现代光学材料高速高效低损伤磨削机理与模型研究

大型精密光学镜面的高效加工是世界性的难题。有效控制和减少磨削表面及亚表面损伤，可显著降低后续研抛周期，降低大型光学镜片的加工成本，为大型天文望远镜和激光核聚变项目的实施提供有力支撑。本课题将开展高速及超高速条件下磨削区局部热、力耦合作用对脆性光学材料磨削裂纹扩展和材料去除机制影响的研究，建立亚表面损伤实用预测模型,并建立不同磨削条件和参数下延塑性磨削临界磨削深度随磨削区以及磨粒点温度、局部应力的变化图谱。基于对磨削区应力、温度、亚表面损伤和延塑性磨削的临界磨削深度变化的定量性研究，对脆性材料磨削机制进行重新认识，开发脆性光学材料高速/超高速高效低损伤乃至无损伤磨削技术。通过工艺数据与模型集成，建立现代光学材料高效低损伤智能化磨削优化软件，优化磨削过程，提高磨削效率、减少亚表面损伤、大幅度降低后续抛光周期，为大型光学镜面的高效加工提供实用工具。

大型精密光学镜面的高效加工是世界性的难题。近年来，大中型光学元件（包括平面、球面、非球面及自由曲面）在大型天文望远镜、高功率激光核聚变装置及精密光学测量装置的应用日益广泛，其大批量生产需求驱动了相关加工制造技术的长足发展。然而，超精密大中型光学元件的短周期、大批量生产对现阶段光学制造能力提出了巨大挑战，同时也推动着其装备技术和工艺技术向更高效率、更高精度及更高自动化水平的方向发展。本课题针对KDP晶体的精密磨削阶段，开展了树脂结合剂金刚石砂轮对KDP晶体的磨削加工，研究了砂轮磨粒粒度、切削深度等加工参数对其表面加工质量的影响；针对砂轮磨削的磨粒嵌入问题，开发了一种无结合剂的超硬金刚石砂轮，提高了KDP晶体加工效率，且实现了KDP晶体的无磨粒嵌入的精密加工。此外，本课题提出了一种粗磨-半精磨-精磨的磨削工艺链方案，重点开展了高速及超高速条件下熔石英玻璃的磨削力、比磨削能、表面粗糙度、表面形貌、亚表面损伤及材料去除机理等方面的研究，建立了不同磨削条件和参数下延塑性磨削临界磨削深度随磨削区以及磨粒点温度、局部应力的变化图谱，证实了高速磨削条件下的磨削速度效应及磨削工艺优选方案可以有效地提高材料去除率同时降低表面/亚表面损伤。相关技术成果已成功应用于大口径光学元件的制造过程中，产品的检测结果达到了国内外先进水平。通过工艺数据与模型集成，建立现代光学材料高效低损伤智能化磨削优化软件，优化磨削过程，提高磨削效率、减少亚表面损伤、大幅度降低后续抛光周期，为大型光学镜面的高效加工提供实用工具。课题研究成果将推动高效精密加工装备和加工技术的快速发展，大大提升我国大中型光学元件的制造技术水平。