光学玻璃研抛用磁流变液的研究

利用智能材料之一的磁流变液 (MRfluids)作为加工工具对光学玻璃进行了精密抛光加工。讨论了适用于光学玻璃抛光的磁流变液的配制机理及磁流变液对光学玻璃抛光效果的影响因素。针对光学玻璃磁流变的抛光原理和特点 ,开发配制了适合于光学玻璃加工用的磁流变液 ,并用该磁流变液对光学玻璃进行了实验加工。结果表明 ,最终得到的光学玻璃表面经过AFM测试 ,得到Ra =1 0 1 5nm。     

磁流变抛光数学模型的建立

介绍了近年来的一种新兴的光学加工技术———磁流变抛光 (MRF)。以Preston方程为依据建立了这种抛光方法的数学模型。利用该数学模型详细分析了被加工工件表面材料去除率与压力参数P成正比的关系 ,指出了工件表面所受的压力P主要是由流体动压力Pd 和磁化压力Pm 两部分组成的。以用磁流变抛光方法加工凸球面工件为例 ,具体推导出流体动压力Pd 和磁化压力Pm 的数学表达式 ,并通过实验对压力P的数学表达式及抛光模型的合理性进行了验证。     

磁流变技术研究及其在光学加工中的应用

介绍了磁流变技术的基本原理及其应用。利用磁流变液在磁场作用下形成的高剪切应力,可以利用磁场形成可变硬度的磁流变液对光学零件进行可控的抛光加工。美国Rochester大学率先进行了应用磁流变液对光学零件进行抛光方面的研究。磁流变抛光获得的表面具有纳米级表面粗糙度。     

磁流变抛光二次非球面工件位置对刀校正

近年来,磁流变抛光作为一种确定性加工方法已成为获得高精度非球面的重要手段。作者以回转对称二次抛物面为例,分析了磁流变抛光中使用抛光轮校正工件位置的理论方法,并通过实验在Φ230 mm熔石英样件上验证对刀理论,分别在X方向和Y方向以少于3次的调整次数校正工件位置,实现了X方向、Y方向偏置量均低于0.009 mm;采用磁流变抛光技术对工件进行了修形实验验证,加工后面形精度RMS由λ/7收敛至λ/40。实验结果表明:作者提出的非球面工件位置对刀校正方法简单、可靠,能够很好地对工件进行精确定位,利于高精度非球面磁流变抛光加工。     

磁流变抛光入口区域剪切力场形成机制数值分析

平面光学元件的浸入深度、凸球面光学元件的浸入深度、凸球面光学元件的曲率半径不同会使磁流变抛光入口区域剪切力场发生变化.为了研究磁流变抛光入口区域剪切力场的形成机制,建立磁流变抛光过程中必要的流体模型,对入口区域的几何特征进行分析;通过数值计算平面光学元件不同浸入深度、凸球面光学元件不同浸入深度、凸球面光学元件不同曲率半...     

磁流变抛光工艺参数的正交实验分析

对利用自行配制的水基磁流变抛光液和磁流变抛光实验样机进行了以抛光去除效率和表面粗糙度为考核指标的工艺实验。应用正交试验方法分析了磁流变抛光中主要工艺参数(磁场强度、抛光粉浓度、抛光盘的转速、抛光盘与工件间的间隙)对抛光去除效率和表面粗糙度的影响规律,并结合磁流变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。     

光学元件精密加工中的磁流变抛光技术工艺参数

为了充分掌握磁流变抛光中磁场强度、浸入深度、抛光轮转速、磁流变液水分含量等工艺参数对抛光结果的影响规律,以期提高元件的面形精度和表面的质量,在研究了磁流变抛光材料的去除数学模型的基础上,结合实验室的PKC100-P1型抛光设备,对上述的关键工艺参数分别进行了研究,设置了一系列的实验参数,进行了详细的实验探索,分析了单因素条件下材料的去除量以及元件表面质量同关键工艺参数的内在联系,得出了相应影响关系曲线。从关系曲线表明:工艺参数对抛光斑的去除效率以及被加工元件表面质量存在着明显的影响规律,掌握这些影响关系就能用于分析和优化磁流变加工的结果,为高精度光学表面的加工提供可靠的保障,同时实验的结果也很好地验证了磁流变抛光材料去除理论的正确性。     

磁流变抛光材料去除的研究

磁流变抛光是近十年来的一种新兴的先进光学制造技术 ,它利用磁流变抛光液在梯度磁场中发生流变而形成的具有粘塑行为的柔性“小磨头”进行抛光。被抛光光学元件的材料去除是在抛光区内实现的。首先简要阐述了磁流变抛光的抛光机理 ,然后利用标准磁流变抛光液进行抛光实验。研究了磁流变抛光中几种主要工艺参数对抛光区的大小和形状以及材料去除率的影响情况。最后给出了磁流变抛光材料去除的规律。     

抛光区域几何特征与流场创成关键参数关系

磁流变抛光在其实际工作过程中,抛光区域几何特征的不同将会对流场创成的关键参数产生很大的影响。针对此问题建立三维模型与实验仿真展开研究。在研究抛光区域几何特征与流场创成关键参数的关系时,先改变抛光区域形状,观察其对流场创成中剪切应力、压力产生的影响;再控制抛光区域的形状相同时,通过改变抛光区域尺寸大小,观察对流场创成中剪切应力、压力产生的影响。结果表明:当抛光区域形状不同时,抛光区域为凹面时剪切应力最大,抛光区域为凸面时剪切应力最小。当抛光区域形状为凸面时,抛光区域两边的剪切应力随着抛光区域曲率大小增大而增大;当抛光区域形状为凹面,抛光区域两边的剪切应力随着抛光区域曲率大小增大而减小。当抛光区域形状不同时,抛光区域为凹面时压力最大,抛光区域为凸面时压力最小。当抛光区域形状为凸面时,抛光区域处的压力随着抛光区域曲率增大而增大;当抛光区域形状为凹面时,抛光区域处的压力随着抛光区域曲率增大而减小。     

磁流变抛光去除函数获取的微分解耦方法

针对非球面光学元件连续变曲率的特点,提出了一种基于平面抛光斑演变获取非球面磁流变抛光去除函数的技术思路。通过分析磁流变抛光机理,建立了磁流变抛光多因素耦合作用模型。基于该模型提出磁流变抛光去除函数获取的微分解耦方法,实现对抛光斑形成机制中的几何因素解耦,发现当工艺条件变化较小时,在空间中的特定点处,去除效率的变化量与工件浸入深度的改变量呈线性关系。实验观测的20个点中,有17处决定系数在90%以上,另外3处在80%以上,峰值去除率和体积去除率演变的决定系数分别达到92%和94%,实验验证了这一结论。     

基于MHD的磁射流抛光中流场的分析与模拟

从理论上分析了磁射流抛光中的磁场与流场的相互作用,构建了磁射流抛光的冲击射流模型,基于磁流体动力学对磁射流抛光过程的紊动冲击射流进行数值模拟,得到了磁射流抛光过程的连续流场和射流在工件壁面上的压力、速度、紊动强度分布。通过比较射流抛光和磁射流抛光的数值计算结果,分析了磁流变效应对射流稳定性的影响,从射流的流场、速度、紊动强度等方面分析射流在磁场中稳定的原因。     

超光滑加工的后置处理算法研究

为了精确控制超光滑加工过程中磨头的运动轨迹,从而实现光学元件材料去除的均匀稳定,研究了超光滑加工的后置处理算法。分析了超光滑加工工艺的特点和相应的超光滑机床的机械结构,建立了机床的坐标系统,构造了机床的运动学模型。对于光学元件母线为任意平面曲线的情况,研究了磨头运动轨迹的等误差直线逼近算法。在曲率半径为290mm,相对口径为1∶2.9的凹球面上进行了超光滑加工实验。结果表明,利用所述算法可以精确地控制磨头的运动轨迹,从而保证材料去除的稳定性。     

基于梯度聚类离散思想的磁流变抛光自适应轨迹

针对磁流变抛光过程中抛光轨迹会引入迭代误差的问题,设计了步长和行距随光学表面梯度自适应变化的光栅线抛光轨迹。首先根据光学元件的表面误差分布,利用标准五点法获得面形各点的梯度值,再基于聚类离散思想将所有面形点根据梯度值大小进行了归类,从而得到轨迹步长和行距随面形误差变化的自适应轨迹。在自研的磁流变加工机床上进行了实验研究,将一块直径50mm的微晶玻璃,从峰谷值为65nm、均方根值为12nm收敛到峰谷值为21nm、均方根值为2.5nm,并且在加工后的表面功率谱密度曲线上没有出现明显的尖峰误差。实验结果表明,这种自适应轨迹能有效抑制中高频误差。     

一种高效率小口径非球面数控抛光方法

自主设计研制的非球面数控抛光机采用气囊式抛光工具,可抛光100mm以下的非球面光学零件,针对口径35mm凹非球面透镜(顶点曲率半径R=-108.14mm的双曲面),研究了非球面的抛光工艺,并确定了相关工艺参数,抛光时间大约为20min,第二次次抛光后元件面形精度达到1.08μm,满足了该零件的使用要求。相对于现有设备美国Precitich公司的Microfinish 300型CNC非球面抛光机,该抛光设备实现了中等精度要求的小口径非球面元件的高效数控抛光。目前该抛光机已经成功地应用于某光学系统非球面零件的批量生产中。     

Novel magnetorheological figuring of KDP crystal

A new process of magnetorheological figuring(MRF) based on the deliquescence theory is proposed to finish KDP crystals.A novel,non-aqueous,and abrasive-free magnetorheological(MR) fluid is explored,and polishing experiments are performed on a self-developed MRF machine.The removal mechanism is reckoned to be the result of a combination of dominant chemical etching and accessorial mechanical drag.The results indicate that the surface roughness of I plate KDP of 80 × 80(mm) polished by MRF is 1.2 nm(root mean square(RMS)),and the tool marks are completely removed.The surface accuracy by MRF is 0.035λ(RMS),and the low/middle-frequency errors are significantly corrected after MRF.     

高精度中小11径非球面修抛技术研究

为实现高精度中小口径非球面的加工，介绍了一种非球面修抛技术。基于Preston假设，将抛光过程描述成一个线性方程，计算得到材料的去除量与抛光时间、抛光压力和零件转速之间的函数关系。设计了整体修抛法和环带修抛法两种方法，在数控抛光的基础上，对口径为Ф117mm的凹抛物面和口径为Ф17mm凸双曲面进行修抛，修抛后非球面的面形精度PV值为0．184μm，RMS均小于0．032μm，达到了工程化应用要求，实现了中小口径非球面的高精度加工。     

光学面形的轮带光学抛光方法研究

鉴于光学零件高陡度凹曲面的抛光是光学加工的一个难题,轮带光学确定性抛光方法是解决此类零件抛光的有效方法之一;提出轮带光学抛光技术的原理和方法。研究了轮带光学抛光方法修形的可行性,采用五轴精密数控机床系统对一块直径Ф80 mm的K9玻璃平面样镜进行了修形试验,经过3次迭代修形使其面形精度均方根误差（RMS）由初始的0.109 提高到0.028 ,平均每次收敛率达到1.3。实验结果表明,应用轮带光学抛光技术进行光学镜面修形,面形收敛速度较快,加工精度较高。本实验验证了轮带光学抛光技术的修形能力,为高陡度光学零件的抛光提供了研究基础。     

几种参数对磁流变抛光的影响

以所建立的磁流变抛光的数学模型为基础 ,通过实验研究了抛光时间、运动盘的速度、工件与运动盘形成的间隙大小、磁场强度等参数对磁流变抛光的影响。具体做法是改变磁流变抛光的一种参数 ,而使其余的参数保持不变 ,得出该参数与磁流变抛光去除函数关系的曲线图 ,进而揭示了工件的材料去除函数随该参数的变化规律。