【摘要】：目前,對(duì)于流體射流拋光加工技術(shù)的應(yīng)用研究相對(duì)較少,且主要集中于去除機(jī)理研究、去除函數(shù)的優(yōu)化及工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)等方面。本文通過(guò)研究磨粒水射流加工技術(shù)進(jìn)行快速、可靠的確定性去除的控制方法和工藝參數(shù),及其對(duì)去除效率和去除函數(shù)輪廓造成的影響,探索流體射流加工技術(shù)的應(yīng)用潛力和適用環(huán)境。并采用流體射流技術(shù)開展超光滑光學(xué)元件的加工和回轉(zhuǎn)對(duì)稱面形誤差的快速去除實(shí)驗(yàn)研究,驗(yàn)證射流拋光加工技術(shù)及其控制方法的可靠性和穩(wěn)定性。論文的主要研究?jī)?nèi)容如下:針對(duì)垂直射流時(shí)形成的W形去除函數(shù),提出了采用回轉(zhuǎn)函數(shù)的方法來(lái)取代通常采用的偏心式回轉(zhuǎn)射流裝置,從而得到虛擬的近高斯形去除函數(shù);并提出逐層去除的駐留時(shí)間求解方法,實(shí)現(xiàn)了駐留時(shí)間圖的快速有效求解及求解收斂的成功率。針對(duì)傳統(tǒng)拋光和小工具拋光加工中存在的中頻誤差問(wèn)題,提出了一種隨機(jī)路徑的生成方法,并對(duì)比了不同加工路徑下的生成表面特點(diǎn)。根據(jù)確定性拋光加工的技術(shù)要求,開發(fā)了射流加工液壓系統(tǒng)來(lái)滿足確定性拋光加工中對(duì)射流束在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持壓力穩(wěn)定和不發(fā)散的功能要求。針對(duì)不同工藝參數(shù),比如射流壓力、射流角度、射流距離等,進(jìn)行定點(diǎn)射流實(shí)驗(yàn),并研究了去除函數(shù)的輪廓變化特點(diǎn)。結(jié)合計(jì)算流體仿真技術(shù),對(duì)不同工藝參數(shù)設(shè)置下射流區(qū)域內(nèi)的壓力和速度分布,進(jìn)行仿真研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比,揭示射流拋光加工中的材料去除機(jī)理。針對(duì)在流體射流拋光(FJP)加工中,直接檢測(cè)得到的去除函數(shù)并不呈理想的回轉(zhuǎn)對(duì)稱形,提出了解決方案。一方面通過(guò)濾波和回轉(zhuǎn)增強(qiáng)算法來(lái)減弱測(cè)量誤差的影響;另一方面提出了增強(qiáng)算法來(lái)提高回轉(zhuǎn)對(duì)稱性,并在質(zhì)量評(píng)價(jià)算法中添加修正因子來(lái)研究去除函數(shù)質(zhì)量隨射流時(shí)間的變化。本文還對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)反應(yīng)及運(yùn)動(dòng)精度進(jìn)行了檢測(cè),分析了可能造成拋光加工精度誤差的影響因素;并根據(jù)分析結(jié)果,指導(dǎo)確定性拋光加工中的運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置,對(duì)未來(lái)拋光加工裝備及控制系統(tǒng)的開發(fā)提供了參考。根據(jù)上述研究,本文開展了超精密光學(xué)鏡片的射流修形加工實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)射流去除函數(shù)的幾何形狀尺寸,進(jìn)行了工件表面功率譜密度的修整能力范圍求解,并研究了定位誤差對(duì)加工精度的影響。本文還提出了一種結(jié)合FJP加工技術(shù)和確定性拋光加工技術(shù)對(duì)光學(xué)元件表面具有的回轉(zhuǎn)對(duì)稱面形誤差進(jìn)行確定性射流去除的方法。首先,提出了均值法和最小值法兩種提取回轉(zhuǎn)對(duì)稱面形誤差的方法,并進(jìn)行了對(duì)比分析;其次,實(shí)驗(yàn)了回轉(zhuǎn)半徑對(duì)射流去除輪廓的影響,從而確定去除函數(shù),并提出二維確定性加工駐留時(shí)間的求解方法。最后,進(jìn)行了確定性射流修形加工試驗(yàn)。在本文最后,開展了非球面光學(xué)鏡片的數(shù)控加工工藝鏈研究。由于流體射流拋光加工技術(shù)的材料去除率相比其它加工方式要小,通過(guò)結(jié)合高速磨削加工技術(shù)和小磨頭拋光加工技術(shù),探討了流體射流加工技術(shù)在超精密光學(xué)鏡片的整個(gè)加工工藝鏈中的適用位置及未來(lái)的研究方向。
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TH74
【圖文】：

超精密流體射流拋光加工技術(shù)研究與工藝系統(tǒng)開發(fā)遠(yuǎn)鏡（GMT），預(yù)計(jì) 2020 年建成。其中 James Webb 望遠(yuǎn)鏡的主反射鏡口徑達(dá)到 6m，由 3 種 18 塊六邊形子鏡拼接而成，每塊鏡片的對(duì)角線長(zhǎng)度超過(guò) 1.3m，每一塊鏡片的面形精度要到達(dá)到20nm 以下。預(yù)計(jì) 2018 年升空，預(yù)算上限達(dá)到 80 億美元[4, 5]。

2圖 1.2 光刻機(jī)光路系統(tǒng)分布及其鏡頭機(jī)是 IC 制造中最關(guān)鍵的設(shè)備，其復(fù)雜的系統(tǒng)程度和高昂的制工提出了非常大的挑戰(zhàn)。為了減小刻線寬度，當(dāng)前采用的深紫已經(jīng)達(dá)到 193nm。因此，如果在未來(lái)希望進(jìn)一步提升光刻系統(tǒng)用更短波長(zhǎng)的光束進(jìn)行加工。已有信息顯示，下一代的曝光波 13.5nm。為實(shí)現(xiàn)完善成像，光學(xué)系統(tǒng)面形的均方根誤差需要四分之一，這意味著加工后的面形精度需要達(dá)到 1nmRMS，表 0.5nmRMS 以內(nèi)，才能滿足數(shù)值孔徑為 0.75 的 193nm 深紫外

對(duì)于未來(lái)的極紫外光刻光學(xué)系統(tǒng)，其中光學(xué)元件的加工精度更是達(dá)到極端苛刻的要求。激光慣性約束核聚變（Inertial confinement fusion，ICF）是為解決人類未來(lái)不斷增長(zhǎng)的能源需求問(wèn)題而開展的重大基礎(chǔ)科研課題，該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)也是一項(xiàng)規(guī)模巨大的工程項(xiàng)目。該課題吸引了國(guó)內(nèi)外大量的研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行關(guān)注，屬于研究前沿和熱點(diǎn)領(lǐng)域。高功率激光驅(qū)動(dòng)器中的大尺寸摻釹磷酸鹽激光玻璃是 ICF 中的主要光學(xué)元件，其在 ICF 裝置中的使用數(shù)量最多，且尺寸較大。比如在美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置(National IgnitionFacility，NIF)中采用了超過(guò) 3000 多片的d{釹磷酸鹽激光玻璃，其幾何尺寸達(dá)到 34mm×460mm×810mm，加工難度非常大。另外在組裝普克爾斯盒和倍頻器件時(shí)，還需要大約 600 片的 KDP／DKDP 晶片，該晶片的截面面積達(dá)到了 410×410mm 尺度。如此大量的光學(xué)元器件不僅具有較高的面形精度要求，還需要保證元件的超光滑無(wú)損傷表面，以避免高能激光穿過(guò)時(shí)引起的能量集聚[6, 7]。

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3 宋宏文;三維振動(dòng)強(qiáng)化拋光加工實(shí)驗(yàn)[J];新技術(shù)新工藝;2002年09期

4 何冰強(qiáng),郭鐘寧,于兆勤;流體二維超光滑精密拋光加工裝備研制探討[J];機(jī)電工程技術(shù);2004年12期

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本文編號(hào)：2790912