本文針對(duì)現(xiàn)有微細(xì)柱面透鏡陣列模壓模具加工過程中加工效率較低、磨削表面模型不具有通用性、復(fù)相陶瓷模具材料去除機(jī)理不明確及其加工表面形貌預(yù)測(cè)知識(shí)匱乏等問題,研究了金剛石砂輪表面微細(xì)陣列結(jié)構(gòu)的微磨料水射流精密修整和RB-SiC模具材料高效率精密磨削的機(jī)理及工藝。提出了微磨料水射流修形過程中的駐留時(shí)間求解算法,通過金剛石砂輪的微磨料水射流修形實(shí)驗(yàn),研究了修整工藝,揭示了微磨料水射流修整砂輪的機(jī)理。分析了復(fù)相陶瓷模具材料各相的力學(xué)行為差異,通過納米壓痕實(shí)驗(yàn)研究了RB-SiC模具材料各相的去除機(jī)理,建立了陶瓷模具材料表面粗糙度預(yù)測(cè)模型。建立了微細(xì)陣列砂輪表面形貌模型,揭示了精密磨削微細(xì)柱面透鏡陣列模具的表面復(fù)映機(jī)理,優(yōu)化了超精密磨削工藝。提出了陶瓷模具材料的粗精集成磨削工藝,進(jìn)行了正弦型微細(xì)柱面透鏡陣列的磨削實(shí)驗(yàn),獲得了高形狀精度和高表面質(zhì)量的模具表面。從而解決現(xiàn)有陶瓷模具材料微細(xì)柱面陣列超精密磨削加工制造中存在的加工效率低,面型精度和表面質(zhì)量不易控制等關(guān)鍵問題。研究了微磨料水射流單一工藝參數(shù)和工藝參數(shù)間的交互作用對(duì)砂輪表面微細(xì)溝槽的去除深度和去除寬度的影響規(guī)律。結(jié)果表明在射流初始核心段內(nèi),去除深度和去除寬度隨著射流壓強(qiáng)的增加而增大,去除寬度隨著靶距的增加而增大,靶距對(duì)去除深度影響較小;去除深度和去除寬度隨著砂輪線速度的增加而減小;去除深度和去除寬度隨著磨料流量和加工次數(shù)的增加而增大。建立了單位去除函數(shù)的理論模型,試驗(yàn)結(jié)果表明去除函數(shù)呈余弦分布,具有較好的穩(wěn)定性。采用Tikhonov正則化算法求解駐留時(shí)間,應(yīng)用邊緣平滑延拓算法減小了算法中的邊緣效應(yīng)。應(yīng)用加工預(yù)測(cè)曲線預(yù)報(bào)加工結(jié)果,修整試驗(yàn)結(jié)果表明修整試驗(yàn)的結(jié)果與理論預(yù)測(cè)值相吻合,偏差值可控制在0.6%以內(nèi)。研究了微磨料水射流修整金剛石砂輪的機(jī)理,砂輪表面材料去除方式主要包括砂輪磨粒脫落和結(jié)合劑材料的塑性去除,造成這種選擇性去除的原因是金屬結(jié)合劑金剛石砂輪中金剛石磨粒和青銅結(jié)合劑的強(qiáng)度差異。獲得了 RB-SiC中Si相和SiC相的脆塑轉(zhuǎn)變臨界深度,SiC相的脆塑轉(zhuǎn)變臨界深度低于Si相。靜水壓力導(dǎo)致Si相變,提高了 Si相的脆塑轉(zhuǎn)變臨界深度,有利于改善Si相的塑性加工性能。建立了 RB-SiC的磨削表面粗糙度解析模型,揭示了表面粗糙度值隨著磨削表面塑性域磨削比例的增加而降低的影響規(guī)律。考慮了 RB-SiC材料各組成相的脆性域和塑性域去除機(jī)理的表面粗糙度模型預(yù)測(cè)誤差為5.87%,遠(yuǎn)小于使用傳統(tǒng)模型的預(yù)測(cè)誤差,該模型對(duì)質(zhì)量可控的RB-SiC精密磨削具有重要的應(yīng)用價(jià)值。重構(gòu)了砂輪表面三維形貌,建立了微細(xì)陣列結(jié)構(gòu)砂輪的磨粒磨削運(yùn)動(dòng)模型,根據(jù)磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡,數(shù)值模擬三維表面形貌。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了不同磨削條件下表面形貌理論模型,比較了模擬表面微觀形貌和磨削測(cè)量表面形貌之間的誤差,結(jié)果表明仿真截面輪廓與實(shí)測(cè)截面輪廓吻合度高,輪廓高度特征預(yù)測(cè)精度為97.1%。研究了對(duì)刀誤差和砂輪磨損量對(duì)正弦型微細(xì)柱面透鏡陣列成形磨削面形誤差的影響規(guī)律,應(yīng)用微磨料水射流加工的微細(xì)陣列結(jié)構(gòu)金屬結(jié)合劑和樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪,采用粗精集成磨削方法,開展了微細(xì)柱面透鏡陣列模具精密磨削實(shí)驗(yàn)研究。正弦型微細(xì)柱面透鏡陣列的面型誤差小于6 μm,表面粗糙度小于0.04 μm。金屬結(jié)合劑和樹脂結(jié)合劑砂輪的磨損量分別為90 nm和40 nm。因此,該方法可有效降低對(duì)刀誤差和砂輪磨損對(duì)加工精度的影響,在保證加工質(zhì)量的同時(shí)大幅提高磨削效率。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TG76
【部分圖文】：

重要的應(yīng)用［Ｗ】。例如，由??于本身結(jié)構(gòu)的限制，半導(dǎo)體激光器快慢軸光強(qiáng)的非均勻分布影響了其使用效果�；谖�??細(xì)柱面透鏡陣列的整形勻束裝置可以將高斯分布的光強(qiáng)改變?yōu)槠巾敼�，提高光束質(zhì)量。??準(zhǔn)分子激光微透鏡整形勻束裝置的關(guān)鍵元件即為具有正弦型微細(xì)圓柱透鏡陣列表面的??微小光學(xué)元件。光學(xué)玻璃ＣＭＡ具有高的透光率、折射率、抗?jié)穸燃盁岱�(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，??服役時(shí)的光學(xué)性能顯著優(yōu)于同類樹脂光學(xué)元件［４１，被廣泛應(yīng)用于高精度或極端環(huán)境下的??裸眼三維成像系統(tǒng)、大功率半導(dǎo)體激光陣列光束整形系統(tǒng)中（如圖１－１）。微細(xì)柱面陣列??單元間距通常在毫米或微米級(jí)，面形精度和表面粗糙度要求分別在亞微米級(jí)和納米級(jí)［５］。??光學(xué)玻璃是典型的硬脆材料，且轉(zhuǎn)變溫度Ｔｇ高達(dá)４００°Ｃ以上，玻璃ＣＭＡ光學(xué)元件的制??造難度遠(yuǎn)大于相同技術(shù)要求的樹脂光學(xué)元件，使其進(jìn)一步推廣應(yīng)用受到限制。如何高精??度、低成本、大批量和柔性地制造各種光學(xué)玻璃微細(xì)柱面透鏡陣列是當(dāng)前面臨的最重要??的挑戰(zhàn)之一［６］。??圖１－１光學(xué)玻璃微細(xì)柱面透鏡陣列及其應(yīng)用??目前，比較成熟的光學(xué)玻璃微透鏡陣列的加工技術(shù)有ＬＩＧＡ技術(shù)、電火花加工技術(shù)、??激光束加工技術(shù)、超精密機(jī)械加工（切削、磨削和拋光）技術(shù)和復(fù)制技術(shù)等［７，８］。其中，??１??

第１章緒論??Ｈ?贏?〇ｖ??（ａ）精密磨削后的陶瓷模具?（ｂ）復(fù)制成型的微細(xì)結(jié)構(gòu)光學(xué)元件??＇ｐ?零件設(shè)＆和模具?：１Ｖ??ｍ?１?＾??光學(xué)元件??（Ｃ）微透鏡陣列光學(xué)元件的復(fù)制加工鏈??圖１－２?微透鏡陣列光學(xué)元件的制造工藝鏈及樣件［１７］??１．１．２微細(xì)柱面透鏡陣列紐模具的超精密磨削技術(shù)研究現(xiàn)狀??國(guó)內(nèi)外針對(duì)光學(xué)微細(xì)柱面透鏡陣列模壓模具的超精密磨削加工幵展了大量的研究。??主要通過精密砂輪修整、新型工具的制備或優(yōu)癬誤差補(bǔ)償新方法、磨削參數(shù)優(yōu)化等途??徑提高磨削加工微細(xì)柱面透鏡陣列模具的精度和表面質(zhì)量，其屮砂輪的精密在位修整是??超精密磨削微細(xì)柱面透鏡陣列模具最關(guān)鍵的問題，其難點(diǎn)在于控制砂輪的輪廓精度和Ｍ??小尖端圓弧半徑。目前各國(guó)學(xué)者們主要采用在位微細(xì)放電修整法［｜８，｜９］和數(shù)控對(duì)磨修整法??［｜９，２＜１］分別獲得金屬與樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪的ｖ型或圓弧形截面的精密修整。采用修??整后的金剛石砂輪，各國(guó)學(xué)者己在光學(xué)玻璃［２Ｑ］、碳化鎢［２｜］、氮化硅和碳化硅［２２］等不同陶??瓷模具材料上開展了大量關(guān)于ｖ型槽和圓弧槽等簡(jiǎn)單形狀微細(xì)結(jié)構(gòu)的磨削試驗(yàn)研究。??日本Ｋｉｙｏｓｈｉ等［２３］嘗試將導(dǎo)電ＣＶＤ金剛石薄膜應(yīng)用于砂輪，并通過ＥＤＭ修整方法在薄??３??

山東大學(xué)博士學(xué)位論文??２．１．２砂輪修整深度數(shù)學(xué)模型??為實(shí)現(xiàn)微磨料水射流修整過程的精密控制，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型表示修整過程。由于影響??微磨粒水射流加工深度的因素很多，例如射流壓強(qiáng)，靶距，磨料流量，材料性質(zhì)等，修??整過程還存在不確定性因素，無法建立準(zhǔn)確的解析模型。本文對(duì)磨料水射流修整過程作??了一些必要的簡(jiǎn)化和假設(shè)，采用線性方程組法建立砂輪修整深度與駐留時(shí)間的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)??型。??線性方程組法建模的過程是先將加工對(duì)象網(wǎng)格化為一系列的離散點(diǎn)，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)??得到各個(gè)駐留點(diǎn)的修整深度，然后同樣對(duì)去除函數(shù)離散化處理［１〇８］，計(jì)算微磨料水射流??對(duì)作用范圍內(nèi)各個(gè)駐留點(diǎn)的修整深度，最后將射流在所有的駐留點(diǎn)對(duì)某一點(diǎn)的修整深度??疊加，疊加后獲得的值即為該點(diǎn)的總修整深度值。據(jù)此原理建立各個(gè)駐留點(diǎn)的線性方程??組，進(jìn)而通過求解線性方程組獲得加工對(duì)象上各個(gè)點(diǎn)的駐留時(shí)間值。圖２－１是駐留時(shí)間??算法流程。由圖可知，通過將卷積計(jì)算轉(zhuǎn)換為求解矩陣方程得到駐留時(shí)間函數(shù)ｔ〇〇。??（開始）??建立方程組?Ａ－ｔ?＝?ｂ??引入正則化參數(shù)ａ?｛Ａ＇Ａ?＋?ａＩ）－ｌ?＝?Ａ＇ｂ??求奇異值最小二乘??更新ａ?＜????＾——卜叫Ｉ；??求方程組新解?Ａ＂＝時(shí)―＋?Ｕ??（結(jié)束）??圖２－１駐留時(shí)間算法流程圖??１４??
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