微小光学元件磁流变斜轴研抛装置开发及其加工特性研究

摘要

微小光学元件的制造主要拥有超精密机械加工和热压成型两种技术,其中热压成型作为一种复制技术,是一种适合批量生产的低成本技术。无论是超精密加工直接获得的微小光学元件,还是热压成型所需的模具,均需要后续的光整加工,以进一步提表面质量和面型精度,以达到应用要求。
　　 磁流变研抛技术(MRF)是一种新型的柔性光整加工技术,具有易控制、去除函数稳定、无亚表面损伤等优点。针对微小光学元件及模具的光整加工,结合磁流变研抛特点,本文对磁流变斜轴研抛工艺进行了研究,以实现对微小光学元件(Φ10mm口径以下)的光整加工。
　　 本课题来源于国家863课题(非球面超精密复合加工机床原型样机的研制)、国家自科基金中澳合作基金项目(微光学元器件的纳米制造技术)以及国家科技支撑计划重点项目(车用光学透镜及模具超精密研磨加工装置与工艺),论文主要围绕如下有关磁流变斜轴研抛装置开发和工艺研究进行展开:
　　 (1)从现有的磁流变研抛基本理论和相关资料文献出发,概括总结了磁流变研抛的基本原理和理论模型,并根据微小光学元件的加工特点,研究了针对微小光学元件光整加工的磁流变斜轴研抛工艺。
　　 (2)根据微小光学元件的加工特点和磁流变研抛原理,研发了磁流变斜轴研抛装置。详细介绍了装置的总体结构布局、电源单元设计、循环系统设计以及实现微小光学元件、微小模具研抛的磁性研抛工具头设计构造。根据研抛路径对研抛后质量的影响,针对微小非球面的磁流变斜轴研抛进行了路径规划。
　　 (3)根据磁流变研抛液的特性,分析了磁流变研抛液各组成成分对其稳定性、流变性、离散性、研抛性能的影响。根据分析结果确定了各组成成分的比例,配置了优质磁流变研抛液,并利用配置的磁流变研抛液进行了工艺试验,证明其有良好的研抛效果。
　　 (4)利用磁流变斜轴研抛装置和配置的磁流变研抛液进行了工艺试验,分别对平面K9玻璃元件、红铜非球面、碳化钨非球面模具、单晶硅非球面光学元件进行了研抛,研抛后的K9玻璃表面质量达到良好效果,红铜非球面、碳化钨非球面、单晶硅非球面的表面质量和形状精度都得到了提高。