微小球面和非球面元件的纳米级磨削加工技术研究

论文摘要

随着科学技术的快速发展,微小球面和非球面元件在航空航天、光电系统、数码产品等领域的应用日益广泛。然而,这些关键元件,特别是玻璃模压用模具的表面质量要求极高,通常选用具有高硬度、耐磨损和化学稳定性好的难加工超硬脆材料。传统的加工方法是结合磨、抛来获得较高的加工精度。但是,该方法效率低、成本高,而且尺寸精度难以保证。随着超精密磨削技术的快速发展,采用超精密磨削可以提高加工精度,缩短甚至去除研磨抛光工序。因此研究典型微小球面和非球面的纳米磨削加工技术,具有重要的现实意义。本文在综合分析了硬脆材料微小球面和非球面超精密磨削加工发展现状的基础上,总结了纳米级精度磨削的关键技术。对比分析了应用于微小球面和非球面元件的典型磨削加工方法,结合工件的结构特点制定了合理的磨削方法:针对TN85半球偶件采取组合磨削法,即成形磨削法和法向磨削法;针对碳化钨模具以及光学玻璃非球面元件,采用法向磨削法。其次,针对超精密磨削中砂轮的磨损而导致工件表面精度恶化等问题,开展了金刚石砂轮的修整实验研究。采用对滚法分别对砂轮的周向和径向进行修整,得到了满足磨削要求的尺寸精度和磨粒出刃度。另外,根据材料特性、机床精度以及工件结构确定了合适的粗精加工磨削参数,并结合在位测量与补偿技术,开展TN85半球偶件、硬脆玻璃和碳化钨模具磨削实验。结果表明,采用本次实验的磨削方法以及磨削参数,可以获得纳米级的表面粗糙度Ra和亚微米级的面形精度。最后,进一步分析了工件表面的形成机理。结果表明,材料特性如硬度和显微组织结构是影响工件表面质量的关键因素;其次,工件被加工点的相对速度对表面质量的分布也有较大的影响。另外,本文研究了磨削微小球面和非球面元件时砂轮的磨损及其对表面精度的影响。结果表明,结合剂类型和材料特性如硬度、组织结构对砂轮的使用寿命和主要磨损形式有很大影响。此外,树脂结合剂金刚石砂轮容易磨损导致尺寸变化而影响工件的表面精度,需要定期修整。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 微小球面非球面超硬脆超精密磨削研究现状
• 1.2.1 硬脆材料的超精密磨削研究现状
• 1.2.2 微小球面非球面超精密磨削研究现状
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 微小球面非球面的磨削方法研究
• 2.1 引言
• 2.2 被加工零件的材料特性及几何结构
• 2.2.1 金属陶瓷TN85 半球偶件
• 2.2.2 碳化钨非球面模具
• 2.2.3 光学玻璃BaK7 和微晶玻璃
• 2.3 磨削方法设计
• 2.3.1 磨削方法对比分析
• 2.3.2 TN85 半球偶件磨削方法
• 2.3.3 碳化钨模具及光学元件磨削方法
• 2.4 本章小结
• 第3章 砂轮修整及磨削实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 修整实验
• 3.3 磨削实验
• 3.3.1 确定磨削参数
• 3.3.2 在位测量与误差补偿技术的应用
• 3.4 本章小结
• 第4章 纳米级磨削加工结果分析
• 4.1 引言
• 4.2 工件表面质量检测
• 4.3 工件表面形成机理分析
• 4.3.1 TN85 半球偶件表面形成机理分析
• 4.3.2 碳化钨模具表面形成机理分析
• 4.3.3 微晶玻璃和BaK7 表面形成机理分析
• 4.3.4 工件表面形成机理对比分析
• 4.4 工件被磨削点的相对速度对表面质量的影响
• 4.5 微型砂轮磨损机理分析
• 4.5.1 材料特性对砂轮磨损的影响
• 4.5.2 结合剂类型对砂轮磨损的影响
• 4.5.3 砂轮磨损总结
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢