单点金刚石机床及其在光学工程领域的应用

介绍了单点金刚石车床概念,总结回顾了单点金刚石车床在国防和商业领域内的发展状况,给出了目前商用单点金刚石车床的典型产品。对单点金刚石车床的关键零部件和核心技术,如空气静压主轴、液压导轨、直流电机、对刀装置、误差补偿和自适应控制等进行了分析。最后,介绍了适宜单点金刚石车削加工的材料,分析了快刀伺服和慢刀伺服在光学元件中的应用以及所加工的光学元件在国防和商用光电产品中的应用,并以主次镜望远镜系统和精密光学系统无调整装配为例,说明了单点金刚石车削在光电产品中的重要作用。     

单点金刚石精密数控车削加工技术及发展前景分析

针对我国红外热像仪、探测仪及惯性约束核聚变工程对红外晶体类光学元件的需求,开展了单点金刚石精密数控车削加工技术的研究,分析了单点金刚石精密数控车削加工技术的特点及应用范围、机床整体布局及主体结构型式。介绍了该项技术在国内外的发展现状和趋势,对该项技术的应用发展前景进行了分析和预测。在消化和引进国外先进制造技术和最新研究成果的基础上,突破单点金刚石精密数控车削加工的关键制造技术,解决了我国光学非球面精密数控车削加工技术和设备依赖引进的问题,实现了单点金刚石精密数控车削加工技术及设备的国产化,提高了我国红外光学元件的精密加工技术水平和设备制造能力。     

衍射光学元件车削补偿技术的研究

超精密单点金刚石车削加工是高精度衍射光学元件制造的重要方法,但是以往的加工方法是直接一次车削加工成型,无法实现具有加工-检测-补偿加工-检测的闭环控制特点的超精密加工,从而导致零件精度较低。针对这种加工技术的缺陷,通过研究衍射光学元件金刚石车削过程和面形状误差补偿,对表面轮廓仪实际测量的轮廓数据进行处理,计算出实际车削曲线与理想曲线之间的法向残余误差,以此获得新的金刚石车削加工轨迹,实现衍射光学元件的超精密闭环控制加工。利用单点金刚石车床对口径78的衍射光学元件进行补偿加工试验,最终使其PV值由10.4 m经过一次补偿加工后降为4.3 m。     

单点金刚石车削加工切削距离的计算

讨论了大型金属反射镜在金刚石车削中,金刚石刀具的磨损对加工精度的影响;详细介绍了超精密加工中几种典型零件形状单点金刚石车削加工的切削距离计算方法,经计算在加工直径为1000mm的圆盘工件时,当刀具的进给量为2μm/r,切削距离达到近400km。通过计算为加工大型光学元件刀具磨损规律的研究提供分析基础。     

衍射元件表面粗糙度对衍射效率的影响

基于多层衍射光学元件的位相延迟表达式,提出了单点金刚石车削影响下的多层衍射光学元件衍射效率和带宽积分平均衍射效率的数学模型,并给出了相应的分析表达式.以基底材料分别是硒化锌和硫化锌构成的多层衍射光学元件在近红外波段(1.4~2.5m)的应用为例进行分析.结果表明表面粗糙度会导致多层衍射光学元件衍射效率和带宽积分平均衍射效率的明显降低,从而降低了混合成像光学系统的成像质量.因此,单点金刚石车削衍射元件时,要根据使用需求制定合理的表面粗糙度加工误差.     

光学零件的金刚石车削

本文着重介绍了光学零件用单点金刚石车削的加工原理、加工工艺和应用范围,以及该工艺的特点。     

铝合金表面的直接光学抛光实验

单点金刚石车削铝合金表面具有较好的表面质量和精度,但车削纹路会产生散射现象,难以满足高品质光学系统要求。对铝合金表面进行直接光学抛光可以去掉表面产生的车削纹路,提高反射表面的光学性能,分析酸性条件下和碱性条件下的铝镜抛光原理,采用新型抛光盘与抛光液对单点金刚石车削后铝合金表面进行抛光实验。实验结果表明:通过合理控制工艺参数,能够消除铝合金表面残留的周期性车削刀纹,并且不会产生新的表面划痕,得到较好的铝镜光学表面质量,测得的铝镜表面粗糙度Ra=2.6 nm。     

单点金刚石超精密车削快点火靶丸微孔精度控制北大核心CSCD

研究了单点金刚石超精密车削技术(SPDT)加工靶丸微孔中的精度控制方法,建立了靶丸微孔加工误差的仿真模型,并理论分析了不同误差因素对微孔尺寸误差的影响规律;根据误差分析结果提出了基于刀具阶梯进给运动方式的微孔精度控制方法,用以控制靶丸微孔精度;在单点金刚石超精密车床上进行了辉光放电聚合物(GDP)靶丸微孔的车削实验,实验结果表明:采用该精度控制方法,靶丸微孔尺寸误差和圆度误差分别降低了70.7%和87.5%,实验结果表明了所提出方法的有效性。     

纳米级光学超精密加工技术

纳米级光学超精密加工是软X射线光学和光电子学元件制备的重要基础技术之一。本文概述这一技术研究的主要内容并介绍近10年来特别是80年代后期在这一研究领域的最新进展，例如单点金刚石车削、可延展磨削、浮法抛光以及离子束抛光等。超精密加工的最终目标是直接操纵原则，本文还介绍了用扫描隧道显微镜（STM）实现亚纳米级超精密加工的可能性。亚纳米级超精密加工技术将成为下个世纪重要的高技术。     

小口径非球面加工技术及装备综述

小口径非球面零件是一种非常重要的光学零件。介绍了国内外小口径非球面超精密加工技术的发展现状和装备。对单点金刚石车削、超精密磨削、透镜成型、超精密铣削和特种加工技术进行了综述。指出了小口径非球面加工的发展趋势和产业化需要解决的问题。     

Design and fabrication of a microlens array by use of a slow tool servo

In recent years it has become possible to fabricate free-form optics by use of multiaxis ultraprecision machines. Here a 5 x 5 microlens array is fabricated by using an ultraprecision diamond turning machine equipped with four independent axes. Unlike the conventional process where a single diamond tool is used to machine one lens at a time, this research demonstrates the development of an innovative diamond tool trajectory that allows the entire microlens array to be machined in a single operation. The machined microlens array is measured for both curve conformity and surface roughness. Compared to the conventional approach where indexing the workpiece is difficult and unreliable, this process can produce microlenses with accurate geometry and optical surface finish. This unique process is described in detail from optical measurement to machining process design and development to final results. This research also demonstrates the possibility of fabricating any arbitrary shape with the same approach.     

Airborne sound emission as a process monitoring tool in the cut-off grinding of concrete

A detailed analysis of the airborne sound emitted in the cut-off grinding of concrete with a diamond grinding disk is presented. It is shown that the frequency spectra of airborne sound emitted in the cutting process contain detailed information about the process conditions. As long as the machining parameters are appropriate for the work piece, the airborne sound spectra show statistically excited natural frequencies and turning frequencies. In this case the total signal level gives sufficient evidence of the work piece composition and machinability. The effects of inappropriate machining parameters, like tool deflection or very high friction forces acting on the tool, can be identified by means of distinct frequencies in the airborne sound spectra. In addition, the emitted airborne sound can be used to image the structure of the flat joint surface, which cannot be determined by another method. With regard to everyday applications, the results obtained by this procedure can be used to apply airborne sound analysis systems to machines and detect process parameters which are overstressing the cutting tool.     

Application of gas-fluid atomization technology in ultrosonic vibration cutting titanium alloy workpiece

Acoustical Physics - To further improve machined surface quality of diamond cutting titanium workpiece and reduce diamond tool wear, it puts forward a kind of machining technology with mixture of...     

应用金刚石微粉精磨提高光学镜头的生产效率和质量

精磨在光学生产中,是影响加工效率和表面质量的重要工序,用金钠石磨具精磨是光学加工中的一项新工艺,与古典法精磨相比,具有生产效率高、零件表面的几何精度高,粗糙度低等优点。在军转民的形势下,为了降低民品生产成本,适应光学镜头大批量生产的需要,作者承担了新工艺研制工作。本文全面叙述研制情况。     

Development of a double-sided micro lens array for micro laser projector application

This paper introduces the development of a double-sided micro lens array (DSMLA) for application in micro laser projectors. For commercial mass production, it is necessary to investigate the concurrent engineering of optical design, mold fabrication, and plastic injection molding at once. This experiment based the design of the micro lens array on the scalar diffraction theory. The proposed DSMLA can simultaneously shape red, green, and blue laser beams into a uniform projection pattern. An ultra precision diamond turning machine using a slow tool servo method fabricated the mold. The study considered optical design constraints from the feedback of mold fabrication and plastic injection molding, measuring and comparing fabricated samples with calculated results. Experimental results show that the fabricated DSMLAs achieve the desired function and application feasibility for micro laser projectors.     

金刚石刀具nm级表面轮廓质量多参数集成测量方法

为有效解决金刚石刀具表面轮廓质量评价指标分散、无法进行全面系统测量的难题,基于原子力显微镜和超精密回转轴系,提出了实现前后刀面粗糙度、刃口锋利度和刃口微豁三个关键指标的集成测量方法。根据金刚石刀具表面轮廓质量的测量要求,以原子力显微镜扫描系统、气浮隔振平台、二维移动平台以及精密回转轴系为基础构建测量系统,精确测量了金刚石刀具刃口附近的表面微观形貌;采用基于MATLAB开发的专用测量软件对原始数据进行处理,得到金刚石刀具前后刀面粗糙度值、刃口锋利度值和刃口微豁范围;并对测量误差进行了分析,提出了控制要求。通过上述自主开发的测量仪器,可以高效、完整地描述金刚石刀具表面轮廓质量,能够实现nm级粗糙度、亚μm级锋利度以及μm级微豁的准确测量。     

折衍二元光学用金刚石车刀设计

栏光效应是影响折衍元件衍射效率的一个重要因素,栏光效应与加工刀具有着密切的关系。分析刀具圆弧半径与栏光效应的联系、刀具参数与元件加工后的表面粗糙度的关系以及刀具耐用度等要求,设计了加工折衍二元光学元件的金刚石刀具,给出刀具加工里程数计算公式和车削实验结果。实验结果证明:设计的金刚石刀具能够满足折衍二元光学元件的产业化加工要求,刀具耐用度较强化前提高2倍多。     

单晶硅纳米切削中C–C键断裂对金刚石刀具磨损的影响

本文基于分子动力学方法模拟金刚石刀具纳米切削单晶硅, 从刀具的弹塑性变形、C–C键断裂对碳原子结构的影响以及金刚石刀具的石墨化磨损等方面对金刚石刀具的磨损进行分析, 采用配位数法和6元环法表征刀具上的磨损碳原子. 模拟结果表明: 在纳米切削过程中, 金刚石刀具表层C–C键的断裂使其两端碳原子由sp³杂化转变为sp²杂化, 同时, 表面上的杂化结构发生变化的碳原子与其第一近邻的sp²杂化碳原子所构成的区域发生平整, 由金刚石的立体网状结构转变为石墨的平面结构, 导致金刚石刀具发生磨损; 刀具表面低配位数碳原子的重构使其近邻区域产生扭曲变形, C–C键键能随之减弱, 在高温和高剪切应力的作用下, 极易发生断裂; 在切削刃的棱边上, 由于表面碳原子的配位严重不足, 断开较少的C–C键就可以使表面6 元环中碳原子的配位数都小于4, 导致金刚石刀具发生石墨化磨损.     

苯甲酸脱羧反应过程的拉曼光谱研究

应用水热金刚石压腔结合拉曼光谱技术研究了升温过程中苯甲酸在水中的变化及拉曼谱图。结果表明：低温升温过程中,苯甲酸的拉曼谱图中各个特征振动谱峰没有变化,苯甲酸没有与水反应。随着温度的继续升高,苯甲酸的拉曼谱图中的特征振动峰逐渐变弱。升至150 ℃时,羧基的拉曼特征谱峰消失,说明此过程中苯甲酸发生了脱羧反应。继续升温至170 ℃,苯甲酸溶解消失。随后将体系降至常温,发现有晶体析出。由其拉曼谱图可知,重结晶的晶体含有苯环的特征峰,说明有芳香烃析出。但是没有测到羧基的特征拉曼谱峰,说明重结晶的晶体不是苯甲酸。整个过程可以说明,芳香烃在溶解重结晶过程中是可逆的,羧基是不可逆的。