光栅机械刻划颤振机理的研究

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1、光栅机械刻划颤振机理的研究第一章绪论1.1课题研究目的及意义衍射光栅是一种十分重要的光学元件，规则地配置着线、缝、槽或者光学性质变化的物质⑴。近年来，随着微纳加工技术和微光学领域的不断发展，衍射光栅广泛应用于光谱仪、光计算、光学通讯、光学信息处理、光学精密测量和惯性约束激光核聚变等诸多领域正如George.R.Harrison所说我们很难找出另一种像衍射光栅这样的给众多科学领域带来更为重要信息的简单器件。衍射光栅的制造历史至今已有一百多年，依赖光栅理论上的突破和先进技术的发展，衍射光栅的制造技术在不断的改进，衍射光栅的各项技术指标也得到了不断的改善。光栅常用的

2、制作方法有机械刻划法、真空蒸发法、全息法等机械刻划是利用超精密光栅刻划机驱动金刚石刻划刀在镀有错膜的基底上进行刻划，通过刻划刀对锅膜材料进行挤压、摩擦，使得招膜材料发生弹塑性变形，进而形成具有槽形结构的光栅。近年来，虽然激光全息法制作光栅得到了广泛应用，但对于加工闪耀光栅及高密度刻线的衍射光栅,全息法还存在诸多的技术困难。尤其是对于中阶梯光栅、红外光栅等特殊光栅,必须采用机械刻划的方式来制作此外，和全息、复制等制作方法相比，机械刻划法是制作原刻母版光栅的主要方法，对于低槽线密度、大面积的光栅制作来说具有不可替代的优势》。所以各国的光栅科研人员不断地釆用新技术提

3、高刻划机的性能，运用光栅新理论改善光栅刻划工艺。1.2光栅刻划机国内外研究现状最早的光栅是由天文学家Rittenhouse制作的。1786年，他在两根细牙螺丝之间平行地绕上细丝，透过它去看暗室里百叶窗上的小狭缝时，观察到三个亮度相近的像，在每边还有另外几个像。离主线越远，它们越暗淡，有色彩，并且有些模糊。他实际上制成了透射光栅，还在费城做了光栅实验。1823年，夫浪和费制造出了第一块真正意义上的衍射光栅。1870年，卢瑟福在50mm宽的反射镜上用金刚石刻刀刻划了3500条刻槽，这是第一块分辨率与棱镜相当的衍射光栅[17]。现代衍射光栅之父H.A.Rom，刻线长

4、度至300mm，刻线密度范围是20?1500g/mm。MIT-B刻划机是用定的双频激光干涉仪控制的，它不但能监测工作台的位置，还可以矫正摆角偏差。这台刻划机刻出的光栅分辨率几乎和理论分辨率一致，几乎消除了罗兰鬼线并使杂散光降到最低。此外，该刻划机还刻划出了近乎完美的中阶梯光栅，这是对光栅刻划机要求最为苟刻的应用。第二章光栅机械刻划摩擦型颠振机理及其动力学模型2.1引言本章主要从形成系统不稳定性的着眼点对光栅机械刻划摩擦型颤振机理进行研究，针对金刚石尖劈刀和弹性刀架建立振动系统的动力学模型，对竖直Z向单自由度振动进行了具体的稳定性分析，并从能量的角度对颤振进行了

5、研究分析。颤振的发生需要两个条件：第一，系统在平衡点附近的不稳定性。第二，迫使系统的工作点略为偏离平衡点的外界扰动。颤振是一种扰激振动，因为它总是发端于某一个偶然的外界扰动，只是由于这个扰动的大小与形式无关紧要，并且现实世界又总是充满了各种各样的扰动（如硬质点引起的材料致动)，因此第二个条件总是满足的，所以只要系统本身在平衡点附近的不稳定性一旦形成，则只需某个偶然扰动出现，即引发颤振，所以我们对颤振进行研究的着眼点和方法与对自由振动和强迫振动的研究不同：无须研究引发振动的那个偶然扰动的大小和形式，也无须探讨这种扰动与它所激起的振动之间的关系，而是着重研究形成系

6、统自身不稳定性的机理与规律金属切削的一般理论论述的全是稳定状态的切削过程。颤振也是一个切削过程，然而是一个具有动态特性的切削过程，因此颤振理论是论述非稳定状态下（即具有振动条件下）的金属切削过程。颤振的最重要特性就是它不是由外界周期力所引起的，造成和维持颤振的力是在振动过程（动态切削过程）中自行产生的。因此，颤振是从切削工作中吸收能量以维持自身振动的。2.2光栅机械刻划过程简介光栅机械刻划是由光栅刻划机带动金刚石刻划刀对光栅招膜进行挤压抛光，使其发生形变形成刻槽的。金刚石尖劈刀是常用光栅刻划任务首选的光栅刻划刀具类型，由于尖劈刀需要的负载相对较小，所以尖劈刀比

7、圆弧刀更容易发生振动在此研究的颤振也是以尖劈刀刻划为主。尖劈刀由定向面、非定向面、倒角面、一条主刻划刃和两条副刻划刃构成，三条刻划刃相交的那一点即为刀尖，尖劈刀的主要标注角度为定向角、刀尖角和后倒角，尖劈刀的刀具结构图如图2.1所示。尖劈刀刀刻划光栅过程如下图2.2所示，刻划刀压入锅膜至预定刻划深度后开始沿着刻划方向运动，刻划刀的主刻划刃会将锅膜表面切开，被切开的锅膜材料会沿着两侧刀面流出，两侧刀面对流动的材料进行挤压摩擦。在材料内力和刻划刀挤压摩擦力的作用下，大体材料先横向推幵，然后向上运动堆积在刀面两侧形成隆起，这符合超精密加工过程中侧向塑流原则。随着刻划

8、刀的运动，刀面两侧的隆起越来越高，由于