多丸片固着磨料研磨高精密光学元件的参数优化

为了增强固结磨料研磨去除的可控性和确定性,提高光学元件的研磨加工精度和效率,以高精度光学元件为研究对象,分析了行星转动加工方式的多丸片固结磨料研磨的去除特性及参数优化。首先基于Preston方程分析了在研磨接触区域的相对速度、接触时间,并在利用ANSYS求得应力分布规律的基础上建立了多丸片固结磨料研磨的材料去除函数模型;引入趋近因子概念,通过对比去除函数归一化图形,对6种抛光盘模型的运动偏心比和速度比参数进行了优化,获得了多丸片固结磨料抛光盘的最大去除深度和去除量。     

光学元件气囊抛光去除效率影响因素研究

基于Preston方程分析了气囊抛光特性,确定去除函数的三个重要特征,即抛光斑尺寸、形状以及去除量,得到影响光学元件气囊抛光材料去除效率的主要参数.通过定点抛光实验,分析气囊充气压强、压缩量、主轴转速对BK7光学元件去除函数和材料去除效率的影响.结果表明:充气压强与压缩量对于气囊抛光去除函数的形状影响较大,去除效率随气囊充气压强增大先升高到2.08mm3/min后逐渐降低然后又升高,压缩量与气囊转速的提高增大了材料的去除效率,分别可以达到6.84mm3/min和5.04mm3/min.     

快速抛光技术接触压力建模与仿真

快速抛光技术不但可提高加工速度,还能保证抛光精度,是实现超精密平面光学元件批量化加工的最有效加工方式.通过对快速抛光原理的分析,建立了工件与抛光垫之间的弹性力学模型,分析了载荷条件和边界位移条件,并以此为基础建立了工件与抛光垫的有限元模型.通过仿真分析得出了接触压力的分布情况,并通过抛光实验验证了仿真结果,为研究快速抛光技术提供了实验理论依据.     

磁流变抛光工具及其去除函数

在确定性抛光过程中,去除函数对于工件表面精度的提高具有非常重要的作用。该文提出了一种磁流变抛光工具,在机床加工范围内能够加工任意形状、任意尺寸的工件。分别求出了抛光区域内压力的两个组成部分,磁化压力和流体动压力的数学表达式。根据Preston经验公式,得到了磁流变抛光的理论去除函数模型。最后通过实验得到了这种抛光工具的去除函数,验证了理论去除函数的合理性,满足使工件面形误差收敛的必要条件。精确获得去除函数是实现数控磁流变抛光的前提。     

具有公自转运动形式的可更新磁流变抛光工具

在光学自由曲面的成形抛光加工当中,加工去除的稳定性对工件加工质量具有重要的影响,而抛光液的更新是保证去除稳定的关键。该文提出了一种具有公自转运动形式的可更新磁流变抛光工具,能够完成磁流变抛光液内部磁链的重组更新,使得加工去除稳定。针对此抛光工具,使用刚体润滑理论获得理论去除轮廓,通过实验获得其在单自转状态下的去除轮廓,与理论分析吻合。峰值去除量时间的实验表明,该抛光头的去除效果受时间的影响很小,抛光去除稳定。     

超精密气囊工具抛光方法的研究

针对气囊数控抛光获得高精密非球曲面零件的方法,分析了气囊抛光实验样机的结构、运动控制系统组成、柔性气囊的构成以及气囊进动运动方式和气囊抛光的加工原理.研究了气囊抛光工艺扩展可行性以及抛光过程中控制工件面形、表面质量和处理边缘效应的方法.研究表明气囊抛光工艺具有可扩展性.在试制的实验样机上进行了工艺参数综合实验,实验结果表明:利用气囊抛光方法可以加工出超精密光滑的表面,该方法是加工和制造超精密光学表面的有效方法.     

连续进动气囊抛光材料去除特性研究

为提高和调控模具自由曲面的加工效率与质量,提出了机器人辅助连续进动气囊抛光方法;运用运动学原理,推导了行切法加工方式下的切向速度数学模型;基于Preston方程,建立了连续进动气囊抛光材料去除模型;通过MATLAB仿真技术,分析了其它工艺参数一定的条件下,进给速度和叠加次数对气囊抛光切削方向分布和材料去除特性的影响;以材料快速均匀去除为目标,获得了优化进给速度v=0.7mm/s和叠加次数n=3.最后,通过机器人辅助气囊抛光系统,进行了试验对比验证,与仿真结果吻合,证实了连续进动气囊抛光方法应用于模具自由曲面抛光的有效性.     

超声电流变复合抛光试验

针对模具微结构光整加工,利用电流变效应对磨料的聚集作用和超声振动对磨料的驱动作用,提出了超声电流变复合抛光工艺.开发了超声电流变复合抛光加工系统.正交试验结果表明超声振动的振幅和施加的电场强度对表面粗糙度的影响最大.通过单因素试验研究了超声电流变复合抛光工艺参数对抛光后表面粗糙度的影响规律.试验结果验证了超声电流变复合抛光工艺可行性,为后续工艺优化和实际应用奠定了基础.     

阶梯孔磨料流精密抛光数值模拟及其参数优化

集群式阶梯孔零件在硅片加工中易损耗、精度要求高,磨削、铰孔等传统加工方法很难保证其加工精度,因此需采用磨料流抛光的方法进行精密加工。通过ANSYS仿真软件建立流体域模型,并进行集群式阶梯孔抛光效果和抛光方向的仿真;利用神经网络的计算方法实现了对入口压力、磨料体积分数和磨料粒径参数的优化,提高了集群式阶梯孔抛光精度的一致性和抛光效率。在抛光方法和参数优化上为试验的进行提供了理论依据和参考价值。     

固结磨料确定性研磨表面生成建模与实验分析

基于CCOS技术原理,提出高效、高可控性的固结磨料确定性研磨工艺.通过线研磨实验发现采用中心供给研磨液方式相比于传统四周供液方式有利于提高加工效率及表面质量.分析了工艺参数对加工后表面硬度的影响,通过扫描电镜观察研磨后的表面形貌,分析固结磨料研磨的材料去除机制.通过不同参数线研磨实验验证了材料去除率与工具转速、载荷、时间呈线性关系,表明固结磨料研磨工艺的材料去除过程符合CCOS的卷积迭代原理.基于晶胞理论和磨粒粒径均匀的假设,建立了固结磨料研磨垫表面形貌的仿真模型.同时,模型考虑了磨粒浓度、磨粒粒度、研磨垫形状参数的影响.在固结磨料研磨垫形貌仿真数据的基础上,基于硬脆材料去除机理以及研磨垫与工件微观接触模型,考虑工件表面的力学性能,建立了一定参数条件下研磨垫与工件的接触间隙计算模型,进而建立了单点研磨去除斑模型.通过定点研磨实验验证了不同压力、转速、时长条件下单点研磨去除斑模型的准确性.将连续的研磨轨迹进行离散,考虑研磨垫形状、磨粒的尺寸和浓度、研磨工具的转速和承受的载荷、轨迹参数建立了总去除量与单点研磨去除量的卷积运算关系,提出固结磨料确定性研磨表面生成模型.开展不同参数下面研磨实验与表面仿真.结果表明,固结磨料确定性研磨表面生成模型能很好地预测不同参数下研磨去除的深度和研磨表面的残留误差,提高固结磨料研磨工艺的可控性.     

超声振动辅助抛光BK7过程中聚氨酯抛光垫磨损行为

抛光光学玻璃等硬脆材料时常选用聚氨酯抛光垫,其微观形貌和磨损直接影响抛光精度和效率.本文对不同抛光时长下聚氨酯抛光垫微观形貌和磨损行为及其对材料去除率和表面粗糙度的影响进行了实验研究.结果表明：当主轴转速为8 000 r/min,进给速度为0.015 0 mm/s,轴向超声振幅为5μm时,材料去除率和表面粗糙度分别为0.977μm/min和153.67 nm.聚氨酯抛光垫在30 min内磨损量较小,随着抛光时长的增加,抛光垫表面孔隙逐渐被磨粒和玻璃碎屑填充,破坏抛光垫表面的疏松多孔结构,导致抛光垫表面硬化,失去弹性.同时,侵入抛光垫表面的磨粒会阻止抛光接触区域内的磨粒更新,导致抛光质量降低.     

纺织钢领的化学机械抛光试验

探讨了化学机械抛光(CMP)技术在细纱机的钢领后续加工中的应用.通过采用CMP与传统磨料流抛光技术的对比试验, 表明应用CMP技术后提高了钢领的加工效率和工作表面质量,证明CMP应用于钢领抛光是完全可行的.同时,对CMP抛光钢领的机理及影响因素进行了分析.试验表明,采用CMP技术抛光钢领时,钢领的表面在抛光液的作用下形成了软质层,由于该软质层的形成, 提高了抛光效率,也改善了钢领的表面质量.     

环形抛光盘几何参数对去除函数的影响

为获得与理想去除函数更为接近的去除函数,采用中心开孔的环形抛光盘作为抛光工具,推导环形抛光盘在行星运动方式下的去除函数模型,探究环形抛光盘偏心率m及中心孔径r1对去除函数形状及误差修正能力的影响。研究表明:当0<06时,去除函数的中心区域出现较大程度的“凹陷”,不具备理想去除函数特性;中心开孔孔径r1主要影响去除函数的峰值区域大小及边缘去除量,随着r1增大,去除函数中心峰值区域越窄,边缘去除量减小,去除函数呈现出“脉冲特性”,有利于中频误差的修正;与应用较为广泛的圆形抛光盘去除函数相比,在相同偏心率m下,环形抛光盘的中频误差控制能力优于圆形抛光盘。>     

磁性复合流体的深孔抛光工艺试验研究

针对深孔零件光整加工技术的难题,提出了基于针式抛光头的磁性复合流体（MCF）深孔抛光的加工方法。首先利用COMSOL Multiphysics有限元软件建立不同的永磁铁磁场组合模型,根据仿真结果设计磁场分布均匀且强度较强的针式抛光头;再建立MCF深孔抛光的磁流场耦合模型,分析MCF的流动特性;以黄铜H62的深孔零件为加工对象,进行磁性复合流体的深孔抛光工艺试验研究。仿真结果与试验结果吻合,结果表明,当针式抛光头采用纵向单列磁芯结构,转速为800 r/min,抛光间隙为3 mm,羟基铁粉粒径为48 μm时,表面粗糙度为0.13 μm,材料去除率为0.025 mg/min,从而获得了最理想的MCF深孔抛光效果。     

氮化镓晶片的化学机械抛光工艺

研究了抛光工艺参数对氮化镓(GaN)化学机械抛光(CMP)表面形貌和材料去除率的影响。通过精密分析天平和原子力显微镜对其材料去除率和表面形貌进行分析,采用单因素及正交实验法探究压力、抛光盘转速和氧化剂浓度对GaN材料去除率和表面形貌的影响。结果表明:在下压力为14.1×10~4 Pa、抛光盘转速为75 r/min、H_2O_2浓度为0.8%、SiO_2磨粒为30%、抛光液流量为20 mL/min、抛光时间为15 min的条件下,GaN晶片表面材料去除率最大达到103.98 nm/h,表面粗糙度最低为0.334 nm。可见,在优化后的工艺参数下采用化学机械抛光,可同时获得较高的材料去除率和高质量的GaN表面。     

Viscosity behavior of magnetic suspensions in fluid-assisted finishing

Magnetic fluid-assisted finishing has been verified both theoretically and experimentally as an effective fabrication technology for optical mirrors and lenses. The purpose of this paper is to introduce a novel design of polishing tool and demonstrate the possible applications of this technology. The work includes studying the viscosity of the magnetic suspensions of micrometer-sized Carbonyl iron particles under the influence of a magnetic field. Both the cases of magnetizable suspension with and without abrasive cerium oxide particles are studied for their ensuing polishing effectiveness. Determination of material removal function is conducted using a Wyko Nat1100 interferometer. Experiments to reduce surface roughness with the proposed tool are also performed using a K9 mirror as the work-piece. Results show that the surface accuracy is improved over three times to less than 0.5 nm after two cycles of polishing.     

光学元件磁性复合流体抛光特性研究

采用磁性复合流体(MCF)对BK7玻璃进行定点抛光实验,对抛光斑进行三维模型重构,并对磁场空间分布进行仿真与实验分析,阐明抛光材料去除机理,确定材料去除率、表面粗糙度及硬度随抛光时间的变化规律,建立了材料去除量与磁通密度的关系曲线。实验结果表明:抛光形成的抛光斑表面轮廓为蝶形,其沿抛光轮轴向的截面轮廓呈"W"形;材料去除量与磁场强弱及抛光时间密切相关,抛光深度去除率最高可达553 nm/min;表面粗糙度随抛光时间的增加先上升后下降,MCF抛光可获得表面粗糙度Ra6 nm的光滑表面,且粗糙度与硬度呈现一定的正相关关系。     

Viscosity behavior of magnetic suspensions in fluid-assisted finishing

Magnetic fluid-assisted finishing has been verified both theoretically and experimentally as an effective fabrication technology for optical mirrors and lenses. The purpose of this paper is to introduce a novel design of polishing tool and demonstrate the possible applications of this technology. The work includes studying the viscosity of the magnetic suspensions of micrometer-sized Carbonyl iron particles under the influence of a magnetic field. Both the cases of magnetizable suspension with and without abrasive cerium oxide particles are studied for their ensuing polishing effectiveness. Determination of material removal function is conducted using a Wyko Nat1100 interferometer. Experiments to reduce surface roughness with the proposed tool are also performed using a K9 mirror as the work-piece. Results show that the surface accuracy is improved over three times to less than 0.5 nm after two cycles of polishing.     

Viscosity behavior of magnetic suspensions in fluid-assisted finishing

Magnetic fluid-assisted finishing has been verified both theoretically and experimentally as an effective fabrication technology for optical mirrors and lenses. The purpose of this paper is to introduce a novel design of polishing tool and demonstrate the possible applications of this technology. The work includes studying the viscosity of the magnetic suspensions of micrometer-sized Carbonyl iron particles under the influence of a magnetic field. Both the cases of magnetizable suspension with and without abrasive cerium oxide particles are studied for their ensuing polishing effectiveness. Determination of material removal function is conducted using a Wyko Nat1100 interferometer. Experiments to reduce surface roughness with the proposed tool are also performed using a K9 mirror as the work-piece. Results show that the surface accuracy is improved over three times to less than 0.5 nm after two cycles of polishing.