超硬微结构光学表面振动辅助抛光工艺研究

摘要

微结构光学功能表面有着传统光学表面所无法相比的优势和特性,广泛地应用在航天、电子、光学数字通信、微机器人和生物医疗行业中。随着对光学元件性能的要求不断提高,碳化硅和碳化钨等具有耐高温、耐腐蚀、高硬度、质轻等优良特性的硬脆材料正在逐步代替传统的模具钢材料,广泛应用于模具的生产中。玻璃模压技术是批量生产微结构光学元件的最经济手段,光学元件精度的保证需要依靠模具的加工质量,而抛光技术是保证模具加工质量的关键。本课题针对超硬微结构模具的抛光技术进行了研究,旨在保证模具精度的前提下提高抛光效率。
　　首先,本文搭建了集金刚石砂轮修整、圆弧槽微结构阵列磨削、抛光轮修整和(超声振动辅助)抛光于一体的实验平台,分析了实验系统的误差源及解决措施。通过单因素实验针对碳化硅材料选择了合适类型的抛光盘和抛光液。
　　然后,利用传统的抛光方法对碳化硅工件的圆弧槽微结构阵列进行了抛光实验,通过正交实验分析工件移动速度、抛光力、抛光时间、磨粒粒度、浓度、PH值六个因素对微结构的表面粗糙度、面形精度和材料去除率影响的显著性,并确定最佳的抛光工艺参数;然后通过单因素实验,研究了抛光轮转速、抛光力、工件移动速度、抛光时间对三个指标的影响规律。
　　最后,在超声振动条件下对圆弧槽微结构阵列进行了抛光实验,通过正交实验分析了超声波振幅、工件移动速度、抛光力、抛光时间、磨粒粒度、抛光液浓度六个因素对三个指标影响的显著性,并确定此条件下最佳的抛光工艺参数;通过单因素实验,研究超声波振幅和频率对微结构的表面粗糙度、面形精度和材料去除率的影响规律;对比分析在有无超声振动条件下抛光后工件的表面粗糙度、面形精度和材料去除率的改善程度;利用Matlab软件分别建立了有无超声振动条件下的材料去除率方程。
　　实验结果表明:在超声振动条件下,各因素对指标的影响顺序发生了变化,并且超声振动辅助抛光在提高微结构抛光效率的同时还能够有效地降低表面粗糙度、提高面形精度。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1课题来源及研究的背景和意义

1.2微结构表面抛光的研究现状

1.3超声振动辅助抛光的研究现状

1.4本课题的主要研究内容

第2章 实验平台的搭建及抛光盘和抛光液的选取

2.1引言

2.2实验平台的搭建

2.3工件材料和抛光材料的选取

2.4系统误差分析

2.5本章小结

第3章 圆弧槽微结构阵列的抛光实验研究

3.1引言

3.2抛光轮修整方案及材料去除量测量方案的设计

3.3正交实验方案设计及结果分析

3.4抛光参数对表面质量和材料去除率的影响分析

3.5本章小结

第4章 超声振动辅助抛光实验研究及材料去除率方程的建立

4.1引言

4.2超声振动辅助抛光实验平台的搭建

4.3实验方案设计及结果分析

4.4材料去除率方程的建立

4.5本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

声明

致谢