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第一月（2018-9.9到2018-10.20）大中型光学元件高效精密磨削技术研究综述[1]金滩李平肖航吴耀序号研究亮点文章结构：引言-总结-结论主题：以大型光学元件高效精密磨削技术为主要研究内容，从加工设备、机理、工具、工艺及检测多方面阐述分析现阶段大中型光学元件的磨削装备技术及磨削工艺技术研究意义大中型光学元件(包括平面、球面、非球面及自由曲面)在大型天文望远镜、高功率激光核聚变装置及精密光学测量装置的应用日益广泛，其大批量生产需求驱动了高效精密磨削技术的长足发展。然而超精密大中型光学元件的短周期、大批量生产对现阶段光学制造能力提出了巨大挑战，同时也推动着其磨削装备技术和磨削工艺技术向更高效率、更高精度及更高自动化水平的方向发展。系统总结大中型光学元件磨削装备技术中机床整机、主轴单元、进给工作台、数控系统和磨削工艺技术中脆性材料塑性去除机理、磨削工具、磨削液及其注入方式、工艺路线规划、检测、误差建模及补偿、环境监控等技术的研究现状，并对上述关键技术问题进行详尽的分析。同时提出解决上述问题的可能性对策，预测和展望大中型光学元件高效精密磨削技术未来发展趋势。总结该论文属于综述类文章，作者从机床整机、主轴单元、进给工作台、数控系统和脆性材料塑性去除机理、磨削工具、磨削液及其注入方式、工艺路线规划、检测、误差建模及补偿、环境监控等多个方面比较全面的阐述了大中型光学元件高效精密磨削技术，可以让我对超精密磨削所涉及的诸多方面有个大体的认识。重要内容及图表一、该图为利弗莫尔国家实验室和美国OptiProSystems公司共同开发的OptiPro-AED近距离传感器(图3)能自动检测砂轮和光学元件的相对位置以避免碰撞，可以大大提高加工效率。二、脆性材料塑性去除机理该图为VENKATACHALAM建立的一种包含刀具-切屑-工件之间多种因素决定的脆性材料塑性去除综合模型，他认为当材料剪切应力超过材料临界流动应力且应力强度因子不超过材料的断裂韧性时，脆性材料将以局部塑性变形的方式去除。该图为KOCH通过磨削试验确定的不同牌号光学玻璃的临界磨削深度，但由于材料特性的差异导致临界磨削深度从微米量级到纳米量级不等国内外近年来的一些研究表明，高速磨削条件下的磨削速度及磨削区温度与脆性材料去除机理关系密切。SCHINKER等开展了不同光学材料在低速(1～8m/s)和高速(100m/s)条件下的单颗磨粒磨削试验，结果表明高速磨削后工件沟槽表面呈现塑性流动，且磨削区温度非常高。KOVACH等采用120#金刚石砂轮在170m/s的砂轮线速度下磨削RBSN陶瓷材料，工件表面崩裂的比例由线速度25m/s的48%降到12%。HUANG等采用高速深切磨削方式，实现了多种工程陶瓷材料的高效低损伤磨削，磨除率比传统磨削方式提高了近100倍，磨后表面完整性良好。MALKIN等进行的研究则进一步说明，高速超高速削中陶瓷材料的表面破碎减少和塑性流动的显著增加可能与在较高磨削温度下所形成的玻璃相有关。三、磨削工具1、磨削工具材料现有大中型光学元件磨削工具的磨粒主要以金刚石和CBN为主。金刚石磨粒具有高耐磨性、高热导率、高硬度及低的摩擦因数，广泛应用于非金属材料的精密加工。相比金刚石磨粒，CBN磨粒具有更好的热化学稳定性，发展前景良好。此外一些新型磨粒也得到有效应用，如掺硼金刚石磨粒可以解决高温下金刚石磨粒氧化和损伤；超细CBN-U磨粒可以显著提高磨削比和改善砂轮的耐磨性。砂轮结合剂对磨粒的出刃密度、突出高度及磨粒锋利度等有重要影响，常用的有树脂结合剂、金属结合剂和陶瓷结合剂。树脂结合剂自锐性好、易获得高质量的磨削表面和亚表面。金属结合剂具有高热导率和良好耐磨性，尤其可用于光学镜面的ELID精密磨削。陶瓷结合剂把持强度高、抗磨损能力强、热稳定性好。此外，电镀金刚石砂轮在光学元件制造领域也具有独特优势。2、磨削工具几何结构如图，磨抛复合杯形砂轮(图6a)有利于提高加工效率和加工品质；沟槽砂轮(图6b)有利于磨削液注入以改善热效应的影响；不同几何形状磨粒(图6c)的材料去除机理有所差异。四、磨削工具修整技术传统的金刚石滚轮与油石修整树脂结合剂金刚石砂轮，ELID镜面磨削技术在线修整金属结合剂金刚石砂轮，细粒度金属结合剂GC杯形砂轮修整粗粒度电镀金刚石砂轮。此外，电化学在线控制修整、激光辅助修整等技术也日渐成熟。五、磨削液及其注入方式如图为为了解决高速磨削条件下磨削液注入难、砂轮易磨损和堵塞等问题而开发的几种新型喷嘴。六、工艺路线规划如图为CUPE针对E-ELT望远镜项目，在综合考量了多种加工技术基础之上提出的一种有效的集成制造工艺链。其中，磨削阶段采用BoX®磨床从1m直径Zerodur®微晶玻璃上去除0.5mm材料，加工效率为187.5mm³/s，表面粗糙度Ra为137nm，面形精度高达+/-3.5μmPV，亚表面损伤深度仅为9.5μm，极大地降低了后续数控抛光所需时间。七、检测技术大中型光学元件高效精密磨削加工检测的重点与难点包含两方面内容：面形精度检测和亚表面质量检测。红外材料非球面透镜的超精密磨削加工关键技术研究[2]陈冰2016哈尔冰工业大学序号研究亮点研究方法文章结构：国内外研究现状及分析—非球面红外透镜的超精密磨削方法对比研究—圆弧形金刚石砂轮的在位精密修整技术—非球面的磨削纹路抑制及加工工艺研究—修整及磨削过程的声发射在线监测技术研究—结论。主题：本文研究了适合多光谱CVD硫化锌和单晶硅非球面透镜的超精密磨削加工方法，揭示了非球面轮廓对磨削加工原理的影响，提出了磨削非球面用圆弧形金刚石砂轮的在位精密修整方法，优化了非球面的超精密磨削加工工艺参数，实现了Φ150mm口径的单晶硅球面透镜和Φ93.5mm口径的多光谱CVD硫化锌非球面透镜的超精密磨削加工。1、针对两个材料的物理性质和非球面设计尺寸，通过对非球面非球面磨削方法的分析，结合现有机床，确定了垂直和平行磨削两种磨削加工方法，再从理论角度和实验研究两个方面选择了垂直磨削法进行非球面的超精密磨削加工。2、针对粗磨和精磨分别制定了不同的砂轮修整方法，为磨削加工提供了工具保障。3、分析磨削纹路形成的影响因素，建立磨削点分布方程，研究磨削加工参数匹配关系对磨削纹路的影响规律。为磨削加工过程提供了工艺参数匹配关系的选择依据。基于正交实验方法进行超精密磨削的工艺参数优化实验，为大尺寸非球面的超精密磨削加工提供工艺支持。4、针对圆弧形金刚石砂轮修整与非球面磨削加工过程中砂轮和磨棒/工件均旋转的特点，搭建基于无线传输式旋转声发射传感器的声发射信号采集系统。研究意义1、揭示了垂直磨削法和平行磨削法中砂轮与工件接触弧长、未变形磨屑厚度、残留高度及砂轮误差对磨削质量的影响规律，为红外非球面磨削方法的选择提供了依据。2、提出了采用旋转GC磨棒外圆柱面进行圆弧形金刚石砂轮的在位精密修整方法，可修正砂轮垂直方向的对刀误差和实现任意截面圆弧半径的精密修整，为非球面透镜的超精密磨削加工提供了技术保障。3、建立了非球面的磨削点分布方程，获得了磨削加工参数匹配关系对磨削纹路的影响规律，并据此提出了磨削纹路的抑制策略，提高了红外非球面透镜的磨削表面质量。4、分析了圆弧形金刚石砂轮修整过程的声发射信号特征，建立了基于声发射信号预警阈值的砂轮修整结束的精确识别方法，为砂轮修整的在线监测提供了技术支撑。阅读总结该论文针对非球面透镜的超精密磨削加工介绍了多种理论计算方法涉及到非球面的磨削几何学以及多种的实验方法，对于新人来讲在以后的实验中有很大的帮助，但是对文章中所用到的很多理论计算方法以及专业词汇还不是很理解，需要查阅相关书籍及请教师兄来消化理解，文章的行文流畅条理清楚，对文章的写作也有指导帮助作用。重要内容及图表一、现有研究结果表明红外材料非球面的超精密磨削加工目前存在的主要问题是：（1）由于非球面轮廓的特殊性，在不同的磨削加工方法下的磨削表面质量不同。目前多通过对比实验选择较优的磨削加工方法，关于在不同加工方法下获得球面表面质量不同的原因，以及非球面轮廓与磨削运动形式、磨削加工原理、磨削轨迹关系的研究尚未开展。（2）受非球面轮廓性的影响，在同一工件的不同位置处，磨削点的合速度不同，其磨削状态（如磨削力、材料去除机理、磨削轨迹和材料去除率等）也不同，进而导致非球面表面质量具有不均一性。同时连续变化的加工状态也使得在相同情况下，磨削后的非球面比平面更难获得均一的表面质量，目前关于磨削非球面不均一性的研究刚刚起步。（3）目前，金刚石成型砂轮的精密修整方法多需增加结构复杂的修整设备，无法应用于空间狭小的超精密机床环境，简单易行的成型砂轮在位精密修整方法需要进一步开发。二、非球面磨削方法的种类及分析各种磨削方法的优劣：交叉磨削法和平行磨削法，安装使用方便，刀具轨迹比较简单，只需要两轴联动即可完成非球面的磨削加工。但是在加工凹面时对砂轮直径限制比较大，砂轮的直径须小于工件非球面中磨削点的最小曲率半径，且不适合较大陡度非球面的磨削加工。此外，平行磨削法中由于砂轮截面圆弧均参与加工，可以延长砂轮的使用寿命，但砂轮截面圆弧的形状精度直接决定加工后工件的面形精度，对截面圆弧的修整精度要求较高。倾斜轴磨削法，可以扩展加工非球面的陡度范围，但需要对磨削主轴进行一定角度的旋转，增加了设备的复杂程度。展成法仅适用于加工球面，只需单轴进给运动即可实现磨削加工，但是展成法对安装精度要求较高，须保证砂轮轴和工件轴的交点位于球面工件的球心处，且杯形砂轮磨损以后难以修整。球头砂轮磨削法可以延长砂轮的使用寿命，但是球头砂轮的精密修整非常困难。法向磨削法属于单点磨削加工，可实现对工件的确定性精密去除，但法向磨削法的不足在于工件与砂轮点接触磨削，砂轮磨损比较严重，需要定期对砂轮进行修整，适合小口径非球面的磨削加工。三、金刚石砂轮型式的选择（1）V形（1EE1、1E1、14E1）砂轮两种磨削方法均可采用V形砂轮加工凹面和凸面。由于V型砂轮截面顶点区域为半径较小的圆弧尖点，在磨削过程中，砂轮与工件的接触面积小，砂轮上参与磨削的接触区域刚度小、磨损快，导致砂轮径向尺寸在单次磨削过程中变化较大，降低磨削加工后工件的面形精度，而且砂轮需要重复修整；此外，平行磨削法中，由于V型砂轮截面顶点的圆弧半径难以精确测量，且形状精度较差，会降低加工后工件的面形精度。（2）平行（1A1）砂轮由于容易与待加工凹面发生干涉而不能形成所需的面形结构，平行砂轮不能用于凹面的加工。而磨削加工凸面时，仅能采用垂直磨削法，且砂轮与工件接触面积相比其他两种砂轮最大。然而，砂轮整个圆柱面均可参与磨削加工，砂轮上参与加工的磨粒数量远多于另外两种砂轮，可以体现出更大的耐磨损优势。此外，平行（1A1）砂轮由于结构简单，易于修整。（3）圆弧（1FF1、1F1、14F1）形砂轮两种磨削方法均可采用圆弧形砂轮加工凹面和凸面。由于圆弧形砂轮截面圆弧顶点处为一段圆弧，在磨削加工过程中砂轮与工件的接触面积大于V形砂轮，因此，圆弧形砂轮的磨损速率小于V型砂轮，砂轮磨损误差对加工工件的面形精度影响较小。然而圆弧形砂轮的轮廓结构相比其他两种砂轮复杂，其修整难度最大四、垂直磨削法和平行磨削法的对比分析通过凸球面磨削加工实验，对比分析在同一磨削加工参数、不同磨削方法后工件的表面脆塑性去除状态、表面粗糙度、形状精度以及磨削后砂轮的磨损情况，以确定最终磨削方案。1、非球面的磨削几何学在两种磨削方法下，磨削点插补曲线速度vF是恒定值，工件磨削点的线速度vwi随着插补运动轨迹的变化，从工件外缘至中心由最大至零。而砂轮的线速度vsi在垂直磨削法中是恒定值，在平行磨削法中是随着砂轮半径变化不断变化的。因此，即使磨削加工参数相同，在两种磨削加工方法下获得的磨削点合速度大小变化也不同，且磨削过程中平行磨削法磨削点合速度的变化更为复杂，导致平行磨削法加工后的工件表面质量可能更不均一。此外，由于各线速度方向匹配关系的不同，将导致磨削后在工件表面留下的磨削痕迹方向不同。平行磨削法磨削非球面时由于随着接触圆弧位置由工件外缘至中心的变化，砂轮半径Rsi逐渐增大，砂轮截面圆弧上的