1 大连理工大学 高性能精密制造全国重点实验室，辽宁大连6024
2 华侨大学 制造工程研究院，福建厦门36101
钇铝石榴石（YAG）晶体是制造固体激光器的重要材料，超精密磨削是加工YAG晶体等硬脆材料零件的重要方法，研究硬脆材料加工表面的微观变形、脆塑转变机理对超精密磨削加工具有重要的指导作用。为了实现YAG晶体低损伤磨削加工，获得高质量表面，基于弹塑性接触理论和压痕断裂力学，通过分析单磨粒划擦作用下材料表面的变形过程，考虑材料的弹性回复、微观下力学性能的尺寸效应，建立了脆塑转变临界深度的预测模型，并计算得到YAG晶体的脆塑转变临界深度为66.7 nm。在此基础上，通过不同粒度砂轮超精密磨削YAG晶体试验对建立的脆塑转变临界深度预测模型进行验证，并计算不同粒度砂轮在相应工艺条件下的磨粒切深。结果表明，磨粒切深高于脆塑转变临界深度时，YAG晶体磨削表面材料以脆性方式被去除，磨削表面损伤严重；磨粒切深低于脆塑转变临界深度时，磨削表面材料以塑性方式被去除，能够获得高质量磨削表面，加工表面粗糙度达到1 nm。建立的脆塑转变临界深度预测模型能够为YAG晶体的低损伤超精密磨削加工提供理论指导。
超精密磨削 YAG晶体 纳米压痕 纳米划痕 脆塑转变 YAG crystal nano-indentation nano-scratch brittle-to-ductile transition ultra-precision grinding
1 中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西 西安 710119
2 国防科技大学 智能科学学院，湖南 长沙 410003
大口径离轴非球面光学元件的应用需求呈大幅增长趋势，如空间/地基大口径望远镜、航空光电和地面跟踪瞄准装置等。同时，日益增大的元件口径和越来越短的加工周期使得高效高精度制造工艺成为大口径离轴非球面光学元件加工的核心问题。精密磨削作为大口径离轴非球面元件的材料高效去除工序，磨削面形精度(Peak-Valley, PV)和损伤层深度直接决定了后续的抛光难度与周期。因此，开展了大口径离轴非球面光学镜面的控形控性高精度磨削研究，即提升大口径离轴非球面光学元件的磨削面形精度的同时降低磨削损伤深度，实现二者在数值上的协同逼近。在控形方面，确立了机床结构方面影响低频面形形状与精度的主要影响因素，探究了A轴零位误差、Y轴对中误差、砂轮形状尺寸误差、磨削方法路径和Z轴面形补偿等因素对面形精度的影响规律以实现工艺参数的协同控制与精度优化。在控性方面，获得了磨削损伤深度随磨削参数的变化规律并建立了磨削损伤深度与磨削表面粗糙度的映射关系，提出针对大口径离轴非球面磨削亚表层损伤抑制策略。对640 mm口径离轴非球面镜进行形性控制磨削实验后，面形精度达到3 μm，表面粗糙度Ra小于24 nm，Rz小于0.2 μm，依照表面粗糙度与亚表面损伤层深度映射关系，亚表面损伤层深度5 μm左右，逼近面型精度。经验证后续抛光周期大幅缩短，对大口径光学元件的高效高精度加工具有重要参考价值。
精密磨削 形性精度 面形精度 亚表层损伤 离轴非球面 precision grinding contour-performance accuracy form accuracy subsurface damage off-axis aspherical surface 红外与激光工程
2023, 52(9): 20230454
红外与激光工程
2023, 52(7): 20220898
光学加工过程中, 粗磨与精磨阶段材料去除量最大, 而抛光阶段的材料去除量则小很多, 因此若对粗精磨表面进行精确全场测量将极大缩短加工过程。在现有测量手段中, 三坐标机和红外干涉仪存在价格昂贵或效率不高问题。将光学三维传感方法中的双目结构光技术用于光学加工过程, 实现了对光学元件粗精磨表面的无接触、全场、快速高精度测量。实验结果表明所提方法切实可行, 测量误差小于10 μm, 对加工过程中切削加工量的快速精确测量具有应用价值。
三维测量 双目视觉 光学加工 精磨 三频相位展开 3D shape measurement binocular vision optical manufacture precision grinding three frequency phase unwrapping
Author Affiliations
Abstract
1 School of Mechanical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou, 350116, China
2 Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun, 130022, China
This paper proposes an experimental approach for monitoring and inspection of the formation accuracy in ultra-precision grinding (UPG) with respect to the chatter vibration. Two factors related to the grinding progress, the grinding speed of grinding wheel and spindle, and the oil pressure of the hydrostatic bearing are taken into account to determining the accuracy. In the meantime, a mathematical model of the radius deviation caused by the micro vibration is also established and applied in the experiments. The results show that the accuracy is sensitive to the vibration and the forming accuracy is much improved with proper processing parameters. It is found that the accuracy of aspheric surface can be less than 4.m when the grinding speed is 1400r/min and the wheel speed is 100r/min with the oil pressure being 1.1 MPa.
Optical aspheric surface micro-vibrations ultra-precision grinding formation accuracy grinding speed Photonic Sensors
2018, 8(2): 97
1 哈尔滨工业大学 机电工程学院 精密工程研究所, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 中国空空导弹研究院, 河南 洛阳 471009
3 哈尔滨工业大学 航天学院 光电子技术研究所, 哈尔滨 黑龙江 150080
为了实现新型红外陶瓷ALON高陡度薄壁保形非球面的超精密磨削加工, 首先根据ALON的材料属性和高陡度薄壁保形非球面的结构特性, 进行了其超精密磨削加工工艺性分析, 并基于有限元计算方法, 完成了面向ALON高陡度薄壁保形非球面的精密夹具的设计以及关键参数的优化。然后完成了ALON的超精密磨削工艺实验, 工艺实验结果表明减小工件转速和砂轮粒度都会降低ALON的平均表面粗糙度Ra值, 但砂轮粒度对磨削后ALON的表面粗糙度影响更显著。最后实现了ALON高陡度薄壁保形非球面的超精密磨削加工, 磨削后的ALON高陡度薄壁保形非球面的面形精度PV值为2 μm, 表面粗糙度Ra值可达8.6 nm。
高陡度薄壁结构 保形非球面 超精密磨削 夹具设计 high-gradient thin structure conformal aspheric ALON ALON ultra-precision grinding jig design
上海交通大学机械与动力工程学院, 上海 200240
针对硬脆非球面光学镜硬度高、型面特殊、加工面积大、加工质量要求高的特点，提出了一种基于法向跟踪的、以圆筒形砂轮端面进行磨削的非球面范成精密加工方法。在此基础上，进一步设计了智能化的实时检测与自适应控制方法。应用这些方法实现了磨削运动轨迹的精确控制、砂轮磨损的自动补偿、磨削压力的自动控制、工艺参数的自动调节。实验结果表明：以圆筒砂轮端面进行磨削的、基于法向跟踪的非球面范成精密磨削法可以保证非球面的面形精度，砂轮磨损实时检测与自适应控制方法能提高加工质量和效率。
光学制造 非球面光学镜 法向跟踪 精密磨削 实时检测 自适应控制
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室, 吉林 长春 130033
针对超薄光学元件在加工过程中因重力和磨头产生应力形变的特点, 提出了一种高效、先进的超薄光学元件综合加工方法。该方法综合运用了精密铣磨、精密抛光、离子束修形等先进技术进行面形控制。在铣磨阶段采用受力分析和误差补偿的方法降低了元件变形引入的面形误差; 在抛光阶段通过气囊抛光和沥青抛光的迭代实现了面形快速收敛; 在离子束加工阶段充分利用其非接触、无应力的加工特点实现了高精度面形修正。实验选择径厚比为34(边长152 mm, 厚度635 mm)的方形融石英材料进行加工实验。结果表明：在铣磨、抛光、修形阶段的各项指标都达到了精密光学元件的加工水平, 最终的面形精度为PV=25 nm, RMS=15 nm。该加工方法可以广泛应用于超薄光学元件的高精度加工。
超薄镜 精密铣磨 精密抛光 离子束精修 误差补偿 ultra-thin lens precision grinding precision polishing ion beam correction error compensation
大连理工大学 精密与特种加工教育部重点实验室, 辽宁 大连 116024
基于分子动力学方法,对石英玻璃进行了三维的纳米划痕仿真,用来研究其纳米加工性能。采用熔融-淬火的办法建立了石英玻璃的模型,并通过观察模型的截面图,分析了在制备过程中内部微观孔隙的形成过程和原因。在仿真过程中,观察了石英玻璃的变化和孔隙周围原子的运动,得到了切削力的曲线,重点研究了内部的微观空隙对划痕过程的影响。仿真结果表明: 当石英玻璃冷却时,由于内部共价键的重组,会形成平均半径为0.25 nm的微观的孔隙,而且其降低了石英玻璃的纳米加工性能,使得切削力的曲线发生一定程度的波动。当磨粒划过表面后,会在表面以下形成厚度为2 nm的原子密集堆积区。由于稠密区的原子共价键键长的变化,失去了原有共价键的强度,所以会形成加工的损伤层。因此在对石英玻璃超精密加工时,应采用少量多次的加工方法来提高材料的加工性能。
石英玻璃 分子动力学 超精密磨削 纳米划痕 微观孔隙 fused silica molecular dynamics ultra-precision grinding nanoscratch microscopic void 强激光与粒子束
2015, 27(2): 024150
