基于负压缩性的共形研抛新方法研究

There are ever-increasing needs for aspheric and freeform optics in many engineering fields. Polishing is an important approach to creating super-smooth surface with nanoscale accuracy, but up to now the conflicting between the smoothing effect and the conformal ability of polishing tool has not been resolved. A new method of conformal polishing based on negative compressibility is proposed in this project. The innovation of this project mainly lies in: (1) a compliant material with negative compressibility is employed to fabricate the flexible component of polishing tool, which expands under the distributed pressure loads; (2) a polishing tool with negative compressibility will remove the low-, middle- and high-frequency errors on the work surfaces by means of the deformation of negative compressibility. The research objectives of this project are to reveal the effect on tool influence function and polished surface quality, control the edge effect, and clarify the evolution mechanism of error removals on the polished surface under the polishing tool with negative compressibility. Successful results of this project will make a breakthrough for restrictions resulted by the traditional polishing tool based on positive compressibility, greatly improve the smoothing effect and the conformal ability of polishing tool, and lay down the solid scientific and technological groundwork for regarding the negative compressibility based conformal polishing process as a valid means.

非球面以及自由曲面光学元件在许多重要的工程领域中有着日益增长的应用需求。研抛是获得纳米级精度超光滑光学表面的一种重要加工方法，但是迄今为止还没有妥善解决研抛工具的平滑效果与共形能力之间的冲突问题。本项目提出了一种基于负压缩性的共形研抛加工方法，其创新之处主要在于：利用具有负压缩性的柔顺材料制作研抛模，该研抛模在分布式载荷作用下具有"压胀变形"的特征，这种具有负压缩性的研抛模将以"压胀变形"机制研抛去除曲面工件上的低频、中频、高频误差。利用具有负压缩性的研抛工具，本项目致力于研究并揭示对研抛去除函数和研抛加工表面质量的影响机制，研究并提出对研抛"边缘效应"的主动控制，研究并揭示工件表面误差去除的演化规律。本项目研究打破传统上利用研抛模的"压缩变形"机制平滑工件表面误差的限制，将极大地改善研抛平滑性能和研抛工具的共形能力，为形成一种基于负压缩性的共形研抛方法奠定科学及工艺基础。

如何提高复杂曲面的研抛去除效果是目前国际学术界高度关注的课题。本项目利用二维酒架结构可产生负压缩性的特征，致力于研究基于负压缩性结构的研抛装置以改善研抛去除率和表面质量。所开展的研究工作主要包括如下：.（1）建立了二维酒架结构的负压缩性解析模型，得到了产生负压缩性的条件，揭示了酒架结构的结构参数和铰接角度对负压缩性的影响特征。.（2）以二维酒架结构作为基本胞元，构造了3种新的人造结构，主要包括六面体酒架结构（二维）、铰接型六面体结构（三维）以及铰接型八面体结构（三维）。.（3）针对所构造的人造结构，建立了结构负压缩性、弹性模量、泊松比等力学参数的解析模型和产生负压缩性的条件。.（4）通过基于模型的分析、有限元分析以及试验测试，揭示了三种人造结构的结构设计参数、铰接角度对负压缩性、弹性模量、泊松比的影响特征。.（5）提出了将沿某个方向的载荷转化为均布载荷的方法，分别研制了基于六面体酒架结构和铰接型八面体结构的研抛装置，通过有限元分析和实验测试，考证了所研制的研抛装置可产生明显的负压缩性。.（6）通过研抛加工实验，基于所研制的具有负压缩性的研抛装置，考察了研抛工艺参数以及研抛装置的负压缩性对研抛去除效果的作用特征。.研究表明，合理优化所提出的人造结构的设计参数有助于增强人造结构产生负压缩性的效果；利用基于负压缩性结构的研抛装置，将提高材料研抛去除率并改善加工表面质量。