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超精密高速确定性抛光自由曲面金属表面

程灏波  王涌天  
【摘要】:压制玻璃或塑料光学元件的金属模芯、模仁的超精密制造属于先进光学制造领域中一个应用前景广阔的研究方向。在具体工艺中,被压制元件的表面精度主要由金属模具工作面的光学质量和压制工艺参数决定,模具必须能够承受一定周期内的高温、高压及压注过程中的腐蚀。如果模具工作面光学质量不高,其上的划痕或坑斑将会被复制到被压制元件的表面,导致元件粘结在模具上而影响元件表面质量,甚至产生废品。因此,获得高表面光洁度的金属模具是相当重要的,特别针对具有复杂形状特征的自由曲面金属表面的超精密抛光,传统工艺费时、耗力且工艺不确定性因素多。本文研究基于确定性抛光概念,在六自由度机器人操作臂平台上实施技术开发与工艺探索。首先,借助于机构的多自由度优势,针对自由曲面型面复杂并且相邻型值点间曲率变化剧烈的特点,建立工件表面离散型值点拓扑矩阵, 开发点对点的合成坐标系运动模型,研究确定性加工的控制算法。随后,对影响自由曲面型面质量和抛光效率的工艺因素进行实验研究,主要针对基本控制参量如相对压力、相对速度、驻留时间等进行优化配置,开展工具结构形式、运动轨迹、磨料粒度和浓度等工艺因素多匹配方式的去除效率和去除精度实验,分析型面误差和形貌缺陷的产生机理,摸索出最佳的权重因子,匹配合理工艺参数,建立误差修正模型,形成有效指导自由曲面金属表面超精密抛光制造的工艺路线。利用英国Form Talysurf 1240轮廓测量仪器进行检测,对于一尺寸5cm×5cm的正方截面体工件,其铣削成型的自由曲面初始表面经过5 小时快速抛光可达到镜面质量,表面粗糙度低于10nm。

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