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光学材料加工亚表面损伤检测及控制关键技术研究

作　者: 王卓
导　师: 李圣怡
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 机械工程
关键词: 亚表面损伤光学材料磨削研磨抛光磁流变抛光离子束加工残余应力激光损伤阈值
分类号: TG580.6
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
下　载: 434次
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内容摘要

随着武器装备(民用设备)性能要求的不断增长,空间详查卫星、天文望远镜和激光核聚变等装备(设备)的光学系统对大型光学元件的需求激增,其技术要求较传统光学元件也有很大提升,向光学制造业提出了严峻挑战。现代光学系统中的大型光学元件除了对生产周期、面形精度和生产成本有严格的要求外,其亚表面质量也越来越受到人们的关注。亚表面损伤的存在增大了光学元件的材料去除量,并直接降低其使用寿命、长期稳定性、镀膜质量、成像质量和激光损伤阈值等重要性能指标。如何检测评价和控制加工过程引入的亚表面损伤以提高加工效率并实现表面完整性的总体指标成为光学制造业必须解决的关键问题。本文围绕强激光和高分辨率系统中典型光学材料(K9、石英和微晶玻璃)的磨削、研磨和抛光过程,针对亚表面损伤检测技术、产生机理、影响规律及其表征、预测和去除方法展开研究,以达到提高光学元件粗加工效率和精加工质量的目的。论文的研究工作包括以下几个部分：1.建立表面／亚表面质量间非线性关系模型,根据该模型开发出一种基于表面粗糙度的亚表面裂纹深度检测技术。构建一套适用于磨削和研磨亚表面损伤的检测方法,实现了亚表面损伤的准确检测。基于压痕断裂力学理论,并考虑压痕应力场弹性组元对中位裂纹扩展的促进作用,建立了亚表面裂纹深度与表面粗糙度间非线性关系模型。根据建立的非线性模型,开发出一种基于表面粗糙度的亚表面裂纹深度检测技术,鉴于表面粗糙度易于测量,该检测技术具有无损、快速和低成本的特点。2.研究磨削参数对光学材料亚表面裂纹深度的影响规律。通过实验获得磨削参数对亚表面裂纹深度的影响规律,在此基础上建立利用当量磨削厚度预测亚表面裂纹深度的经验公式,并提出基于亚表面裂纹深度控制的光学元件高效磨削工艺路线,以提高磨削效率。最后,检测磨削表面／亚表面残余应力,获得完整的光学元件磨削亚表面损伤的空间分布。3.提出光学材料研磨亚表面裂纹的表征和深度预测方法。综合采用群集深度、最大深度和裂纹密度沿深度分布三个表征参数描述研磨亚表面裂纹特征。通过分析相邻压痕应力场间相互作用对亚表面裂纹扩展的贡献,建立了最大深度与群集深度间关系模型。利用压痕断裂力学和统计学理论,研究光学元件在研磨颗粒作用下的三体脆性断裂过程,建立了基于研磨参数的亚表面裂纹群集深度预测模型。利用该模型并结合实验获得研磨参数对亚表面裂纹深度的影响规律,在此基础上提出基于亚表面裂纹深度控制的光学元件高效研磨工艺路线,以提高研磨效率。4.建立光学材料传统抛光亚表面损伤模型,在此基础上提出抛光亚表面损伤抑制策略。根据传统抛光后石英玻璃亚表面损伤的检测结果建立抛光亚表面损伤模型,指出表面水解层中包括浅表面流动层及浓度沿深度成指数函数形式递减的抛光杂质。该模型同时也验证了传统抛光过程中的材料去除是水解反应、机械去除和塑性流动共同作用的结果。在抛光亚表面损伤模型基础上,分别选择磁流变抛光和离子束加工技术有效地去除了石英玻璃传统抛光后残留的亚表面塑性划痕和表面水解层。5.将上述研究成果应用于φ500mm大镜的高效加工和石英玻璃的超微损伤加工。以高效磨削和研磨加工策略作为参数优化的依据,并结合机床性能,提出基于亚表面裂纹深度控制的大镜高效磨削和研磨工艺路线,实现了φ500mm抛物面镜(仍,K9玻璃)的高效加工。在准确检测抛光亚表面损伤的基础上,采用一种复合加工技术(磁流变抛光+离子束加工)逐步降低传统抛光后石英玻璃的亚表面损伤水平,在获得理想面形精度的同时提升了光学元件的抗激光损伤能力。

全文目录

摘要  12-14
ABSTRACT  14-16
第一章绪论  16-35
  1.1 课题的来源及意义  16-20
    1.1.1 课题的来源  16
    1.1.2 课题研究的背景和意义  16-20
  1.2 国内外现状  20-33
    1.2.1 亚表面损伤模型及其产生机理  20-25
    1.2.2 亚表面损伤检测及其表征方法  25-29
    1.2.3 加工参数对亚表面损伤的影响规律  29-30
    1.2.4 亚表面损伤的抑制策略  30-33
  1.3 论文的主要研究内容  33-35
第二章光学材料磨削及研磨亚表面损伤检测技术  35-60
  2.1 亚表面损伤形式  35-38
    2.1.1 亚表面裂纹  36-37
    2.1.2 表面/亚表面残余应力  37-38
  2.2 亚表面损伤检测技术与实验方案  38-49
    2.2.1 截面显微法  38-39
    2.2.2 角度抛光法  39-40
    2.2.3 磁流变抛光法  40-46
    2.2.4 X射线衍射法  46-47
    2.2.5 HF酸差动化学蚀刻速率法  47-49
  2.3 一种无损、快速和低成本的亚表面损伤检测技术  49-58
    2.3.1 压痕断裂力学理论基础  50-52
    2.3.2 亚表面裂纹深度与表面粗糙度间非线性关系模型  52-55
    2.3.3 基于表面粗糙度的亚表面裂纹深度检测技术  55-58
  2.4 本章小结  58-60
第三章光学材料磨削亚表面损伤的研究  60-74
  3.1 材料特性和磨削参数对亚表面裂纹深度的影响规律  60-69
    3.1.1 磨削实验方案  60-61
    3.1.2 磨削力的检测  61-63
    3.1.3 亚表面裂纹深度的检测  63-64
    3.1.4 材料特性和磨削参数对亚表面裂纹深度的影响规律  64-69
  3.2 表面/亚表面残余应力分析  69-72
    3.2.1 表面残余应力  69-70
    3.2.2 亚表面残余应力  70-72
  3.3 本章小结  72-74
第四章光学材料研磨亚表面裂纹表征及深度预测方法  74-94
  4.1 研磨亚表面裂纹表征方法  74-80
    4.1.1 群集深度  74-75
    4.1.2 最大深度  75-78
    4.1.3 裂纹密度沿深度分布  78-80
  4.2 研磨亚表面裂纹深度预测方法  80-91
    4.2.1 理论模型  80-82
    4.2.2 材料特性和研磨参数对亚表面裂纹深度影响规律的仿真结果  82-86
    4.2.3 材料特性和研磨参数对亚表面裂纹深度影响规律的实验结果  86-91
  4.3 基于亚表面裂纹深度控制的高效研磨工艺路线  91-92
  4.4 本章小结  92-94
第五章光学材料抛光亚表面损伤检测及其抑制策略  94-115
  5.1 传统抛光亚表面损伤检测及其产生机理研究  94-107
    5.1.1 表面水解层  94-101
    5.1.2 亚表面塑性划痕  101-106
    5.1.3 传统抛光亚表面损伤模型  106-107
  5.2 传统抛光亚表面损伤的抑制策略  107-113
    5.2.1 磁流变抛光对传统抛光亚表面损伤的抑制能力  107-110
    5.2.2 离子束加工对表面水解层的抑制能力  110-113
  5.3 本章小结  113-115
第六章基于亚表面损伤控制的光学元件加工实例  115-127
  6.1 φ500mm抛物面镜的高效加工  115-121
    6.1.1 磨削加工  116-118
    6.1.2 研磨加工  118-120
    6.1.3 抛光加工  120-121
  6.2 复合加工及后处理技术提高激光损伤阂值  121-125
    6.2.1 复合加工及后处理实验  122
    6.2.2 激光损伤阈值检测  122-125
  6.3 本章小结  125-127
第七章总结与展望  127-131
  7.1 全文总结  127-129
  7.2 研究展望  129-131
致谢  131-132
参考文献  132-140
作者在学期间取得的学术成果  140

光学材料加工亚表面损伤检测及控制关键技术研究

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