环抛过程中热积聚效应及其对面形控制的影响

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本文围绕大口径超精密光学元件在环形抛光加工过程中遇到的难题,开展了环形抛光中热积聚效应影响的研究,并实现了热积聚效应的有效抑制。  环形抛光技术以其良好的全频谱均匀去除能力、收敛速度快、加工精度高和生产成本低等特点,成为大口径光学元件加工的首选方式。但是环形抛光技术目前依旧存在着诸多不足,如加工周期加工质量的可控性程度不高,对操作者的经验依赖性强等,其根本原因是人们对环形抛光的规律认识不够,尤其是一些工艺参数的影响。在这些影响因素中,热积聚效应是极为重要的一个,热积聚效应体现在系统的温度分布及变化情况。大口径光学元件、抛光胶盘等对热积聚效应非常敏感。加工过程中温差引起的工件形变通常远远超过所要求的工件面形;环境温湿度的变化影响着热积聚效应导致抛光胶盘温度变化从而产生不同程度的蠕变变形,间接影响工件面形;检测时需长时间恒温,影响加工效率;不同材质的工件在相同的工艺条件下因热积聚效应的不同,所得面形不同,给加工带来很大不便。因此,本论文围绕着环抛过程中的热积聚效应,开展了相应的工作,主要如下:  介绍了环抛过程中的热积聚效应,包括热积聚效应的形成及实验探测。分析了环抛过程中导致热积聚效应形成所涉及的热学现象,讨论了抛光过程中热量的产生原因与散失机制及相关影响因素,为抑制热积聚效应提供了理论指导。对(O)260 mm×26 mm Nd∶glass工件温度分布情况进行了测量,获得了工件的加工面径向温差及上下表面温差,证实了热积聚效应的存在。  研究了热积聚效应对环抛中面形控制的影响。首先,对热积聚效应的影响进行理论分析。使用有限元分析软件ANSYS对(O)260 mm×26 mm同等大小不同材质的工件在同等上下表面温差和径向温差下的形变进行了仿真。结果表明,钕玻璃热形变比K9和ULE要大,即使温差只有0.1℃,所引起的热形变已远远超过加工精度要求。然后,将三块(O)260 mm×26 mm同等大小不同材质的工件置于同一工件环中,在相同的加工条件下进行抛光对比实验,探究不同材质工件受热积聚效应影响的差异以及同一工件受热积聚效应影响的变化情况。结果发现:钕玻璃受热积聚效应影响最大,抛光过程中面形波动最为激烈;加工过程中,工件受的热积聚效应并不是一成不变的,而是随着各影响因素的变化而出现一定程度的波动。  研究了抑制热积聚效应的方法。运用循环注液并配合加深加宽沟槽的方法,工件的上下表面温差及加工面径向温差得到一定程度的降低;并且加工过程中工件面形线性收敛,面形也更加规则。运用抛光胶盘改性的方法,在胶盘中掺杂石墨,胶盘的热导率提高,及时导走了环抛过程中产生的热量,并且降低了工件与胶盘间的摩擦系数,减少了产热量,对抑制热积聚效应起到一定程度的作用。
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