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铝合金光学元件气囊抛光基础研究

铝合金光学元件气囊抛光基础研究

作者：吴子维华侨大学

学位级别：硕士

铝合金材料因其高反射率、易于轻量化设计、价格成本低等优点常用作光学元件而得到广泛应用。然而,由于铝合金质地柔软、塑性强、化学性质较活泼,加工过程中表面容易产生划痕、凹坑等机械损伤,并且易发生化学腐蚀。为了提高铝合金光学... 详细信息

铝合金材料因其高反射率、易于轻量化设计、价格成本低等优点常用作光学元件而得到广泛应用。然而,由于铝合金质地柔软、塑性强、化学性质较活泼,加工过程中表面容易产生划痕、凹坑等机械损伤,并且易发生化学腐蚀。为了提高铝合金光学元件的表面质量和加工效率,本文采用气囊抛光技术用于其精密加工,并对加工工艺进行了研究和优化。首先,配制磨粒分散均匀的抛光液。选取粒径分别为2.5μm和0.1μm的α-AlO用作粗抛和精抛的磨料。为获得分散均匀的抛光液,采用了分散剂分散技术。选取四种典型的不同类型的分散剂同时探究了单一和复配分散剂种类和浓度对抛光液磨料分散性的影响,并且采用吸光度、平均粒径和Zeta电位作为筛选评价指标。将筛选出的最佳分散效果的抛光液与不添加分散剂的抛光液进行相关对比检测,并采用沉降率、接触角、图像检测和X射线衍射分析作为验证方法,确定出最佳磨料分散效果的抛光液配方,并对抛光液制备流程进行介绍说明。其次,设计与制备气囊抛光工具。为了简化当前气囊抛光工具的复杂结构,同时获得高效的材料去除率,实现与工件表面良好的贴合效果,设计了一款实心柔性气囊抛光头,并采用有限元分析方法与空心柔性气囊抛光头和半刚性气囊抛光头进行性能仿真对比分析,验证了实心柔性抛光头的性能优势。接着选取合适的抛光垫材料,对抛光垫的制备工艺流程进行详细介绍。然后,开展铝合金光学元件气囊抛光实验研究。分别进行了不同抛光液配方实际抛光效果对比、不同加工参数对抛光效果的影响和铝合金光学元件镜面抛光实验。通过去除函数轮廓曲线和平面抛光表面粗糙度对比验证了抛光液磨料分散性好坏对抛光效果的影响。通过正交实验法探究了下压量、主轴转速、进动角和进给速度对抛光效果的影响,并得到最佳的组合加工参数。通过粗抛和精抛两道工序,将工件抛光达到镜面效果。最后,探究铝合金光学元件气囊抛光机理。分析了磨粒作用方式,并建立了微观磨粒接触状态模型,探究磨粒粒径与压入工件表面深度的关系。基于工件表面与抛光工具接触区域的压力分布,对材料去除机理进行分析,将接触区域的磨粒材料去除模式按接触压力大小由大到小依次划分为微切削、微犁耕和微摩擦。采用SEM和EDS方法对抛光后工件表面进行分析检测,得出铝合金材料本身的硬质合金相颗粒和抛光产生的磨屑粘附对抛光表面质量具有重要影响。

关键词：铝合金光学元件气囊抛光抛光液分散性实心柔性气囊抛光工具抛光机理

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基于网格参数化的气囊抛光空间偏置轨迹研究

基于网格参数化的气囊抛光空间偏置轨迹研究

作者：潘晨昊长春工业大学

学位级别：硕士

当前,在航空航天、汽车制造、电子制造、医疗器械及光学制造领域,对曲面精密加工的需求越来越高。气囊抛光作为超精密抛光技术的一种,因气囊整体柔韧贴合度高,常用于曲面工件的精密抛光处理。在气囊抛光中,由于加工工艺、轨迹规划等原因... 详细信息

当前,在航空航天、汽车制造、电子制造、医疗器械及光学制造领域,对曲面精密加工的需求越来越高。气囊抛光作为超精密抛光技术的一种,因气囊整体柔韧贴合度高,常用于曲面工件的精密抛光处理。在气囊抛光中,由于加工工艺、轨迹规划等原因,常常会造成工件边缘效应不收敛。针对这种现象,本文提出一种可维持抛光边缘形貌的抛光偏置轨迹生成方法。该方法基于工件的网格曲面模型,以网格参数化技术为基础进行工件表面的轨迹规划,从而解决工件边缘效应收敛问题。本文主要研究内容如下:(1)研究网格分割点的识别方法并优化。首先使用最小二乘共形映射方法进行轨迹生成,对网格模型可展性公式进行改良。其次分析网格参数化共形能量产生的原因,研究了共形能量与高斯曲率的关系。最后基于两者的相关性提出了一种识别分割点方法,仿真结果表明该方法可降低网格参数化的共形能量。(2)研究气囊抛光的边缘效应处理方法。首先分析气囊抛光中边界效应的应对方法,确定使用提气囊法控制偏置轨迹行距的方法生成偏置轨迹。其次依据气囊抛光原理建立速度函数,使用赫兹接触理论建立抛光区的压力函数,利用Preston方程建立气囊抛光去除函数。最后基于去除函数确定偏置行距生成规则。仿真分析表明这种偏置规则可为提气囊法的行距控制提供保证。(3)提出一种偏置轨迹的生成方法。首先使用贝塞尔曲线分段拟合边界,利用贝塞尔曲线的法线进行偏置轨迹生成。提出一种偏置距离的改良方法,用于改良网格分割后,在残留变形下的轨迹映射。经计算,该方法可令映射后的轨迹间距更均匀。(4)基于偏置轨迹的气囊抛光实验验证。首先使用MATLAB生成改良偏置轨迹,其次使用Mastercam对比扫描轨迹、等高轨迹、网格参数化改良前后共四种轨迹进行仿真加工,对比四种轨迹变形程度,分析轨迹映射的均匀性。最后使用机器人气囊抛光系统开展抛光表面的边缘效应对比实验及光整抛光实验,最终表明该偏置轨迹可在一定程度上使边缘效应收敛,表面粗糙度可达(6=0.058)。

关键词：气囊抛光偏置轨迹网格参数化网格分割边缘效应

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气囊抛光工艺参数的正交实验分析

光学技术 2009年第2期35卷 315-318页

作者：宋剑锋姚英学谢大纲高波哈尔滨工业大学机电工程学院哈尔滨150001 北京印刷学院印刷与包装工程学院北京102600

针对平面光学零件,以抛光去除率和表面粗糙度为考核指标,应用正交试验法分析了气囊抛光过程中的主要工艺参数,包括抛光工具气囊的压缩量、气囊转速、气囊内部充气压力、抛光液的浓度对抛光去除效率和表面粗糙度的影响规律。结合气囊抛... 详细信息

针对平面光学零件,以抛光去除率和表面粗糙度为考核指标,应用正交试验法分析了气囊抛光过程中的主要工艺参数,包括抛光工具气囊的压缩量、气囊转速、气囊内部充气压力、抛光液的浓度对抛光去除效率和表面粗糙度的影响规律。结合气囊抛光的抛光机理对其进行了分析,根据实验结果对工艺参数进行了优化,并进行了综合参数的气囊抛光加工实验,获得了超精密光滑的表面。

关键词：气囊抛光正交实验材料去除率表面粗糙度

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自由曲面光学元件气囊抛光进动运动控制技术

机械工程学报 2013年第3期49卷 186-193页

作者：潘日王振忠王春锦张东旭谢银辉郭隐彪厦门大学机电工程系厦门361005

针对自由曲面光学元件的加工特点,研究气囊抛光自由曲面光学元件进动运动控制技术,用于求出气囊工具进动过程中两虚拟轴的转角,实现对气囊自转轴空间位置的控制。以气囊自转轴为研究对象,由于自由曲面光学元件上每个点的法线三维坐标都... 详细信息

针对自由曲面光学元件的加工特点,研究气囊抛光自由曲面光学元件进动运动控制技术,用于求出气囊工具进动过程中两虚拟轴的转角,实现对气囊自转轴空间位置的控制。以气囊自转轴为研究对象,由于自由曲面光学元件上每个点的法线三维坐标都不相同且气囊进动抛光过程中气囊自转轴与工件加工点局部法线夹角不变,提出建立基坐标系和抛光点对应三维空间坐标系的方法,得到抛光过程中气囊自转轴的空间位置变化情况,而后利用旋转坐标变换得到气囊抛光进动运动控制模型;在所建立的自由曲面光学元件气囊抛光进动运动控制模型中加入控制算法,求出抛光自由曲面光学元件各点时气囊工具两个虚拟旋转轴的转角。利用Matlab对自由曲面光学元件不同方向截面进行仿真抛光试验,得到自由曲面各方向上气囊抛光进动运动曲线以及仿真进动角曲线,结果证明了自由曲面光学元件气囊抛光进动运动控制模型及控制算法的正确性。

关键词：自由曲面光学元件气囊抛光进动控制技术

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金刚石车削表面微纳织构的气囊抛光改进

光学学报 2015年第3期35卷 262-268页

作者：王朋杜雪回长顺天津津航技术物理研究所天津300380 香港理工大学工业及系统工程学系超精密加工技术国家重点实验室香港00852

单点金刚石车削技术被广泛应用于光学表面的超精密加工。然而,车削表面固有的周期性残留刀痕结构将增强表面散射效应,恶化元件光学性能。为了抑制散射以获得高质量光学表面,采用气囊抛光技术主动改变车削表面周期性刀痕结构。基于Taguch... 详细信息

单点金刚石车削技术被广泛应用于光学表面的超精密加工。然而,车削表面固有的周期性残留刀痕结构将增强表面散射效应,恶化元件光学性能。为了抑制散射以获得高质量光学表面,采用气囊抛光技术主动改变车削表面周期性刀痕结构。基于Taguchi正交试验,以表面粗糙度及功率谱密度的改善率为设计指标,分析获得了最优抛光参数。采用该最优参数对一精车表面进行了抛光试验,抛光后表面粗糙度Ra由3.81 nm降到1.42 nm,各空间频率功率谱密度大幅降低,同时表面的衍射条纹消失。试验结果验证了所采用的抛光及相应优化方法的有效性,具有重要的工程应用价值。

关键词：光学制造金刚石车削表面微观形貌气囊抛光参数优化

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机器人气囊抛光SiC光学元件加工特性研究

西安交通大学学报 2020年第12期54卷 22-29页

作者：黄智周涛吴湘刘海涛万勇健郑晓电子科技大学机械与电气工程学院成都611731 中国科学院光电技术研究所成都610209

针对碳化硅光学元件已有的化学机械抛光、磁流变抛光、电化学抛光和催化剂辅助抛光等方式存在材料去除率低、成本高等问题,提出机器人气囊抛光方法,并对气囊抛光特性、抛光头机械结构进行了研究。首先基于Preston理论和赫兹接触理论以... 详细信息

针对碳化硅光学元件已有的化学机械抛光、磁流变抛光、电化学抛光和催化剂辅助抛光等方式存在材料去除率低、成本高等问题,提出机器人气囊抛光方法,并对气囊抛光特性、抛光头机械结构进行了研究。首先基于Preston理论和赫兹接触理论以及速度分析建立了材料理论去除模型,并对去除函数进行了仿真,再此基础上设计了气囊抛光磨头装置。然后对非球面碳化硅元件开展了单点和多点抛光,实验验证了去除函数的精确性和稳定性。最后通过粗抛和精抛进行加工应用验证,实验结果表明,所提出方法能够有效实现碳化硅光学元件抛光,并且去除函数精度高稳定性强,通过3个周期的粗抛、4个周期的精抛,面形收敛率分别为69.4%、51.9%,且收敛速度快、加工精度高。

关键词：气囊抛光碳化硅去除函数抛光头

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空间光学元件超精密气囊抛光的去除特性研究

光学学报 2009年第3期29卷 811-817页

作者：李洪玉张伟于国彧哈尔滨工业大学空间光学工程研究中心黑龙江哈尔滨150001 英国国家超精密光学表面实验室

为得到空间光学元件超光滑表面,对超精密气囊抛光方法的去除特性进行了理论和实验研究。以Preston方程为基础,应用运动学原理建立了气囊抛光"进动"运动的材料去除模型,针对抛光气囊工具的物理特性,按照Hertz接触理论对去除模型进行了修... 详细信息

为得到空间光学元件超光滑表面,对超精密气囊抛光方法的去除特性进行了理论和实验研究。以Preston方程为基础,应用运动学原理建立了气囊抛光"进动"运动的材料去除模型,针对抛光气囊工具的物理特性,按照Hertz接触理论对去除模型进行了修正;利用计算机仿真的方法,分析了几个主要工艺参数对"进动"抛光运动去除特性的影响规律,并在超精密光学数控抛光机上进行了正交实验;仿真和实验结果吻合较好,总结得到4点气囊抛光方法中重要的结论,给出了"进动"角与压缩量的取值范围,以此得到了面型精度RMS值为0.024λ(λ=0.6328μm)的超光滑表面,为开展光学元件气囊抛光工艺研究提供依据。

关键词：空间光学气囊抛光去除特性 Preston方程 Hertz接触理论

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光学元件气囊抛光去除效率影响因素研究

华中科技大学学报（自然科学版） 2015年第1期43卷 12-15页

作者：姜涛郭隐彪王詹帅林桂丹厦门大学机电工程系福建厦门361005

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... 详细信息

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.

关键词：气囊抛光去除效率工艺参数去除函数抛光斑尺寸

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大口径光学元件气囊抛光工具刚度可控性

强激光与粒子束 2013年第9期25卷 2270-2274页

作者：王振忠潘日郭隐彪张东旭谢银辉王健厦门大学物理与机电工程学院福建厦门361005 中国工程物理研究院激光聚变研究中心四川绵阳621900

为保证气囊抛光过程中抛光运动的高稳定性和均匀材料去除率,对气囊抛光非球面过程中气囊工具刚度的可控性进行了研究。通过分析气囊抛光大口径光学元件时工具的受力情况,计算了气囊工具的刚度,并分析了气囊抛光工具刚度对抛光时材料去... 详细信息

为保证气囊抛光过程中抛光运动的高稳定性和均匀材料去除率,对气囊抛光非球面过程中气囊工具刚度的可控性进行了研究。通过分析气囊抛光大口径光学元件时工具的受力情况,计算了气囊工具的刚度,并分析了气囊抛光工具刚度对抛光时材料去除的影响及气囊工具刚度的影响因素。设计了气囊工具刚度控制算法并进行模拟试验,仿真结果表明,在刚度标准值根据加工要求设定以后,即可通过调节工件对气囊工具的反作用力,使得气囊抛光大口径光学元件过程中气囊工具刚度可控。

关键词：大口径光学元件气囊抛光工具刚度可控性