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非球面的弹性变形加工方法的实验与仿真研究

作　者: 阮德南（NGUYEN DUC NAM）
导　师: 袁巨龙
学　校: 湖南大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 弹性变形非球面玻璃工件真空吸附压力
分类号: TH74
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
下　载: 15次
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内容摘要

非球面可有效提高系统光学性能，降低系统成本，被广泛应用于光电信息、航空航天等高科技领域。传统非球面加工方法，其工件的成形都需要一个复杂的数控系统和高精度、高刚度的机床系统来保证加工精度，加工过程复杂；且其一次只能加工单个零件，在加工成本及加工效率上无法满足非球曲面的精密高效加工要求。近年来，基于面型复制方式的精密模压技术在非球曲面加工领域越来越受到重视并得到长足发展；与基于材料去除的传统冷加工方式相比，精密模压技术具有加工效率高、适用范围广、加工稳定性好等优势，但工件在模压过程中其材料特性会发生改变，且在冷却过程中面型会产生沉降，从而限制了模压技术的加工精度。基于这些背景，本文所研究的弹性变形加工方法提供了一种新的发展方向。弹性变形加工方法是一种新型的光学零件加工方法，能够大大简化大口径非球面镜片的加工，其基本加工原理为：工件在加工之前由于真空吸附的作用产生弹性变形并与一个非球面靠模完全贴紧，非球面靠模的面型为欲加工非球面形；该变形过程均处于工件材料应力应变曲线的线弹性范围以内；随后在保持贴紧的状态下，工件的底部被研磨成一个平面；移除真空吸附作用，工件由于弹性恢复其被加工表面将变成靠模的非球面形状，而未加工面将恢复至平面。由于受到所加工材料硬脆特性的限制，该方法目前仅适用于加工大曲率半径薄型非球面。本论文采用实验和有限元分析（FEA）相结合的方法，研究弹性变形加工方法加工非球面的基本机理；通过计算弹性变形过程中圆形工件的变形建立初步的弹性变形理论模型；通过有限元数值分析对所建立的弹性变形理论模型进行了仿真并将理论值与仿真结果相比较；通过实验确定了不同真空吸附压力对工件变形的影响。本文首先研究了无靠模情况下的弹性变形加工。在研磨过程中，当真空压力保持不变，工件的厚度会减小，导致工件弹性变形的挠度增大从而引起加工面型误差。通过建立有限元数值仿真模型确定了相对应于工件厚度改变时的真空压力值以及真空吸附压力的优化方案。在Nanopoli-100平面抛光机上进行了真空吸附压力优化加工试验。真空压力从50Kpa调整至42kPa时加工面型精度显著改善且完全符合理论计算。在优化条件下，直径为105mm,厚度为1.965mm的工件加工面型误差从62μm减小到1.6μm。由于无靠模情况下，加工过程中保持真空吸附压力不变时工件厚度变化会影响面型精度，因此本文还研究了有靠模情况下的弹性变形加工方法。靠模面形与加工目标面型相同。在真空吸附压力作用下，工件产生弹性变形，其上表面和靠模表面相接触，下表面被研磨抛光至平面。研磨抛光后，真空吸附力去除后，由于材料具有弹性，工件的上表面将恢复至平面面形，下表面形成靠模表面。因此，这种情况下，工件的精度依赖靠模的精度。另外，工件和靠模之间的接触压力也会影响加工精度。本文通过有限元分析和实验研究了工件与靠模之间的接触行为。根据仿真和实验结果，设计了具有非球面轮廓的靠模并进行了加工试验。直径105mm,厚度2mm的工件，工件加工后的面型和靠模面型之间的偏差小于P-V1.82μm。此外，本文还研究了弹性变形加工过程中的工件材料去除率。

全文目录

ABSTRACT  5-7
摘要  7-9
TABLE OF CONTENTS  9-12
LIST OF FIGURES  12-15
LIST OF TABLES  15-16
LIST OF SYMBOLS  16-17
CHAPTER 1 INTRODUCTION  17-37
  1.1 Optical Lens Material  18-19
  1.2 Aspheric Glass Lenses: Benefits and Limitations  19-21
  1.3 Optical Fabrication Techniques  21-33
    1.3.1 Aspheric Optical Fabrication by Cutting Process  22-24
    1.3.2 Aspheric Optical Fabrication by Grinding Process  24-27
      1.3.2.1 Precision Grinding  24-25
      1.3.2.2 Electrolytic In-Process Dressing (ELID)  25-27
    1.3.3 Elastic Emission Machining (EEM)  27-28
    1.3.4 Aspheric Optical Fabrication by Polishing Process  28-33
      1.3.4.1 Fresh Feed Polishing  28-29
      1.3.4.2 Magnetorheological Finishing (MRF)  29-30
      1.3.4.3 Magnetorheological Jet Finishing  30-31
      1.3.4.4 Ion Beam Polishing  31
      1.3.4.5 Laser Polishing  31-32
      1.3.4.6 “Precessions” Polishing  32-33
  1.4 Molding Techniques  33-34
  1.5 Stress Mirror Polishing (SMP)  34-35
  1.6 Research Objectives  35-37
CHAPTER 2 THEORY AND EXPERIMENT OF ELASTIC DEFORMATION  37-53
  2.1 Introduction  37
  2.2 Basic equations for circular plate in elastic deformation  37-44
    2.2.1 If the edge of the plate is clamped  40-41
    2.2.2 If the edge of the plate is simply supported  41-42
    2.2.3 If the edge and a point center of plate are simply supported  42-44
  2.3 Simulation model of elastic deformation  44-49
    2.3.1 Finite element model  44-46
    2.3.2 Finite element analysis results  46-49
    2.3.3 Section summary  49
  2.4 Experimental model of elastic deformation  49-51
    2.4.1 Experimental model  49-50
    2.4.2 Experimental results  50-51
  2.5 Section summary  51-53
CHAPTER 3 SIMULATION AND EXPERIMENTAL MODEL OF ELASTIC DEFORMATION MACHINING METHOD WITHOUT ASSOCIATED MOLDING.37  53-71
  3.1 Introduction  53-54
  3.2 Fabricate aspheric lenses by using elastic deformation machining method without associated molding  54-55
  3.3 Finite element analysis for elastic deformation machining process  55-61
    3.3.1 Finite element model  56-58
    3.3.2 Finite element analysis results  58-60
    3.3.3 Section summary  60-61
  3.4 Experimental model for elastic deformation machining  61-69
    3.4.1 Machine and measurement equipments  61-63
      3.4.1.1 Machine equipment  61-62
      3.4.1.2 Measuring instrument  62-63
    3.4.2 Workpiece material  63-64
    3.4.3 Experimental setup  64-66
    3.4.4 Experimental results  66-69
  3.5 Section summary  69-71
CHAPTER 4 ELASTIC DEFORMATION MACHINING METHOD WITH ASSOCIATED MOLDING  71-88
  4.1 Introduction  71-72
  4.2 Fabricate aspheric lenses by using elastic deformation machining method with associated molding  72-73
  4.3 Finite element analysis for contact behavior  73-82
    4.3.1 Finite element model  74-77
    4.3.2 Finite element analysis results  77-82
  4.4 Mold design  82-84
  4.5 Experimental model of contact  84-87
    4.5.1 Experimental model  84-85
    4.5.2 Experimental results  85-87
  4.6 Section summary  87-88
CHAPTER 5 EXPERIMENTAL MODEL OF ELASTIC DEFORMATION MACHINING METHOD WITH ASSOCIATED MOLDING  88-98
  5.1 Experimental setup  88-90
  5.2 Experimental results  90-92
  5.3 Material removal model in elastic deformation machining method  92-97
    5.3.1 Material removal characteristics  92-95
    5.3.2 Experimental results  95-97
  5.4 Section summary  97-98
CHAPTER 6 CONCLUSIONS  98-102
  6.1 Summary  98-99
  6.2 New points  99-100
  6.3 Future works  100-102
REFERENCES  102-110
ACKNOWLEDGEMENT  110-111
APPENDIX A: PUBLICATIONS  111-112
APPENDIX B: PROJECTS  112-113
APPENDIX C: TEST RESULTS BY MARFORM MMQ-400MEASUREMENT INSTRUMENT  113-117
APPENDIX D: 中文摘要  117-151

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