光学玻璃超声振动磨削表面创成及亚表面损伤研究

作     者：邱诚 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周明

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：光学玻璃 超声振动磨削 表面粗糙度 亚表面损伤 预测模型 

摘      要：近年来,伴随着光电子技术、航空航天技术、原子能技术以及激光技术等尖端科技的迅猛发展,对光学元件的性能要求也越来越高。由于光学玻璃有着诸多优点,例如光学常数较为精确、性能稳定结构均匀、能够实现多种光学功能等,其在上述领域被广泛应用。但光学玻璃也是一种硬脆材料,有着诸多优点的同时也存在着高硬度、低韧性、易崩碎以及难加工等缺点,如果采用传统磨削、研磨和抛光的加工方法,则难以兼顾加工效率、成本与表面质量的要求。随着精密/超精密加工技术的发展,超声振动磨削加工技术因其高效低损伤的加工优势脱颖而出,逐渐成为光学玻璃精密加工的主要方法之一。本论文建立了光学玻璃超声振动磨削加工表面粗糙度的仿真模型,并结合实验数据对仿真模型加以验证与修正;分析了光学玻璃超声振动磨削加工亚表面损伤的形成机制;研究了加工参数对表面粗糙度及亚表面损伤的影响规律,为探索提高光学玻璃加工表面质量、减免亚表层损伤的技术措施提供了依据。在光学玻璃的实际应用中对于表面粗糙度的要求较高,研究加工表面粗糙度的影响因素及规律是提高加工表面质量的基础。本文对砂轮表面形貌进行了采样,获得了采样区域形貌的数字化信息;并通过对采样数据的处理与计算构建了砂轮表面形貌仿真模型,通过砂轮表面形貌特征的实测结果与仿真结果的对比,验证了仿真模型的有效性。分析并计算了磨粒在砂轮表面的随机排列位置;基于超声振动磨削加工的运动分析,构建了加工过程中任意磨粒的空间运动方程,为光学玻璃超声振动磨削加工表面粗糙度预测模型的建立提供了基础。在以上研究的基础上,运用表面轮廓搜索算法,建立了加工表面粗糙度的预测模型,采用MATLAB软件,实现了加工表面粗糙度的预测。进行了光学玻璃BK7的超声振动磨削加工实验,对表面粗糙度预测模型的有效性进行了验证与修正。研究了超声振动参数、磨削加工参数等对表面粗糙度的影响规律,为实现光学玻璃低表面粗糙度超声振动精密磨削加工工艺参数的选择提供了依据。光学玻璃在加工过程中产生的亚表面损伤直接影响工件的使用寿命和性能。本文对光学玻璃超声振动磨削加工中亚表面损伤的产生机制和特点进行了分析,采用机械抛光法结合HF酸腐蚀法对加工后的工件进行了处理,使用扫描电子显微镜对加工表面和截面进行了观测。根据亚表面损伤的特征分析了裂纹的产生原因。实验研究了主轴转速、磨削深度、进给速度及超声振动振幅等参数对亚表面损伤最大裂纹深度的影响规律,为探索减免亚表面损伤的技术措施提供了基础。