环带抛光技术材料去除理论模型研究

为了更加完善环带抛光技术并指导加工,根据Preston方程建立了材料去除量的理论模型。考虑到环带抛光技术中的诸影响因素,如抛光盘与工件之间的转速比、偏心距及压强分布等参数,建立材料去除量与各影响因素之间的相互关系的数学模型。理论分析和实验结果表明：材料的去除效率随转速比和偏心距增加而增大,转速比越接近于1时,磨削越均匀;工件露边时,工件露出部分材料的去除效率急剧下降。通过对该理论模型中的相关技术参数研究来完善环带抛光技术,有效地提高抛光的效率及稳定性。     

抛光工艺参数对熔石英元件低频面形精度的影响

根据工件与抛光盘的相对运动关系及熔石英元件抛光加工材料去除模型,系统分析了转速比和偏心距等参数对材料去除函数的影响。通过理论分析和抛光加工实验,研究了不同工艺参数对低频段面形精度的影响规律。利用高分辨率检测仪器对熔石英元件低频面形误差进行了检测,优选出较佳的抛光工艺参数组合,并进行了相应的实验验证,提出了提高光学元件抛光加工低频面形质量的相应措施。     

双轴式研磨抛光中抛光盘相对位置对去除量的影响研究

为了了解在抛光过程中抛光盘位置对光学元件面形的影响,对一种双轴式平面研磨抛光运动过程进行了分析。从Preston方程出发,推导了去除函数的表达式,研究了抛光盘的摆幅及偏心距离对元件的去除量分布的影响。通过定量计算得知,在加工转速不变的情况下,增大抛光盘的摆幅,元件不同圆周上的去除量也不同。增大偏心距,元件的去除量增大,不论抛光盘相对元件的位置如何改变,回转中心的去除量总是最大。     

液浮法抛光优化技术

一种新的光学元件表面抛光工艺—液浮抛光技术,采用具有剪切增稠效应的非牛顿流体作为抛光液,流体在抛光区域形成液膜,实现对工件表面高效、低损伤的加工。以材料去除量以及工件表面粗糙度作为评价指标,利用正交实验法对K9玻璃抛光过程中的四个关键影响因素:磨粒质量分数、磨头入口压强、磨头重力、剪切增稠相中分散相的质量分数进行实验分析,得到一组最优参数组合以及各主要影响因素对抛光效果的影响程度。对于工件表面粗糙度,采用极差法得出各因素对整个工件的影响程度的主次顺序为(主→次):二氧化硅质量分数、磨头重力、入口压强、磨粒质量分数,最佳参数组合为:磨粒氧化铈质量分数为14%,入口压强为0.3MPa,剪切增稠相中分散相二氧化硅质量分数为9%,磨头重力为34.3kg;对于材料去除量分布,经过90min的抛光,其平均去除量为0.2μm。     

抛光垫磨损非均匀性研究

抛光垫是化学机械抛光的重要组成部分,其磨损的非均匀性对被加工工件面型精度和抛光垫修整有重要影响。基于直线摆动式抛光方式,研究了抛光过程中抛光垫与工件的相对运动,建立了抛光垫磨损模型,分析了抛光工艺参数对抛光垫磨损及均匀性的影响。研究结果表明,工件与抛光垫的转速比为1.11,正弦偏心直线摆动形式,摆动幅度系数为2,摆动频率系数在0.1~0.2之间,抛光垫表面磨损更均匀,并根据抛光垫表面磨损特性优化了抛光垫形状。优化的抛光垫具有更好的面型保持性,延长了修整间隔,为抛光工艺设计提供理论指导。     

平面光学元件研磨抛光磨粒运动轨迹曲率研究

为提高研磨抛光加工表面质量,利用Matlab软件编制程序对不同参数下轨迹曲线曲率进行计算分析。结果表明,转速比对磨粒运动轨迹曲线曲率影响很大;相同转速比下的曲线曲率呈现周期性变化,曲率变化幅值很小;磨粒径向距离越大,曲率变化越剧烈,工件边缘处容易产生曲率突变;考虑到对磨粒径向距离的影响,偏心距不宜太大或太小。同时,磨粒初始角度对磨粒轨迹曲线曲率形状没有影响。该研究可为研磨抛光设备的设计提供理论指导。     

基于非牛顿流体新型液浮法抛光技术研究

提出一种新的柔性抛光技术——液浮法抛光，通过软件仿真及实验对其进行探索性研究。针对抛光液为具有剪切增稠效应的流体，利用软件对该类液体的液浮法抛光技术模型进行流场分析，得到液浮抛光模型的流场压强、剪切力分布情况。仿真结果表明，液浮抛光技术对被加工件表面具有一定的剪切效果，可以实现对工件材料的去除。搭建实验平台，设计一组实验，其中配置以粒径12 nm的二氧化硅为溶质，分子量200的聚乙二醇为溶剂的非牛顿幂律流体作为抛光液的剪切增稠基液(其中二氧化硅质量分数为9 %)，加入质量分数为18 %的氧化铈作为磨料的抛光液，对于初始粗糙度为23.97 nm的K9玻璃经过90 min的抛光，其粗糙度可达到1.023 nm，实验结果表明，该技术可用于光学元件的抛光加工。     

浴法抛光中抛光粉粒径对去除效果影响的试验研究

为了分析抛光粉粒径对材料去除效果的影响,选用不同的平均粒径以及不同比例混合氧化铈抛光粉分别对K9玻璃进行了抛光试验。对抛光后的工件表面粗糙度及去除量进行了定量研究。结果表明,在试验条件相同的情况下,不同平均粒径的抛光粉,粒径越小,抛光后的元件表面粗糙度越好。从使用不同比例的混合抛光粉试验中可以看出,粒度的均匀性是影响工件表面粗糙度的重要因素。结合抛光粉粒度分布图和试验结果可以看出,抛光粉粒子的分布范围越小,以及各粒径大小分布在峰值附近的粒子所占体积百分比越接近,加工后的工件表面粗糙度越小。     

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。     

基于环摆式双面抛光法加工预测模型的去除均匀性研究

针对环摆式双面抛光难以建立稳定去除函数并进行加工面型预测这一问题,提出了基于磨粒运动学的环摆式双面抛光加工预测模型,并通过预测模型分析不同参数影响下元件表面去除均匀性,针对不同特征面型给出优化策略以指导加工实验。首先,根据环摆式双面抛光机理,探究了环摆式双面抛光中影响去除均匀性的主要因素,提出了元件上、下表面磨粒运动学模型,结合Preston方程给出了基于磨粒运动学的环摆式双面抛光去除均匀性预测模型。根据实际加工工况,分析了不同抛光均匀性影响因素下的磨粒轨迹分布与抛光去除非均匀性,最后通过加工实验验证环摆式双面抛光加工预测模型。实验结果表明：环摆式双面抛光加工预测模型的预测结果与实际加工结果基本吻合,其面型去除特征相同。元件上表面是元件去除非均匀性的主要来源,通过改变中心偏心距、径向摆动距离等参数能改变元件上表面的去除非均匀性,从而影响元件整体面型特征,并实现基于预测模型指导下元件表面面型的快速收敛。     

大口径非球面元件可控气囊抛光系统

根据大口径非球面光学元件的实际加工需要,设计并制造可控气囊抛光系统,并对机构进行运动学仿真,仿真结果表明,气囊自转轴的运动空间可以满足大口径非球面光学元件的连续进动加工要求。为了证明所设计系统的可加工性,以直径320 mm的圆形平面光学元件进行加工实验。经过该气囊抛光工具24 h的抛光后,工件达到较好的面型精度,光学元件的表面粗糙度由0.272减小到0.068(＝632.8 nm), PV值从1.671降低到0.905。对光学元件的实际加工实验结果表明:可控气囊抛光系统在加工过程中结构稳定性好,符合设计要求,可有效提高加工工件面型精度。     

Effect of the geometry of workpiece on polishing velocity in free annular polishing

Base on Coulomb friction model, the workpieces with different geometry rotating in free annular polishing are simulated. From simulation, the following conclusions are drawn. The angular velocity of workpiece is higher than that of polishing pad if the ring rotates uncontrolled in free annular polishing. The circular workpiece can synchronize with polishing pad through controlling the rotation of ring, which depends on the radii of ring and workpiece, the friction coefficients of polishing pad-workpiece and ring-workpiece,and the angular velocity of polishing pad. The workpiece with sharp corner cannot contact with the ring contiguously, which causes the contact state changing and the angular velocity of workpiece fluctuating ceaselessly, and this type of workpiece should be controlled with clamp to rotate synchronistically with the polishing pad.     

Investigation of the surface generation mechanism of mechanical polishing engineering ceramics using discrete element method

Machining technology about ceramics has been developed very fast over recent years due to the growing industrial demand of higher machining accuracy and better surface quality of ceramic elements, while the nature of hard and brittle ceramics makes it difficult to acquire damage-free and ultra-smooth surface. Ceramic bulk can be treated as an assemblage of discrete particles bonded together randomly as the micro-structure of ceramics consists of crystal particles and pores, and the inter-granular fracture of the ceramics can be naturally represented by the separation of particles due to breakage of bonds. Discrete element method (DEM) provides a promising approach for constructing an effective model to describe the tool–workpiece interaction and can serve as a predicting simulation tool in analyzing the complicated surface generation mechanism and is employed in this research to simulate the mechanical polishing process of ceramics and surface integrity. In this work, a densely packed particle assembly system of the polycrystalline Si₃N₄ has been generated using bonded-particle model to represent the ceramic workpiece numerically. The simulation results justify that the common critical depth of cut cannot be used as the effective parameters for evaluating brittle to ductile transformation in ceramic polishing process. Therefore, a generalized criterion of defining the range of ductile regime machining has been developed based on the numerical results. Furthermore, different distribution of pressure chain is observed with different depth of cut which ought to have intense relationship with special structure of ceramics. This study also justified the advantage of DEM model in its capability of revealing the mechanical behaviors of ceramics at micro-scale.     

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。     

永磁流变抛光纳米精度非球面技术研究

利用永磁流变抛光技术制造高精度光学元件是一项极具前景的超精密制造技术。对一台五轴联动磁流变数控抛光系统的结构特点、功能特色及关键部件的设计进行了阐述。在此基础上,结合装置开展基础试验,对磁流变抛光过程中的主要控制参量如抛光轮下压量、抛光轮速度等对材料去除特性的影响进行了研究。开展了磁流变抛光对提高工件(K9玻璃)表面粗糙度效果的抛光试验,结果证明该套系统具有良好的磁流变抛光特性,抛光23min后工件表面粗糙度降低到0 6739nm。     

环形抛光中频误差的计算模拟北大核心CSCD

通过建立环形抛光的去除模型,从理论上分析了转速比、槽形、元件摆动对于抛光结果的影响,并分析了中频误差产生的原因。模拟结果表明:转速比的差异会产生较大的低频误差,而中频误差会随着低频误差的降低而降低;槽形是中频误差的主要来源,复杂的非对称不规律槽形使抛光路径复杂化,降低中频误差;同时元件的小幅度摆动能够使抛光更加均匀,减小定心式抛光造成的元件表面规则状纹路结构,从而有效减小元件的中频误差。     

液体喷射抛光时各工艺参数对材料去除量的影响

以实验为基础,研究了液体喷射抛光技术的各工艺参数,包括喷射角、工作压力、工作距离和作用时间等参量对工件材料去除的影响。获得了它们之间的关系曲线;得出了工件材料去除的规律;确定了液体喷射抛光时的最佳参数组合。为进一步研究液体喷射抛光时各工艺参数对工件表面粗糙度的影响奠定了基础。