碳化硅菲涅尔微结构的激光-超精密磨削工艺技术基础

摘要

作为典型的微结构光学元件，菲涅尔微结构光学元件具有体积小、重量轻、结构紧凑的优点，在太阳能、投影显示、摄影、照明光学、激光、红外探测和太赫兹天线等领域被广泛应用。目前正在发展以玻璃模压为代表的复制加工技术以实现其大批量低成本生产，其关键技术是硬脆菲涅尔微结构模芯高效高精度制造。由于菲涅尔微结构的非连续特殊表面轮廓，采用超精密磨削来加工时会发生快速且严重的砂轮磨损，限制了加工精度和效率的进一步提升。脉冲激光加工技术在硬脆材料微结构表面制造领域具有很大的潜力和应用前景，激光烧蚀去除硬脆材料时具有效率高、可控性好和无工具磨损的优势，但激光加工表面粗糙度较高且表面变质层会影响零件服役性能。需要开发新的工艺技术来突破硬脆菲涅尔微结构模芯的加工技术瓶颈。本文将激光加工与超精密磨削这两种技术相结合，提出两种工艺分别完成粗、精加工的激光-磨削工艺链技术。　　围绕碳化硅菲涅尔微结构这种典型硬脆复杂零件的高效高精度加工目标，本文开展了碳化硅的激光加工机理、菲涅尔微结构的激光成型工艺、菲涅尔微结构磨削波纹度等方面的理论和实验研究。本论文主要包含以下几个方面：　　（1）通过激光烧蚀环槽实验分析了红外亚纳秒脉冲激光烧蚀加工碳化硅陶瓷的烧蚀阈值，探讨了激光离焦量对加工环槽微结构的影响。建立了激光烧蚀加工平面碳化硅工件时的材料去除深度模型并进行了实验验证。通过单因素实验分析了激光加工参数对工件中心残留区域、周向波纹轮廓误差和材料去除效率的影响规律；基于拉曼光谱分析了激光加工后的碳化硅表面材料成分；通过单颗粒金刚石刻划实验研究了激光加工后的碳化硅表面的机械加工性能。　　（2）面向菲涅尔微结构的激光加工成型，提出了激光扫描进给速率连续变化的加工方法。基于激光烧蚀碳化硅的材料去除深度模型规划了菲涅尔微结构的激光加工轨迹。通过单因素实验分析了激光加工参数对碳化硅菲涅尔微结构加工精度和效率的影响并优选了工艺参数；研究了激光加工碳化硅菲涅尔微结构的表面材料成分和亚表层损伤。　　（3）基于磨削运动学理论和微观材料去除分析，揭示了平行磨削表面波纹度误差的生成机理和分布规律。建立了表面波纹度形貌和波纹度特征值的仿真预测模型并分析了波移值对波纹度特征值的影响规律。根据砂轮与工件微观接触和砂轮次级磨削区的磨削材料去除行为分析，揭示了非整数转速比对波纹度误差的抑制机理，提出了抑制磨削表面波纹度误差的工艺参数优选匹配策略。　　（4）开发了亚纳秒脉冲激光加工与超精密磨削相结合的激光-磨削工艺链实验系统。基于钽块修整方法和声发射监测技术进行了细磨粒树脂基金刚石砂轮的修整实验研究。从碳化硅菲涅尔微结构的加工精度、加工效率、表面完整性和亚表层损伤等方面，对激光-磨削工艺链和仅超精密磨削这两种工艺技术进行了对比分析。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 国内外研究现状综述

1.4 本文的主要研究内容

第2章 碳化硅陶瓷的亚纳秒激光加工材料去除和表面生成机制研究

2.1 引言

2.2 碳化硅的亚纳秒激光烧蚀阈值研究

2.3 碳化硅的激光烧蚀加工材料去除深度模型

2.4 激光加工参数对碳化硅材料去除效率的影响

2.5 碳化硅的激光加工表面生成机制

2.6 激光烧蚀加工后碳化硅表面材料的机械加工性能分析

2.7 本章小结

第3章 碳化硅菲涅尔微结构的激光加工成型工艺研究

3.1 引言

3.2 菲涅尔微结构的激光加工成型方法

3.3 菲涅尔微结构的激光加工轨迹规划

3.4 菲涅尔微结构的激光加工工艺参数优选

3.5 碳化硅菲涅尔微结构的表面完整性分析

3.6 本章小结

第4章 菲涅尔微结构的磨削表面波纹度研究

4.1 引言

4.2 平行磨削表面波纹度的生成机制及评价参数

4.3 表面波纹度形貌的仿真模型

4.4 表面波纹度特征值的定量预测模型

4.5 基于非整数转速比的菲涅尔微结构磨削波纹度抑制研究

4.6 基于非整数转速比的平行磨削工艺参数优选匹配方案

4.7 本章小结

第5章 基于激光-磨削工艺链技术加工菲涅尔微结构的实验研究

5.1 引言

5.2 激光-磨削工艺链加工菲涅尔微结构的实验装置与方案设计

5.3 碳化硅菲涅尔微结构的加工精度和加工效率研究

5.4 碳化硅菲涅尔微结构的表面完整性分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及其它成果

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致谢

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