紅外材料非球面透鏡的超精密磨削加工關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、紅外透鏡是紅外光學(xué)系統(tǒng)中用來(lái)傳輸、折射、入射光線的光學(xué)元器件，是紅外成像和制導(dǎo)系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件。非球面透鏡能夠減小甚至消除由球面透鏡在準(zhǔn)直和聚焦系統(tǒng)中帶來(lái)的球差以及其他的一些光學(xué)像差，也可減少光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)元件的數(shù)量，簡(jiǎn)化光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性，使得光學(xué)系統(tǒng)更小和更輕。因此，非球面紅外透鏡在航空航天、電氣、土木工程、醫(yī)學(xué)、汽車等諸多領(lǐng)域都具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。目前，非球面透鏡大批量生產(chǎn)的主要途徑為古典研磨

2、拋光，存在加工效率低、產(chǎn)品一致性差的特點(diǎn)。而超精密磨削加工具有加工效率高、產(chǎn)品一致性好、工藝穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)，是非球面紅外透鏡精密成形的新技術(shù)之一。
　　本課題以紅外材料單晶硅和多光譜CVD硫化鋅為研究對(duì)象，以實(shí)現(xiàn)紅外成像與制導(dǎo)技術(shù)關(guān)鍵光學(xué)元件的Φ150mm球面、Φ93.5mm非球面透鏡的確定性、低損傷、超精密磨削加工為目的，主要進(jìn)行以下研究工作：
　　分析現(xiàn)有的非球面磨削加工方法，結(jié)合實(shí)際設(shè)備條件，選擇適用的磨削加工方法。理

3、論分析非球面輪廓對(duì)磨削加工過(guò)程中砂輪與工件幾何接觸弧長(zhǎng)、未變形切削厚度、殘留高度以及各種誤差的影響，通過(guò)理論分析與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法確定出最終磨削加工非球面的實(shí)驗(yàn)方案。結(jié)果表明，垂直磨削法中的砂輪與工件幾何接觸弧長(zhǎng)的變化和未變形切削厚度均較小，可以獲得更小的殘留高度，砂輪誤差對(duì)工件表面質(zhì)量的影響更小，實(shí)驗(yàn)后獲得的表面質(zhì)量更高、更穩(wěn)定。
　　在上述加工方法研究的基礎(chǔ)上，依據(jù)不同的磨削加工需求，面向于粗磨和精磨非球面用圓弧形金剛石砂

4、輪，提出兩種基于旋轉(zhuǎn)綠碳化硅磨棒的在位精密修整技術(shù)。針對(duì)不同的修整方案，分析修整系統(tǒng)中磨棒的形狀誤差和砂輪的對(duì)刀誤差對(duì)金剛石砂輪修整形狀精度的影響規(guī)律以及相應(yīng)的解決方法。通過(guò)工藝實(shí)驗(yàn)，研究修整參數(shù)對(duì)金剛石砂輪修整效果的影響規(guī)律，優(yōu)化相應(yīng)修整工藝參數(shù)。修整后砂輪的圓弧輪廓度顯著提高，圓跳動(dòng)誤差顯著降低，為紅外材料非球面透鏡的超精密磨削加工提供了工具保障。
　　研究了磨削紋路對(duì)加工后工件表面質(zhì)量的影響規(guī)律，提出基于優(yōu)化磨削工藝參數(shù)匹配

5、關(guān)系的磨削紋路抑制策略，為磨削加工過(guò)程提供了工藝參數(shù)匹配關(guān)系的選擇依據(jù)。通過(guò)磨削加工實(shí)驗(yàn)選擇有利于紅外材料非球面透鏡超精密磨削加工的砂輪性能參數(shù)；基于正交實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行超精密磨削的工藝參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，為大尺寸非球面的超精密磨削加工提供工藝支持；最后完成了大尺寸紅外材料非球面透鏡的超精密磨削加工。加工后，Φ150mm口徑單晶硅球面透鏡和Φ93.5mm口徑的多光譜CVD硫化鋅非球面透鏡由在位測(cè)量設(shè)備獲得的兩面面形精度PV均為0.5μm左右，表面

6、粗糙度Ra均小于5nm，為非球面紅外透鏡的確定性、低損傷、超精密加工奠定工藝技術(shù)基礎(chǔ)。
　　修整和磨削加工過(guò)程的信號(hào)監(jiān)測(cè)技術(shù)，可減少砂輪修整及磨削狀態(tài)中不必要的時(shí)間和磨料消耗，提高整體加工效率，降低生產(chǎn)成本。最后，針對(duì)圓弧形金剛石砂輪的修整與非球面紅外透鏡的磨削加工過(guò)程，搭建了基于旋轉(zhuǎn)聲發(fā)射傳感器的聲發(fā)射信號(hào)采集系統(tǒng)。分析處理了修整過(guò)程的原始聲發(fā)射信號(hào)，并提取修整過(guò)程的特征值信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)磨棒修整法中修整結(jié)束特征閾值的判別。探索