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随着当今光学以及相关科学技术的迅速发展,光学玻璃、光学晶体、微晶玻璃等硬脆材料在军事、航空航天、电子工业等领域应用越来越广泛。由于非球面光学系统具有可以改善像质,提高光学特性,简化系统结构等一系列优点,在光学系统中获得了比较多的应用。这一类硬脆材料元器件的加工越来越成为限制其应用的瓶颈,尤其是非球面器件,采用传统加工方法的高成本限制了非球面更为广泛的应用。因此,迫切需要研究可以适用于硬脆材料非球面加工的超精密加工方法。
磁流变抛光是国外近年来新兴的一种超精密加工方法,它将电磁学、流变学、化学综合作用于光学加工中,可以实现对光学器件的高效精密抛光,目前已经被应用于对平面、球面、非球面的超精密加工,可加工材料范围涵盖了光学玻璃、微晶玻璃、光学晶体等多数光学材料。为使这项新兴的技术能够在我国的光学加工领域得到应用,提高我国的光学精密加工水平,本文对磁流变抛光技术进行了研究。主要进行了以下几方面的研究工作。
文章首先综述了国内外光学抛光技术的研究现状,分析了现有的非球面加工方法。总结了磁流变抛光技术的发展过程以及国内外的研究现状,为发展我国的光学磁流变抛光技术提供借鉴。
磁流变抛光材料去除机理的研究。磁流变抛光加工中存在机械作用、化学作用、表面流动作用的共同作用,其中机械作用、化学作用起着最为重要的作用。在磁流变液中加入不同种类的抛光磨粒可以在不同程度上提高加工效率,改善表面质量。实验结果证明在磁流变液中加入氧化铈抛光粉可以促进玻璃与水之间的水合作用,有效地提高抛光效率,同时获得比较好的表面质量。
磁流变抛光材料去除速率模型的建立。根据光学加工中通用的Preston方程,通过对抛光区内磁流变液的流体动力学分析,分别建立了工件静止状态与以固定速率自转的磁流变抛光材料去除率的数学模型。并通过实验验证了模型的正确性。
磁流变抛光工艺参数实验研究。针对我们所研制的磁流变抛光设备,对主要工艺参数对磁流变抛光的影响进行了实验研究,分析了磁场强度、工件自转速度、工件与抛光盘间隙等因素对抛光效率的影响规律。同时对微晶玻璃材料的特点及其应用磁流变抛光技术进行抛光加工进行了可行性研究。
磁流变抛光面形控制技术的研究。为了实现高精度非球面光学器件的加工,进而实现对面形的控制,根据磁流变抛光的材料去除特性,分析了磁流变抛光中工件不同区域在抛光区中驻留时间函数的求解算法。对球面工件进行了抛光实验研究,根据检测的面形误差计算驻留时间,实现了面形误差的修正,提高了被加工工件的面形精度,为磁流变抛光高精度光学非球面器件奠定了基础。