陶瓷和金属材料光学表面抛光特性的研究

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1、分类号：密级：可公开UDC：编号：陶瓷和金属材料光学表面抛光特性的研究ResearchonthePolishingCharacteristicsofOpticalSurfaceforCeramicandMetalMaterials学位授予单位及代码：长春理工大学（10186）学科专业名称及代码：光学工程（080300）研究方向：现代光学技术与工程申请学位级别：博士指导教师：李荣彬研究生：李卓霖论文起止时间：2012.09-2016.10长春理工大学博士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的博士学位论文《陶瓷和金属材料光学表面抛光特性的研究》是本人在指导教师的指导下，独立进

2、行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名：年月日长春理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文全文数据库和CNKI系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数

3、据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名：年月日导师签名：年月日摘要随着空间光学系统的迅猛发展，空间反射式光学系统的性能要求越来越高，对光学元件表面的加工精度要求也随之升高。目前，对于光学制造过程中材料表面变化趋势的分析研究关注较少。保证超精密抛光工艺过程具有针对性、确定性和重复性，同时还要提高超精密抛光环节的精度和工艺效率，在超精密光学表面加工过程中是非常关键的。本论文针对不同材料的表面属性，分别对陶瓷类材料和金属类材料表面进行超精密抛光工艺的研究，选择具有代表性、应用广泛的碳化硅和铝合金两种不同种类的材料作为研究对象。针对陶瓷类材料碳

4、化硅表面，采用计算机数控超精密柔性气囊抛光技术；在金属类材料铝合金表面的加工工艺中，选择确定性精密低压抛光工艺，通过理论推导、实验验证和数据分析，深入研究两种材料光学表面的抛光特性。在碳化硅表面抛光的实验设计中，使用Taguchi设计分析方法，针对柔性气囊型抛光工具的抛光角度、转速、压力以及补偿深度等主要参数，重点研究多尺度抛光工艺影响因素MPIF(Multi-scalePolishingInfluenceFactors)对材料表面面形、表面粗糙度、光学反射效率以及表面去除特性等方面的趋势比对分析，基于普雷斯顿Preston数学模型、赫兹理论分析抛光工艺参数与去除速率的关系

5、。针对高精度铝合金表面，利用快速傅里叶变换方法，转换金属表面面形特征。将二维表面轮廓特征测量曲线转换成空间频谱的表达方式：将光学表面制造误差中的表面粗糙度、几何形状误差以及介于两者之间的波纹度，对应转换为三个空间频域进行分析：较高空间频率范围(高频带)、较低空间频率范围(低频带)和中空间频率范围(中频带)。引入功率谱密度PSD(PowerSpectralDensity)概念，分析总结功率谱密度与表面粗糙度对应的频谱区域，精准判断表面面形质量与空间频带的对应模式以及超精密表面加工过程中的空间频带变化临界范围，量化出高频误差和反射效率的对应关系，通过正确选取最优工艺参数，达到金

6、属表面空间频域范围内确定性高效抛光。根据硬脆性材料和塑性材料表面的属性差异，对于表面去除模式的双体划动和三体滚动模式进行建模对比分析，包括相关实验和表面数据的测量，利用超精密抛光设备软件将二维表面测量轮廓曲线转换成三维表面去除特征图，分别通过Matlab和Geany软件构建表面去除轮廓模型和空间频域分析图，进行模拟比对。通过接触式轮廓仪测试系统、非接触式激光干涉形貌测量仪以及红外傅里叶光谱仪测量实验工件的表面面形及光学反射效率。对于碳化硅材料表面，确定了多尺度抛光工艺影响因素和工件表面质量的对应关系；针对铝合金材料表面，基于不同切削深度、不同切削间距的工件表面面形，判断确定

7、性精密低压抛光工艺参数对工件表面粗糙度、表面反射率与空间频率范围的影响趋势，分别得出两种材料属性的光学表面抛光特性。I关键词：超精密抛光技术表面粗糙度表面反射率Taguchi方法傅里叶变换功率谱密度IIABSTRACTWiththedevelopmentofspaceopticalsystems,therequirementsoftheperformanceofreflectivespaceopticalsystemsaregrowing,whilethemachiningaccuracyofthesurfaceo