硬脆材料非球面超精密磨削表面质量不均匀性形成机理及控制研究

In order to solve the problem that uneven surface quality on ultra-precision grinding aspheric surface would decrease manufacturing quality of optics, this project intends to research on ultra-precision grinding mechanism of uneven aspheric surface quality, optimization of grinding traces, suppression of grinding marks so as to improve and control uniformity of surface quality. Firstly, the generation mechanism of grinding traces on aspheric surface and its gradient transition rule are going to be investigated. Then the generative mechanism of aspherical grinding marks and its characteristic change rule will be explored. After that, the internal connection between gradient transition rule of grinding traces, characteristic change rule of grinding marks and uneven surface quality is going to be parsed respectively, and then, the genetic theory of uneven surface quality would be revealed. Finally, performance parameters of wheel and range of grinding parameters will be optimized to obtain optimal grinding traces, the correlation among the matching relation of grinding parameters, distribution of grinding traces and grinding marks is going to be established, and then the grinding parameters combination which have matching relation and can suppress grinding marks would be solved so as to control the uniformity of surface quality. Based on the above, the surface quality on aspheric surface with different gradient and size could be controlled, scientific basis and technology is provided for grinding aspheric surface with high quality and efficiency.

针对非球面磨削表面质量不均匀会严重降低光学元件制造质量的问题，本项目以单晶硅红外透镜为研究对象，开展轴对称非球面表面质量不均匀性的超精密磨削机理研究，并以磨削痕迹优化与磨削纹理抑制为手段，实现非球面表面质量均匀化控制的研究。研究超精密磨削非球面磨削痕迹的创成机理及其渐变过渡规律，探究磨削纹理生成机制及其特性变化规律，解析磨削痕迹渐变过渡规律和磨削纹理特性变化规律与磨削表面质量不均匀性之间的内在联系，揭示非球面表面质量不均匀性的成因理论；针对磨削痕迹特征，进行砂轮性能参数和磨削加工工艺参数范围的优化，建立磨削加工工艺参数匹配关系、磨削痕迹均匀分布程度与磨削纹理特性之间的关联规律，求解可抑制磨削纹理且具有匹配关系的磨削加工工艺参数组合，形成非球面磨削表面质量均匀化的控制策略。实现不同陡度和尺寸非球面磨削后的均匀化控制，从而为非球面的高精度、高效率生产奠定科学基础并提供创新可行的技术途径。

在民用工业产品和现代国防科技领域，轴对称非球面光学功能元件都愈加显示出重要的科学价值和广阔的应用前景。但是，非球面加工难度大、难以修复等缺点严重影响了光学系统零部件的使用效果，在航空航天工业中，许多重大装备关键技术的突破均受到非球面制造精度的制约。因此，提高非球面的制造精度已成为先进航空航天关键零部件研制过程中必须攻克的重要课题。针对非球面磨削表面质量不均匀会严重降低光学元件制造质量的问题，本项目以单晶硅红外透镜为研究对象，开展了轴对称非球面表面质量不均匀性的超精密磨削机理研究，并以磨削痕迹优化与磨削纹理抑制为手段，实现了非球面表面质量均匀化控制的研究。研究了超精密磨削非球面磨削痕迹的创成机理及其渐变过渡规律，探究了磨削纹理生成机制及其特性变化规律，解析了磨削痕迹渐变过渡规律和磨削纹理特性变化规律与磨削表面质量不均匀性之间的内在联系，揭示了非球面表面质量不均匀性的成因理论；针对磨削痕迹特征，进行了砂轮性能参数和磨削加工工艺参数范围的优化，建立了磨削加工工艺参数匹配关系、磨削痕迹均匀分布程度与磨削纹理特性之间的关联规律，求解了可抑制磨削纹理且具有匹配关系的磨削加工工艺参数组合，形成了非球面磨削表面质量均匀化的控制策略。项目资助下，在国内外重点期刊上正式发表论文9篇，其中SCI收录3篇、EI收录1篇，CSCD核心2篇；申请国家发明专利2项；正在培养硕士研究生4人。本项目所获得的研究成果为实现硬脆材料非球面的超精密磨削加工提供可靠、高效、实用的磨削方法和理论基础，同时推动非球面超精密加工技术和应用的发展，相关经验可推广应用到不同物理特性的材料、离轴非球面、自由曲面等难加工材料及形貌特征的超精密磨削加工领域。