单晶硅曲面镜低损伤精密磨削及检测技术研究

摘要

单晶硅曲面光学元件在高能激光系统中具有重要作用，其加工的面形精度和损伤性能对系统的性能有较大影响。单晶硅曲面工件成形加工过程存在许多问题有待解决，而成熟的单晶硅平面镜的加工工艺并不适用于曲面成形。单晶硅又是典型的硬脆材料，普通磨削加工不能有效控制工件的亚表面损伤，使得后续的抛光工艺难以权衡加工效率、成本与最终加工精度之间的关系，因此需要将精密磨削作为普通磨削与抛光工艺之间的衔接。本文围绕误差源对曲面面形精度的影响和工艺参数对工件亚表面损伤的影响两个方面进行研究，以期解决单晶硅曲面工件加工过程中损伤抑制与面形精度提升的问题。研究主要内容包括：
　　（1）基于精密延性域磨削机理，分析单晶硅材料脆塑转变磨削特性，得到临界磨削力、临界切深和砂轮的最小转速等参数值，为后续工艺参数优选提供依据。
　　（2）研究影响单晶硅曲面工件成形精度的因素。通过建立对刀误差、砂轮磨损对加工精度的影响模型，得到对刀误差的误差形式和砂轮磨损规律，提出具体的中心对准原则和磨损补偿的迭代磨削的工艺路线。
　　（3）研究曲面磨削过程亚表面缺陷的分布规律。通过工艺实验，建立磨削力、亚表面缺陷深度与加工工艺参数之间的关系，得到抑制缺陷的最优加工参数。
　　（4）以直径195mm单晶硅凸抛物面为对象，进行加工实验。搭建在位测量平台并对其测量性能进行评价。根据在位测量结果，提出合理的补偿加工方案，最终加工工件表面粗糙度Ra值为0.081μm，面形精度PV值为3.77μm，亚表面缺陷深度约为3~5μm。

目录

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第一章 绪论

1.1 课题来源与意义

1.2 单晶硅材料的精密磨削概述及研究现状

1.3 论文主要研究内容

第二章 单晶硅精密磨削材料去除机理研究

2.1 磨削基本理论概述

2.2 单晶硅材料延性域磨削的实现条件分析

2.3 曲面单晶硅精密磨削形式选择

2.4 本章小结

第三章 曲面单晶硅磨削面形精度影响分析

3.1 面形精度的影响因素

3.2 对刀误差对面形精度的影响分析

3.3 砂轮磨损对面形精度的影响分析

3.4 砂轮修整工艺与震颤控制

3.5 迭代磨削工艺路线

3.6 本章小结

第四章 曲面单晶硅磨削亚表面缺陷分布规律研究

4.1 亚表面缺陷的检测手段

4.2 不同工艺参数下磨削力的变化规律

4.3 不同工艺参数下缺陷深度的变化规律

4.4 本章小结

第五章 高精度低损伤工艺优化磨削实验

5.1 实验方案与工艺规划

5.2 在位测量与补偿加工

5.3 实验结果与分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果