小口径非球面斜轴磁流变抛光关键技术研究

摘要

近年来，随着高性能非球面光学产品在航空航天、光电通讯、武器装备等领域的广泛应用，小口径非球面光学零件的需求量持续增长，其精度要求也日益提高。小口径非球面常采用超精密车削和磨削进行加工，但是车削和磨削会在加工表面残留加工痕迹和加工缺陷，因此需要后续的超精密抛光来提高表面质量。由于小口径非球面狭小的加工空间和高质量的光学表面要求，采用传统的抛光方法难以加工。针对上述问题，本文将磁流变抛光方法引入到小口径非球面抛光中，并结合小口径非球面的加工特点，研究出适合小口径非球面加工的斜轴磁流变抛光技术。同时将其与传统的超精密车削和磨削相结合，形成超精密车削与斜轴磁流变抛光以及超精密磨削与斜轴磁流变抛光两种组合加工工艺，实现对小口径非球面的高效、高精加工。
　　本文的研究工作主要包括以下内容:
　　分析了小口径非球面的特征和应用需求，综述小口径非球面超精密车削、磨削、抛光的现状，探讨目前小口径非球面超精密抛光加工中存在的问题，并提出相应的解决措施。
　　提出了小口径非球面斜轴磁流变抛光方法，分析其加工原理，并建立加工路径控制数学模型，探讨小口径非球面抛光过程中的曲率干涉和刀杆干涉问题，并建立抛光过程中的几何干涉数学模型。研究斜轴磁流变抛光去除机理，分析流体动压力、磁化压力等参数对抛光的影响，并建立斜轴磁流变抛光去除数学模型。为小口径非球面斜轴磁流变抛光工艺的应用提供理论基础。
　　研制了小口径非球面斜轴磁流变抛光装置，并对斜轴磁流变抛光头内部励磁磁场进行有限元仿真分析。试验研究了抛光头的去除性能以及加工区域的磁场大小。为小口径非球面斜轴磁流变抛光的实现提供切实可行的加工装置。
　　分析了磁流体、磁流变液、复合磁流体等三种磁性抛光液的稳定性、成链性、粘性、抛光性能等基本性能，配置出兼具高稳定性和高剪切去除特性的复合磁流体。试验分析基于纳米金刚石和微米氧化铈复合磨粒的磁流变抛光性能。为非球面斜轴磁流变抛光的实现提供性能优良的抛光液。
　　将小口径非球面的超精密车削、磨削与斜轴磁流变抛光有机结合，研制了超精密车削与斜轴磁流变抛光以及超精密磨削与斜轴磁流变抛光两种组合加工工艺和装置，并对碳化钨和不锈钢小口径非球面分别进行了试验研究。

目录

声明

摘要

插图索引

插表索引

物理符号含义对比表

第1章 绪论

1．1 课题来源及意义

1．1．1 课题来源

1．1．2 课题研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 小口径非球面加工技术概况

1．2．2 小口径非球面加工中存在的问题及解决方法

1．3 课题的研究思路及主要研究内容

1．3．1 研究思路

1．3．2 主要研究内容

1．4 本章小结

第2章 斜轴磁流变抛光基本理论

2．1 引言

2．2 斜轴磁流变抛光原理及路径控制

2．2．1 抛光原理

2．2．2 路径控制

2．3 斜轴磁流变抛光几何干涉分析

2．3．1 干涉模型

2．3．2 分析与求解

2．4 斜轴磁流变抛光去除分析

2．4．1 去除模型

2．4．2 分析与求解

2．5 本章小结

第3章 小口径非球面磁流变斜轴抛光装置设计及仿真

3．1 引言

3．2 斜轴磁流变抛光装置的设计

3．2．1 结构总体设计及主要性能参数

3．2．2 磁流变液循环装置

3．3 斜轴磁流变抛光头的设计

3．3．1 励磁装置设计与仿真

3．3．2 抛光头结构设计与性能测试

3．4 本章小结

第4章 复合磁流体的配置及其性能测试

4．1 引言

4．2 磁性抛光液概述

4．3 复合磁流体

4．3．1 复合磁流体的配置

4．3．2 流体性能分析

4．3．3 纳米金刚石磨粒复合磁流体

4．4 本章小结

第5章 小口径非球面超精密磨削和斜轴磁流变抛光组合加工试验研究

5．1 引言

5．2 磨抛组合加工原理及装置

5．2．1 磨抛组合加工装置

5．2．2 超精密固定点磨削

5．3 碳化钨斜轴磁流变抛光工艺试验

5．3．1 试验方案的设计

5．3．2 试验结果及讨论

5．4 碳化钨非球面组合加工工艺

5．4．1 碳化钨非球面超精密磨削

5．4．2 碳化钨非球面斜轴磁流变抛光

5．5 碳化钨材料亚表面损伤及其检测

5．5．1 亚表面损伤产生机理及测试方法

5．5．2 碳化钨磨削亚表面损伤研究

5．6 本章小结

第6章 小口径非球面超精密车削和斜轴磁流变抛光组合加工试验研究

6．1 引言

6．2 车抛组合加工

6．2．1 车抛组合加工原理及装置

6．2．2 超精密车削

6．3 不锈钢非球面组合加工工艺

6．3．1 不锈钢非球面超精密车削

6．3．2 不锈钢非球面斜轴磁流变抛光

6．4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的论文及申请专利

附录B 攻读学位期间参与的研究课题