本文關(guān)鍵詞：采用非牛頓流體磨盤(pán)技術(shù)加工超大口徑非球面的研究

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【摘要】：與傳統(tǒng)的加工非球面的手段相比,計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成形技術(shù)(Computer Controlled Optical Surfacing,CCOS)擁有更確定性的材料去除以及更高的面形收斂效率,這使CCOS技術(shù)成為了一種加工高精度光學(xué)表面的有效途徑,隨著應(yīng)力盤(pán)、磁流變以及離子束等技術(shù)的出現(xiàn),CCOS獲得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展。然而新一代的大口徑光學(xué)系統(tǒng)對(duì)CCOS技術(shù)加工的效率以及加工質(zhì)量提出了更高的要求。非球面的加工已經(jīng)不僅僅以達(dá)到面形精度為目的,在重視加工效率的前提下,光學(xué)表面的中高頻誤差也受了越來(lái)越多的關(guān)注。新的需求轉(zhuǎn)化為CCOS技術(shù)語(yǔ)言就是要求更確定性和更快速的去除能力(figuring)、更強(qiáng)的中頻誤差的抑制能力(smoothing)以及更高的表面粗糙度完成質(zhì)量(finishing)�，F(xiàn)有加工技術(shù)很難同時(shí)滿(mǎn)足以上幾點(diǎn)需求,各取所長(zhǎng)把這些技術(shù)應(yīng)用到加工的不同階段是一種有效的途徑。非牛頓流體磨盤(pán)加工技術(shù)是一種新型的加工方式,該加工技術(shù)平衡了現(xiàn)有加工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和不足,它同時(shí)具有figuring、smoothing和finishing三種能力,該磨盤(pán)極強(qiáng)的適用性決定了其在新一代的CCOS技術(shù)中不可或缺的地位。本文將對(duì)非牛頓流體磨盤(pán)加工技術(shù)進(jìn)行深入的研究和探索,主要在以下四個(gè)方面展開(kāi)了工作:1、對(duì)非牛頓流體磨盤(pán)的原理及理論基礎(chǔ)進(jìn)行了研究。分析了非牛頓流體磨盤(pán)的基本原理,將非牛頓流體磨盤(pán)在實(shí)際的加工過(guò)程中所表現(xiàn)出的柔性和剛性分為兩個(gè)時(shí)間尺度。以牛頓粘性定律為基礎(chǔ),分析了粘彈性非牛頓流體的基本性質(zhì)。根據(jù)粘彈性非牛頓流體力學(xué)模型的等當(dāng)性,應(yīng)用靜態(tài)力學(xué)分析方法對(duì)非牛頓流體磨盤(pán)在第一時(shí)間尺度下所表現(xiàn)出柔性做出了解釋,利用動(dòng)態(tài)力學(xué)分析方法對(duì)非牛頓流體磨盤(pán)在第二時(shí)間尺度下所表現(xiàn)出的剛性行了描述。2、完成了非牛頓流體磨盤(pán)的設(shè)計(jì)與制作。以柔性磨盤(pán)為模板,完成了非牛頓流體磨盤(pán)的初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。針對(duì)磨盤(pán)的壓力梯度效應(yīng)以及磨盤(pán)和非球面的吻合條件對(duì)非牛頓流體磨盤(pán)的尺寸設(shè)計(jì)進(jìn)行了規(guī)劃。分析了非牛頓流體磨盤(pán)初始結(jié)構(gòu)的去除函數(shù)的兩大不穩(wěn)定因素,分別采用有限元分析和赫茲接觸理論進(jìn)行了描述,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。針對(duì)去除函數(shù)的不穩(wěn)定因素,利用有限元分析優(yōu)化了非牛頓流體磨盤(pán)的初始結(jié)構(gòu),通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化的結(jié)構(gòu)的有效性,得到了理想的去除函數(shù)形狀。3、非牛頓流體磨盤(pán)的工藝實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化。完成了RB-SiC拋光工藝實(shí)驗(yàn)與拋光參數(shù)的優(yōu)化,實(shí)驗(yàn)包括材料的去除率與拋光參數(shù)之間的關(guān)系,去除函數(shù)的穩(wěn)定程度與拋光參數(shù)的關(guān)系,拋光參數(shù)對(duì)表面粗糙度造成的影響,磨料對(duì)材料的去除率造成的影響。通過(guò)大量的工藝實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行總結(jié)和分析,最后得到了優(yōu)化的拋光參數(shù)。對(duì)一塊360×300mm RB-SiC離軸非球面進(jìn)行了等厚去除實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了非牛頓流體磨盤(pán)在加工非球面時(shí)的去除函數(shù)的穩(wěn)定性90%。對(duì)一塊800×300mm改性Si離軸非球面的面形進(jìn)行了收斂實(shí)驗(yàn),經(jīng)過(guò)6個(gè)加工周期,面形精度從0.192λRMS成功收斂至0.073λRMS。最后,將非牛頓流體磨盤(pán)的應(yīng)用向研磨階段進(jìn)行了擴(kuò)展,通過(guò)對(duì)直徑1430mm的微晶玻璃做研磨實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了這種結(jié)構(gòu)能有效的在研磨階段控制中頻誤差。4、非牛頓流體磨盤(pán)平滑效應(yīng)的理論研究與平滑實(shí)驗(yàn)。對(duì)平滑效應(yīng)的經(jīng)典理論進(jìn)行了深入的分析,找出了現(xiàn)有模型的不足,保留了經(jīng)典模型的優(yōu)點(diǎn),在經(jīng)典理論模型的基礎(chǔ)之上建立了時(shí)間相關(guān)平滑效應(yīng)模型,該模型不僅明確的指出了平滑效率和拋光參數(shù)之間的關(guān)系,而且還兼顧了平滑模型的瞬時(shí)性。在時(shí)間相關(guān)的平滑效應(yīng)模型的基礎(chǔ)之上,提出了一種非牛頓流體磨盤(pán)平滑效率的優(yōu)化策略,并以此策略進(jìn)行了一組平滑實(shí)驗(yàn),得到了最優(yōu)的平滑參數(shù)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TH74;O373

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