【摘要】：目前,對于流體射流拋光加工技術的應用研究相對較少,且主要集中于去除機理研究、去除函數的優(yōu)化及工藝參數實驗等方面。本文通過研究磨粒水射流加工技術進行快速、可靠的確定性去除的控制方法和工藝參數,及其對去除效率和去除函數輪廓造成的影響,探索流體射流加工技術的應用潛力和適用環(huán)境。并采用流體射流技術開展超光滑光學元件的加工和回轉對稱面形誤差的快速去除實驗研究,驗證射流拋光加工技術及其控制方法的可靠性和穩(wěn)定性。論文的主要研究內容如下:針對垂直射流時形成的W形去除函數,提出了采用回轉函數的方法來取代通常采用的偏心式回轉射流裝置,從而得到虛擬的近高斯形去除函數;并提出逐層去除的駐留時間求解方法,實現了駐留時間圖的快速有效求解及求解收斂的成功率。針對傳統(tǒng)拋光和小工具拋光加工中存在的中頻誤差問題,提出了一種隨機路徑的生成方法,并對比了不同加工路徑下的生成表面特點。根據確定性拋光加工的技術要求,開發(fā)了射流加工液壓系統(tǒng)來滿足確定性拋光加工中對射流束在長時間內保持壓力穩(wěn)定和不發(fā)散的功能要求。針對不同工藝參數,比如射流壓力、射流角度、射流距離等,進行定點射流實驗,并研究了去除函數的輪廓變化特點。結合計算流體仿真技術,對不同工藝參數設置下射流區(qū)域內的壓力和速度分布,進行仿真研究。通過實驗結果與仿真結果的對比,揭示射流拋光加工中的材料去除機理。針對在流體射流拋光(FJP)加工中,直接檢測得到的去除函數并不呈理想的回轉對稱形,提出了解決方案。一方面通過濾波和回轉增強算法來減弱測量誤差的影響;另一方面提出了增強算法來提高回轉對稱性,并在質量評價算法中添加修正因子來研究去除函數質量隨射流時間的變化。本文還對運動平臺的動態(tài)反應及運動精度進行了檢測,分析了可能造成拋光加工精度誤差的影響因素;并根據分析結果,指導確定性拋光加工中的運動參數設置,對未來拋光加工裝備及控制系統(tǒng)的開發(fā)提供了參考。根據上述研究,本文開展了超精密光學鏡片的射流修形加工實驗研究。根據射流去除函數的幾何形狀尺寸,進行了工件表面功率譜密度的修整能力范圍求解,并研究了定位誤差對加工精度的影響。本文還提出了一種結合FJP加工技術和確定性拋光加工技術對光學元件表面具有的回轉對稱面形誤差進行確定性射流去除的方法。首先,提出了均值法和最小值法兩種提取回轉對稱面形誤差的方法,并進行了對比分析;其次,實驗了回轉半徑對射流去除輪廓的影響,從而確定去除函數,并提出二維確定性加工駐留時間的求解方法。最后,進行了確定性射流修形加工試驗。在本文最后,開展了非球面光學鏡片的數控加工工藝鏈研究。由于流體射流拋光加工技術的材料去除率相比其它加工方式要小,通過結合高速磨削加工技術和小磨頭拋光加工技術,探討了流體射流加工技術在超精密光學鏡片的整個加工工藝鏈中的適用位置及未來的研究方向。
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TH74
【圖文】：

超精密流體射流拋光加工技術研究與工藝系統(tǒng)開發(fā)遠鏡（GMT），預計 2020 年建成。其中 James Webb 望遠鏡的主反射鏡口徑達到 6m，由 3 種 18 塊六邊形子鏡拼接而成，每塊鏡片的對角線長度超過 1.3m，每一塊鏡片的面形精度要到達到20nm 以下。預計 2018 年升空，預算上限達到 80 億美元[4, 5]。

2圖 1.2 光刻機光路系統(tǒng)分布及其鏡頭機是 IC 制造中最關鍵的設備，其復雜的系統(tǒng)程度和高昂的制工提出了非常大的挑戰(zhàn)。為了減小刻線寬度，當前采用的深紫已經達到 193nm。因此，如果在未來希望進一步提升光刻系統(tǒng)用更短波長的光束進行加工。已有信息顯示，下一代的曝光波 13.5nm。為實現完善成像，光學系統(tǒng)面形的均方根誤差需要四分之一，這意味著加工后的面形精度需要達到 1nmRMS，表 0.5nmRMS 以內，才能滿足數值孔徑為 0.75 的 193nm 深紫外

對于未來的極紫外光刻光學系統(tǒng)，其中光學元件的加工精度更是達到極端苛刻的要求。激光慣性約束核聚變（Inertial confinement fusion，ICF）是為解決人類未來不斷增長的能源需求問題而開展的重大基礎科研課題，該技術的實現也是一項規(guī)模巨大的工程項目。該課題吸引了國內外大量的研究機構進行關注，屬于研究前沿和熱點領域。高功率激光驅動器中的大尺寸摻釹磷酸鹽激光玻璃是 ICF 中的主要光學元件，其在 ICF 裝置中的使用數量最多，且尺寸較大。比如在美國國家點火裝置(National IgnitionFacility，NIF)中采用了超過 3000 多片的d{釹磷酸鹽激光玻璃，其幾何尺寸達到 34mm×460mm×810mm，加工難度非常大。另外在組裝普克爾斯盒和倍頻器件時，還需要大約 600 片的 KDP／DKDP 晶片，該晶片的截面面積達到了 410×410mm 尺度。如此大量的光學元器件不僅具有較高的面形精度要求，還需要保證元件的超光滑無損傷表面，以避免高能激光穿過時引起的能量集聚[6, 7]。

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6 ;網狀砂氈[J];航空工藝技術;1979年02期

7 衛(wèi)振峰,陳萬卿,張維林;自行車鋼球行星拋光加工工藝[J];天津紡織工學院學報;1997年05期

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10 閔新力,蔡光起,萬德安;硅片拋光加工質量缺陷的理論剖析[J];磨床與磨削;1999年03期

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本文編號：2790912