基于混合结合剂金刚石砂轮的光学玻璃超精密磨削研究

论文摘要

随着民用和国防光学系统对高精度的光学元件需求的增加,在保证质量的前提下,光学元件的高效加工技术成为光学制造业研究的热点问题,在这一背景下混合结合剂金刚石砂轮高效磨削技术具有广泛的应用前景。混合结合剂金刚砂轮结合剂由金属和树脂混合组成,经电解修整后,表层金属溶解形成一层具有弹性的树脂基磨削层,而内部的结合剂仍然保持高刚度的金属-树脂混合基体,这使得混合结合剂砂轮在保证磨削面型精度的前提下能够得到较好的表面/亚表面质量。大磨粒金刚石砂轮具有磨削效率高、耐磨损能力强和尺寸精度保持性好的优点。综合以上二者优点的大磨粒混合结合剂金刚石砂轮在光学玻璃高效磨削方面有着明显的优势。本文采用两种不同粒度的铜-树脂混合结合剂金刚石砂轮在MGA1432A高精密外圆磨床对BK7光学玻璃进行了磨削加工试验,并且在前人研究的基础之上对混合结合剂金刚石砂轮的修整机理进行了进一步分析和实验。分别使用原子力显微镜、白光干涉仪、轮廓仪等设备对混合结合剂金刚石砂轮磨削试件的表面粗糙度和面型精度做了测量,并分析了不同测量设备、不同测量范围和砂轮粒度对表面粗糙度值和表面形貌的影响;并分析了磨削深度对材料去除机理的影响。采用磁流变抛光法、截面显微法、角度抛光法对亚表层损伤的深度和形式进行了测量和分析;对比了不同砂轮粒度对亚表层损伤深度产生的影响,使用图像处理技术对亚表层损伤的密度沿深度方向的分布进行了分析,指出了亚表层损伤集群深度和最大深度对光学加工的意义;最后建立了基于表面粗糙度PV值的亚表层损伤深度预测模型。以上分析表明,大磨粒混合结合剂金刚石砂轮表面粗糙度和亚表层损伤深度比细磨粒金刚石砂轮的磨削结果稍大,两者差别并不显著;前者磨削表面的面型精度要明显好于后者。因此,可以说明经过精密修整的大磨粒混合结合剂金刚石砂轮能够实现对光学玻璃的高效精密磨削,并获得高质量的磨削工件。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 国内外的研究现状
• 1.2.1 硬脆材料的塑性域磨削的发展
• 1.2.2 光学玻璃表面/亚表面检测技术的发展
• 1.3 本文的研究内容
• 第2章 光学玻璃的混合结合剂金刚石砂轮磨削加工
• 2.1 引言
• 2.2 硬脆材料的去除机理
• 2.2.1 硬脆材料的去除的脆塑性转变理论
• 2.2.2 硬脆材料的去除的脆塑性转变条件
• 2.3 光学玻璃试件的磨削加工试验
• 2.3.1 试验机床
• 2.3.2 砂轮及砂轮的修整
• 2.3.3 BK7 玻璃样件
• 2.3.4 光学玻璃元件的磨削加工工艺路线的选择
• 2.4 小结
• 第3章 表面质量检测及结果分析
• 3.1 引言
• 3.2 光学玻璃试件的表面质量检测
• 3.2.1 使用触针式轮廓仪对表面质量的检测
• 3.2.2 使用原子力显微镜对表面粗糙度及形貌的测量
• 3.2.3 使用白光干涉仪对表面粗糙度及形貌的测量
• 3.3 表面粗糙度及表面形貌测量结果的分析
• 3.3.1 不同测量范围的测量结果对比
• 3.3.2 三种测量设备测量结果对比
• 3.3.3 表面粗糙度及形貌沿光学表面径向的分布
• 3.4 磨削参数对光学元件面形精度的影响
• 3.4.1 砂轮粒度对面形的影响
• 3.4.2 磨削形式对面型的影响
• 3.5 磨削参数对材料去除机理的影响
• 3.5.1 磨削深度对材料去除机理的影响
• 3.5.2 砂轮粒度度对材料去除机理的影响
• 3.6 小结
• 第4章 亚表层损伤检测及结果分析
• 4.1 引言
• 4.2 亚表层损伤的模型及其产生的机理
• 4.2.1 亚表面损伤的模型
• 4.2.2 亚表面损伤产生的机理
• 4.3 亚表层损伤的检测
• 4.3.1 磁流变抛光法检测
• 4.3.2 截面显微法检测
• 4.3.3 角度抛光法检测
• 4.4 材料特性和砂轮粒度对亚表层损伤的影响
• 4.4.1 材料特性对亚表层损伤的影响
• 4.4.2 砂轮粒度对亚表层损伤深度的影响
• 4.4.3 砂轮粒度对亚表层损伤密度的影响
• 4.5 利用SSD/SR模型对亚表面损伤深度的预测
• 4.6 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢