超硬微结构表面的振动超精密磨-抛加工机理与技术基础

针对未来民用工业产品和现代国防科技领域对微结构表面光学功能元件的确定性、低成本与柔性大批量复制生产的需求，本课题以碳化硅、碳化钨和氮化硅等典型超硬模具材料作为被加工对象，围绕超硬微结构表面的振动超精密磨-抛加工机理与技术基础，运用理论研究与工艺实验相结合的方法，研究超硬微结构表面的振动辅助超精密磨削加工，以及磨削后微结构表面的振动辅助确定性抛光加工机理与工艺实现技术，建立起超声振动参数、超精密磨削、抛光工艺参数以及表面功能结构几何因素与不同被加工超硬材料表层亚表层完整性之间的映射关系。并在此基础上优化面向于不同超硬材料和不同微结构类型的超精密磨削与抛光工艺方法及精度稳定性控制方案，提出创新的超硬材料微结构表面高效率确定性超精密加工技术，从而为实现微结构表面光学功能元件的玻璃模压复制加工用超硬模具，以及未来空间用轻质高强度碳化硅微结构表面光学元件的高效率确定性超精密加工奠定技术基础

微结构光学功能表面具有便于设计者优化光学系统的优点，其不仅能够实现光学元件重量和体积的大幅减小，使光学元件实现功能集成，同时还能够实现普通光学元件难以达到的微小、阵列和波面转换等新功能。因此，微结构表面光学功能元件在机械电子、航空航天、光电子以及光学领域都具有非常重要的应用价值和极其广阔的应用前景。本项目将特种加工技术与超精密加工技术相结合，开发了适用于超硬微结构光学功能表面的超声振动磨削系统，基于该系统开展了超硬微结构表面振动辅助磨削机理、加工应力仿真、异形金刚石砂轮修整、微结构亚表面损伤分析及工艺优化等一系列的研究工作，在碳化钨、碳化硅、氮化硅等超硬材料上加工出了具有亚微米级形状精度的微圆弧槽阵列、闪耀光栅阵列及金字塔矩阵。同时，为实现后续的抛光加工搭建了针对微结构表面的振动辅助抛光系统，并对微结构表面抛光过程的摩擦行为、材料去除机理及材料去除率模型展开了研究工作，在此基础上对精密磨削后的典型微结构表面进行了振动辅助抛光工艺研究，实现了快速修正磨削后表面面形精度并达到纳米级表面粗糙度的目的。本项目成功解决了由于碳化硅、碳化钨和氮化硅等典型模具材料具有高硬度而导致很难获得良好表面质量的问题；超声振动的引入有效地解决了由于微结构表面具有离散性而导致普通精密磨削和抛光后微结构表面质量不均一性问题；基于电火花方法的异形砂轮精密修整有效地保证了砂轮的尺寸精度和形状精度，从而解决了加工后微结构的内角处通常具有较大面形误差的问题；超声振动辅助抛光有效地解决了普通抛光面向超硬材料加工效率低的问题。本项目的完成实现了超硬微结构光学功能表面的确定性、高效率与高精度加工。.此外，在完成本项目的过程中同期进行了三个方面的拓展研究：（1）建立了三轴联动工作台的飞秒激光微加工系统，分析了飞秒激光参数如扫描速度(v)、脉冲能量(P)对SiC材料去除的影响规律，优化了微结构表面的飞秒加工参数，实现了面向于硬脆材料微结构表面的高效精密激光加工；（2）开展了基于超短脉冲（飞秒及皮秒）激光的超疏水微结构功能性表面加工，加工后的功能结构表面具有长时间的超疏水稳定性；（3）开发出了将超短皮秒脉冲激光微加工技术与软光刻微复制技术相结合的一种全新的加工工艺链方法，实现了功能表面的快速、高效、绿色加工的目标。