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磨削加工過程中砂輪與工件幾何接觸弧長、未變形切削厚度、殘留高度以及各種誤差的影響，通過理論分析與實(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刀誤差對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。通過工藝實(shí)驗(yàn)，研究修整參數(shù)對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，為磨削加工過程提供了工藝參數(shù)匹配關(guān)系的選擇依據(jù)。通過磨削加工實(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)。
　　修整和磨削加工過程的信號監(jiān)測技術(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程，搭建了基于旋轉(zhuǎn)聲發(fā)射傳感器的聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)。分析處理了修整過程的原始聲發(fā)射信號，并提取修整過程的特征值信號，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