菲涅尔微结构模芯精密磨削的砂轮磨损和工艺优化研究

摘要

轴对称微结构光学功能元件以其小型、轻量、集成性好等特点，在先进光学系统中得到日益广泛的应用。目前正大力发展玻璃模压技术以实现微结构光学元件的大批量复制加工。但是工具的磨损限制了超硬模芯的加工效率与精度。本课题针对玻璃模压所需的碳化硅菲涅尔微结构模芯，通过研究模芯磨削中的砂轮磨损问题以及优化砂轮尖端角度和磨削工艺参数，以实现菲涅尔微结构模芯的高效高精度加工。
　　使用树脂结合剂金刚石V形砂轮磨削碳化硅菲涅尔微结构表面，进行了砂轮磨损的基础实验研究，并分析了砂轮磨损形式。针对砂轮磨损引起的菲涅尔微结构中心残留凸台、台阶底角圆弧，台阶顶角过切等现象，进行了MATLAB仿真研究。通过理论分析及磨削实验，分析砂轮磨损对菲涅尔微结构面形精度和表面粗糙度的影响。
　　选择了三种角度（45°、60°和75°）的V形砂轮进行碳化硅菲涅尔微结构的磨削加工实验，对砂轮尖端角度进行了优选研究。通过对比不同磨削阶段的砂轮磨损量、工件去除量及磨削比，研究砂轮尖端角度对砂轮抗磨损性能的影响。通过比较不同尖角砂轮磨削的菲涅尔微结构的面形精度和表面粗糙度，分析砂轮尖端角度对磨削加工精度的影响。
　　设计单因素工艺参数磨削直线槽实验，分析了磨削宽度及水平方向进给速度对工件表面质量的影响。计算不同磨削工艺参数的磨削力和材料去除速率，选取磨削力与材料去除速率的比值来表征砂轮在该磨削工艺参数下的抗磨损性能。然后，通过扫描电子显微镜观察对比不同磨削工艺参数磨削的直线槽表面质量，优化磨削工艺参数。
　　采用优化后的磨削工艺参数加工碳化硅菲涅尔微结构，工件表面粗糙度Ra小于10 nm，面形误差小于1μm，达到了微结构模芯所需的精度指标。说明通过砂轮磨损和工艺优化研究，成功地提高了菲涅尔微结构模芯的加工精度。

目录

第1章 绪论

1.1课题来源及意义

1.1.1 课题来源

1.1.2 课题意义

1.2国内外研究现状及分析

1.2.1硬脆材料微结构表面超精密磨削加工

1.2.2砂轮磨损主要形式

1.3主要研究内容

第2章 砂轮磨损对菲涅尔微结构磨削加工精度的影响研究

2.1引言

2.2砂轮磨削菲涅尔微结构磨损形式分析

2.2.1砂轮磨损的主要形式概述

2.2.2砂轮磨削菲涅尔微结构磨损实验研究

2.3砂轮磨损对菲涅尔微结构面形精度的影响分析

2.3.1砂轮磨削菲涅尔微结构面形精度理论分析

2.3.2砂轮磨削菲涅尔微结构面形精度实验研究

2.4砂轮磨损对菲涅尔微结构表面粗糙度的影响分析

2.4.1工件表面粗糙度

2.4.2砂轮磨损对表面粗糙度的影响

2.5本章小结

第3章 针对砂轮磨损的砂轮尖端角度优化实验研究

3.1引言

3.2 V形树脂结合剂金刚石砂轮的精密修整

3.2.1修整实验平台的搭建

3.2.2修整实验的设计

3.3不同尖角砂轮磨削菲涅尔微结构实验设计

3.4不同尖角砂轮磨削性能分析

3.4.1砂轮磨损量的分析

3.4.2工件去除量的分析

3.4.3磨削比的分析

3.5不同尖角砂轮磨削工件表面质量分析

3.5.1磨削菲涅尔微结构面形精度分析

3.5.2磨削菲涅尔微结构表面粗糙度分析

3.6本章小结

第4章 磨削工艺参数优化实验研究

4.1引言

4.2磨削工艺参数对磨削力的影响研究

4.2.1磨削力

4.2.2未变形磨屑最大厚度

4.2.3磨削碳化硅直线槽实验

4.2.4 磨削实验及数据采集与处理

4.2.5磨削工艺参数对磨削力的影响分析

4.3磨削工艺参数对直线微槽加工质量的影响

4.3.1磨削宽度对表面质量的影响

4.3.2水平方向进给速度对表面质量的影响

4.4菲涅尔微结构磨削工艺参数优化及验证

4.5本章小结

结论

参考文献

声明

致谢