot. Finally, an interpolation process of polishing trajectory is proposed on the basis of the equal–proportional feed rate adjustment strategy to improve the implementation accuracy of dwell time. Simulation and experimental results show that the proposed dwell time algorithm and spline interpolation method can considerably improve the solution accuracy of dwell time and the convergence rate of the form error during polishing. These results provide important scientific basis and technical support for the high-efficiency and high-precision polishing of large-aperture aspheric optical surfaces.     

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。     

多模式组合抛光技术在光学加工中的应用

介绍了将经典抛光方法与数控加工技术有机结合的多模式组合抛光技术.描述了多模式组合抛光的关键技术之一,材料去除率仿真模型的建立方法.通过设置抛光盘因子和元件因子,多模式组合抛光的材料去除模型不仅包含抛光模式、速度等加工参数,还将抛光模形状、边角效应、元件面形误差等因素对材料去除的影响一并考虑入内,可以根据抛光阶段的不同,...     

气囊抛光过程的运动精度控制

针对用于球面、非球面光学元件超精密光学加工的气囊抛光技术,提出了一套控制抛光过程中气囊运动精度的方法。该方法通过控制加工单元的温度,保证抛光过程中设备运动精度达到50μm;使用坐标传递法,使检测数据二维方向对准不确定度达到0.30~0.70mm。另外,基于磨头去除量估计与反馈修正法,提高精抛过程面形误差收敛效率。最后,通过磨头探测校准法,将磨头与加工工件法向位置精度提高至10μm。实际抛光实验显示:使用运动精度控制法在280mm口径的平面精密抛光中获得的面形加工精度为0.8nm(RMS),在160mm口径的凹球面精密抛光中获得的面形加工结果为1.1nm(RMS),实现了超高精度面形修正的目的,为超高精度球面、非球面光学元件加工提供了一套行之有效的方法。该方法同样适用于其他接触式小磨头数控抛光方法。     

Utilisation of time-variant influence functions in the computer controlled polishing

In the computer controlled polishing, a polishing tool moves in a well-defined manner across the workpiece surface in order to individually remove the surface error-profile. The commonly used technique to calculate the moving of the polishing tool is the dwell time method. Based on a constant (time-invariant) removal characteristic of the polishing tool (influence function) the amount of material to be removed is controlled via the dwell time. The longer the polishing tool is in contact with a particular area of the workpiece, the more material is removed at this position.Mathematical basics to calculate dwell time-profiles are shown, and a new approach considering time-variant influence functions for the computer controlled polishing is introduced. The results point out that time-variant influence functions may contribute to further decrease the process time, and thus to make a computer controlled polishing process more efficient. The reduction of the process time was observed to approximately 35% using a combination of the dwell time method with time-variant influence functions.     

机器人恒压球形公自转磨头抛光技术研究

采用工业机器人进行大口径光学元件的研抛过程中，机器人自身定位误差会导致研抛压力产生波动，进而影响去除函数稳定性，为此提出了一种机器人恒压球形公自转磨头抛光方法，并对其结构、工作原理、机器人定位特性以及研抛压力输出特性开展了研究。首先，基于Preston理论构建了材料去除模型，对去除函数形状进行了分析，对所设计抛光磨头的机械结构与工作原理进行了介绍。然后，对机器人定位误差以及磨头输出力响应性与稳定性进行了测量，验证了所提方法能够较好地适应机器人研抛压力波动而做出的力响应控制。最后，进行了定点抛光以及粗、精磨抛加工实验。实验结果表明：利用所提方法去除函数的稳定性强，通过10个周期的粗、精抛加工，面形收敛率分别为9095%、7261%，可获得较高的加工精度与面形质量。