碳化钨光学模具的超声研磨装置的研发及其加工特性研究

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近年来,模压成型已成为透镜加工的一种重要方法,如何加工出纳米级的表面精度和形状精度的透镜模具已经成为学者们广泛研究的一项课题。研磨和抛光是提高工件精度的一种重要方法。目前面透镜模具通常采用磁流变抛光或磁射流抛光,虽然能提高非球面工件的表面精度,但对形状精度的改善有限。因此迫切需要发展新型的高效率高质量的光学抛光技术。超声波研磨技术是一种非传统的加工技术。与传统的研磨技术相比,超声波研磨效率高,研磨时磨粒的切削力小,研磨后表面质量高。特别是在研磨硬脆材料时,超声波研磨易于实现脆性材料的延性去除,加工表面不易产生裂纹,能达到很高的面形精度。本文将超声波研磨技术应用到透镜模具的加工上,希望实现透镜模具的高精度研磨。本课题来源于国家支撑计划重点项目(车用光学透镜及模具超精密研磨加工装备与工艺)。针对目前透镜模具研磨的技术的难题,本文进行了以下研究工作:(1)针对透镜模具高效精密加工的要求,本文提出了采用超声椭圆振动研磨的方法,使之能在三轴联动机床上实现透镜模具的超声振动研磨。(2)针对以往的椭圆振动换能器是多激励结构,设计复杂,制作成本高,而且能耗大,发热大的缺点,设计了单激励超声椭圆振动系统。采用有限元方法对超声椭圆系统的振动特性进行分析,获得在发生器频率可调范围内的系统固有频率和振型,并进行实际振动的频率和振幅的检测,研究结果为超声椭圆振动研磨机理及相关试验的研究提供有力的保证。(3)设计、制作了一套超声椭圆振动研磨装置。并采用该装置,进行了K9玻璃的研磨实验。分析了采用该方法研磨时工件转速、磨粒粒径、研磨力等因素对研磨的效率和研磨后表面粗糙度的影响。并对碳化钨非球面工件进行超声振动研磨实验,通过超声振动研磨和无超声振动研磨对比,证明了该研磨方法的效果。此外,本文还针对研磨中出现的研磨表面质量不均匀的现象,提出超声变速研磨。实验证明该方法有良好的效果。课题研究结果有助于揭示碳化钨高效精密研磨的机理,完善和发展非球面光学模具研磨加工新技术,进一步促进非球面光学元件的推广与应用。
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