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非球面透镜的材料可加工性及其磨削加工的实验研究

姚光  
【摘要】:随着科技的不断发展,非球面光学元件凭借其优良的光学特性广泛应用于军事战争装备及民用光电产品的领域中。由于红外探测和红外制造技术日渐成为现代战争的重要技术手段,因此具备先进性能的红外非球面光学元件的研制与加工已成为当前研究热点。单晶硅和硫化锌材料为常用的红外窗口和整流罩材料,二者均为脆性材料。为了获得高质量的非球面光学元件,首先通过压痕和刻划实验分别对两种材料的磨削可加工性进行分析,然后采用超精密磨削技术实现高精度高效率加工。 本课题首先对单晶硅和硫化锌材料进行微/纳米压痕实验,测定材料的硬度、断裂韧性和临界切削深度等物理力学参数,为其磨削加工提供参数依据;由纳米压痕实验获得的载荷-深度曲线建立材料的本构模型,通过压痕仿真揭示实验过程中硫化锌材料内部的应力变化及分布,并对显微压痕形貌作出进一步解释,同时研究不同载荷及压头形状对材料内部应力的影响。然后进行了单颗粒金刚石刻划实验和仿真,并对刻划后的工件进行角度抛光,通过扫描电子显微镜观察划痕表面形貌和亚表层损伤,结果表明硫化锌材料可实现塑性域去除,亚表层损伤的主要形式为位错。 基于以上磨削可加工性的分析结果,采用正交实验方法,对硫化锌进行平面磨削,分析磨削深度、砂轮转速及工作台进给速度对磨削力及表面粗糙度、面形精度的影响趋势,并对三种影响因素进行优化确定最佳磨削工艺参数,为非球面磨削实验提供参数依据。 最后,选用最佳工艺参数,在超精密非球面加工机床上进行单晶硅的非球凸面和硫化锌的非球凹面磨削实验,分析工件的表面形成机理,结果表明:硫化锌材料的垂直轴非球面磨削加工精度较低,磨削表面的损伤形式多样化;单晶硅的非球面磨削加工精度较高,磨削表面只有微崩碎。


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