非球面模具超精密补偿加工技术_尹韶辉
小口径非球面玻璃透镜模压成形_尹韶辉
—— 和体积应变
G1(t) —— 相应的偏差模量 G2(t) —— 相应的体积模量 在不同的粘性模型中，最常用的是两个模型 Vogel Fulcher Tamman (VFT) 方程和 Arrhenius 方 程[6-7]。 VFT 方程能在较大的温度范围内较好地拟合 粘性，而 Arrhenius 方程能更好地拟合粘性域为
与塑胶镜片相比，玻璃镜片具有较高折射率、低吸 收率、宽的光穿透频谱范围、高抗变形性、高抗高 温性、高抗湿性、硬度高等特性。因此，非球面玻 璃透镜成为光学领域的研究重点。 传统非球面玻璃透镜的冷加工以磨抛为主，经 过粗磨、精磨、抛光、磨边等十几道工序加工而成， 制造周期长，加工精度不稳定。其生产效率和工艺 稳定性无法满足迅速发展的行业需求。近年发展起 来一种新型的光学玻璃模压成形技术，就是在一定 温度、压力下，用具有预定产品形状的高精度模具 模压玻璃预制件，从而获得具有最终产品形状和光
粘弹性体的本构方程由式(1)、式(2)给出 t eij (t ) dt sij (t ) G1 (t t ) 0 t t (t ) dt (t ) G2 (t t ) 0 t 式中 sij —— 偏应力
(1)
(2)
—— 体积应力
eij —— 相应的偏应变
0
Hale Waihona Puke 前言*随着光电通信、光学、汽车、生物工程、航空 航天技术、电子及军用武器装备的迅速发展，光学 玻璃应用日趋广泛。非球面玻璃透镜因为能够有效 减小影像畸变、彗星像差，改善成像质量，提高系 统鉴别能力， 并简化仪器结构等[1]而成为备受重视。
* 国家科技重大专项(2010ZX04001-151)、国家自然科学基金(50975804) 和 江 苏 省 科 技 计 划 (BE2011053) 资 助 项 目 。 20111228 收 到 初 稿 ， 20120508 收到修改稿
非球面光学零件超精密加工技术
非球面光学零件超精密加工技术1．1非球面光学零件的作用非球面光学零件是一种非常重要的光学零件，常用的有抛物面镜、双曲面镜、椭球面镜等。
非球面光学零件可以获得球面光学零件无可比拟的良好的成像质量，在光学系统中能够很好的矫正多种像差，改善成像质量，提高系统鉴别能力，它能以一个或几个非球面零件代替多个球面零件，从而简化仪器结构，降低成本并有效的减轻仪器重量。
非球面光学零件在军用和民用光电产品上的应用也很广泛，如在摄影镜头和取景器、电视摄像管、变焦镜头、电影放影镜头、卫星红外望远镜、录像机镜头、录像和录音光盘读出头、条形码读出头、光纤通信的光纤接头、医疗仪器等中。
1．2国外非球面零件的超精密加工技术的现状80年代以来，出现了许多种新的非球面超精密加工技术，主要有：计算机数控单点金刚石车削技术、计算机数控磨削技术、计算机数控离子束成形技术、计算机数控超精密抛光技术和非球面复印技术等，这些加工方法，基本上解决了各种非球面镜加工中所存在的问题。
前四种方法运用了数控技术，均具有加工精度较高，效率高等特点，适于批量生产。
进行非球面零件加工时，要考虑所加工零件的材料、形状、精度和口径等因素，对于铜、铝等软质材料，可以用单点金刚石切削(SPDT)的方法进行超精加工，对于玻璃或塑料等，当前主要采用先超精密加工其模具，而后再用成形法生产非球面零件，对于其它一些高硬度的脆性材料，目前主要是通过超精密磨削和超精密研磨、抛光等方法进行加工的，另外．还有非球面零件的特种加工技术如离子束抛光等。
国外许多公司己将超精密车削、磨削、研磨以及抛光加工集成为一体，并且研制出超精密复合加工系统，如RankPneumo公司生产的Nanoform300、Nanoform250、CUPE研制的Nanocentre、日本的AHN60―3D、ULP一100A(H)都具有复合加工功能，这样可以便非球面零件的加工更加灵活。
1．3我国非球面零件超精密加工技术的现状我国从80年代初才开始超精密加工技术的研究，比国外整整落后了20年。
非球面玻璃透镜模压成型应力状态及成型形状的数值模拟与仿真
非球面玻璃透镜模压成型应力状态及成型形状的数值模拟与仿真
Finally, lens shape after releasing was predicted, and the relationship between process parameter and lens final shape was studied by changing single process parameter. The results show the higher the molding temperature, the smaller the form error, and the quicker the molding velocities is, the form error grows larger . Annealing rate has little effect on the shape deviation, and when maintenance force increasing, shape deviation becomes smaller. At last, shape deviation become smaller when riction coefficient grows.
关键词：玻璃模压成型；非球面透镜；黏弹性；形状偏差
II
硕士论文
Abstract
Aspherical glass lens has a widespread application in recent years.The conventional technique which involves grinding, lapping and polishing can not satisfy requests of high-precision volume manufacturing. Glass molding process has emerged as a promising way to produce aspheric glass lens with high precision and efficiency . Although the molding process appears to a better alternative, there are shortcomings that need to be studied before using the process for mass production. From the point of view of the current study, the shortcomings include both appropriate process parameter choosing and mould shape compensation. Finite element simulation can be used to compute lens internal stress state and final lens shape as a reference of the process parameter choosing and mould shape compensation. In this paper, the theory of glass molding process and glass material model at transition temperature region was introduced briefly. The results indicated that lens internal stress relaxes faster at higher temperature. With the application of the advanced nonlinear finite element software MSC.MARC, four steps including heating, pressing, annealing and releaseing were all studied. To predict the heating and pressing parameters of a micro aspheric lens molding process, a molding process model was established and all the boundary conditions were set. Based on the finite element software numerical simulation, mold filling condition of glass D-ZK3 at 540 ℃ ～ 590 ℃ was analyzed, and the optimum molding temperature is about 580 ℃ .The results also show the higher the molding temperature, the smaller the residual stress, and the minimum heating time for this model is about 155s at 580 ℃ molding temperature. Finally different molding velocities were analyzed, and the results show the average residual stress of lens increases with molding velocity increasing. In the stages of annealing and releasing, stress reduction at the beginning of releasing was analyzed. Stress distribution of lens for four steps was discussed, and at the time of mold closing, stress reaches its maximum value. The mechanism of process parameter and friction coefficient influencing stress distribution was clarified. The minimum annealing time at different molding temperature and molding velocities were all predicted. Annealing time estimation for this model were all clarified.
非球面模具超精密补偿加工技术
非球面模具超精密补偿加工技术尹韶辉;李海峰;陈逢军;王宇【摘要】为了实现非球面模具的超精密数控加工,研究了加工轨迹算法原理及整个软件系统的结构与实现.提出了基于表面粗糙度均匀化的工件进给速度控制法,分析了工具磨损误差和工件形状误差,重点提出了误差补偿方法,同时也讨论了采用砂轮平行磨削法时避免加工干涉的方法.软件能生成高精度的加工与补偿加工数控程序文件.最后,在一台镜面磨床上实验加工直径为6 mm的碳化钨透镜模具,经过多次补偿加工后,获得了谷峰值为0.123 μm, 误差均方根为0.021 μm的表面形状精度.【期刊名称】《纳米技术与精密工程》【年(卷),期】2010(008)005【总页数】6页(P433-438)【关键词】超精密加工;平行磨削法;形状误差补偿;非球面光学模具;数控编程软件【作者】尹韶辉;李海峰;陈逢军;王宇【作者单位】湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心,长沙,410082;湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心,长沙,410082;湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心,长沙,410082;湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心,长沙,410082【正文语种】中文【中图分类】HT74非球面的超精密加工技术研究一直是制造领域的热点和难点.从20世纪60年代以来，国内外有关专家投入了大量的人力物力，在美国、日本、欧洲等发达国家已经有了成熟的超精密磨削装备及工艺研究成果，而我国超精密磨削技术还处在起步阶段[1-2]，还没有真正投入实际生产应用的超精密机床产生，在工艺方面的研究还未能真正深入下去.超精密磨削技术的研究可分为两方面：一是机床硬件的开发；二是具有补偿功能的高精度数控软件系统的开发.目前国外的大部分硬件都能够达到实际应用要求，国内相关企业院校也在积极研究[3]；对于软件部分，国内还停留在理论方面的研究，自主开发的能够非常成功地进行非球面超精密补偿加工的软件还非常欠缺，因此开发产品的软件部分显得尤为重要，这也是自主产品开发的瓶颈问题之一.本文中主要从计算机数控软件开发方面来实现非球面的超精密加工.以平行磨削工艺为基础，研究了非球面加工成形算法、加工补偿原理及软件的结构与实现.通过控制和优化加工路径，对加工过程中可能产生的误差与干涉分别采取补偿与避免措施，然后利用 C++Builder 设计开发出非球面自动加工补偿软件系统.利用该软件可以自动生成非球面加工与补偿加工数控 (numerical control， NC)程序.最后，通过实验加工直径为6 mm的小凹非球面碳化钨模具，经过多次的补偿加工后获得工件的形状精度谷峰值PV(peek-valley)为0.123 μm，误差均方根RMS(root mean square)为0.021 μm.软件运行稳定，数据处理效率高且与数控系统兼容性好，该软件适合非球面模具的超精密补偿加工，具有很好的应用推广前景.1 软件的算法分析和加工轨迹控制应用光学中各种形式的轴对称曲线方程都可以用一个一般的形式来表示.设光轴(即非球面的旋转对称轴)为Z轴，坐标原点取在顶点,则轴对称非球面曲线方程[4]为(1)式中：C=1/R， R为曲线的基圆半径；x为坐标变量；k为非球面圆锥系数.当C=0时，曲线为多项式曲线. N可根据实际需要选取，一般N取10即可满足高次非球面系数的要求.轴对称形式的非球面磨削加工常采用球头砂轮或直角砂轮作为磨削工具.本软件采用球头砂轮平行磨削法，加工时可以减少砂轮的磨损和工件表面、亚表面损伤及面形误差[5-6].由于工件可随轴旋转，只需要控制机床X、Z两轴或X、Z、B 3轴联动(B轴是安装在X轴上的水平旋转工作台)，就可完成非球面曲面形状加工.软件算法设计时，以待加工的非球面顶点为编程坐标原点，砂轮球头中心点为工具轨迹控制中心，编程时通过控制砂轮中心点o的运动产生工具路径.最后，将生成NC代码输入CNC控制器，控制机床X、Z、B坐标运动完成磨削加工.砂轮的移动速度有加工慢进给和退刀快进给两种，其走刀轨迹如图1所示，其中Rt为工件的半径，Rr为砂轮球头半径.程序算法中定义get_z(double(u))作为式(1)的计算返回函数.假设在非球面光学曲面中，某点P的X坐标为XP(i)，通过调用该函数就可以求得该点在曲面上的Z坐标值，即ZP(i)=get_z(XP(i)) i=1，2，…，n(2)设曲线轮廓某点的切线角(即曲线切线与X轴的夹角)为ang(i)，(XO(i),ZO(i))为工具中心坐标，(XP(i),ZP(i))为非球面曲线轮廓上加工点的坐标.根据简单的几何关系，可以得出工具中心点与磨削点之间关系，即(3)图1 刀具轨迹示意通过式(3)可将砂轮控制轨迹与工件目标轨迹联系在一起.在加工时通过设置X方向的加工步距，可以控制程序计算误差在所需要的精度范围内.为了提高算法精度，在计算轮廓切线角ang(i)时，采用解析法，通过求曲线方程式(1)的一阶导数的反正切，计算公式如下：ang(i)=arctan (dz)(4)(5)(6)实际加工时，由于工件加工点线速度不均匀，使得加工后工件表面的粗糙度不均匀，影响表面质量.在设计工具磨削进给速度时考虑了两种进给方式，一种是常规的恒速进给，另一种是基于粗糙度均匀化的变速进给.在图2中，v1、v2分别为靠近工件中心处工件加工点的线速度和砂轮进给速度.为使两者的合速度在加工过程中基本相等，当靠近工件边缘处工件加工点线速度增加到时，砂轮进给速度需减少到，才能使得合速度v=v′.为解决此问题，本文中通过控制工件加工点的圆周速度并转化为改变工具进给速度的方法来实现变速加工[7].利用易于实现的软件控制方法代替采用较贵的主轴伺服硬件调速技术达到的同样效果.算法流程如图3所示，其中u1和u2分别为刀具中心点和加工点的移动速度，mm/min；L1和L2分别为刀具中心和加工点相邻插补点的距离，mm；u为进给速度，mm/min；ω为工件回转速度，r/min；计算变量，r为实际加工点处工件半径.图2 磨削点合速度图图3 算法流程2 误差补偿与干涉避免2.1 砂轮磨损与轨迹修正在磨削加工过程中，影响工件表面轮廓精度的误差源包括砂轮的安装误差、砂轮路径及机床位置误差、砂轮的尺寸和轮廓误差、由于超精密机床的高刚度和高精度，砂轮的尺寸和轮廓误差是影响工具路径和工件面形精度的一个主要因数[8]，它们主要来源于砂轮的在机整形和整个磨削加工过程中的砂轮磨损.为了使工件达到高的轮廓和表面精度，砂轮的几何误差必须在下个磨削加工循环前进行精确测量和补偿.在图4中，加工前砂轮半径为R，加工后测得砂轮半径磨损量为ΔR，,为修正后砂轮中心的轨迹坐标，磨削点法线方向与Z轴夹角为β(i)，则补偿后的砂轮中心轨迹坐标为(7)图4 砂轮半径补偿示意(8)2.2 面形精度的补偿一般情况下，初次磨削加工后面形误差会比较大，为保证残余形状误差的快速收敛，提高加工精度，必要的形状误差补偿技术必不可少[9-10]，只有通过一次或多次形状误差补偿加工才能获得纳米级的加工表面精度.形状误差补偿通常采用“加工—测量—补偿—再加工”的循环过程.本软件中采用的加工补偿流程如图5所示：首先，在加工前对砂轮进行整形修锐，利用软件生成的初始刀具轨迹对工件进行磨削加工，接着利用轮廓测量仪对已加工面进行在位测量[11].软件在获得测量数据后，利用快速傅里叶变换(fast Fourier t`ransform，FFT)过滤去测量系统的随机误差，并将剩余离散数据拟合成一条将叠加于非球面母线上的误差连续曲线，并对比理想磨削刀具轨迹，计算出生成的形状误差数据.最后，根据形状误差数据对原有的刀具轨迹进行补偿，生成新的NC加工程序，再次对工件进行磨削，如此循环，直到形状精度达到要求为止.图5 误差补偿加工基本流程2.3 平行磨削干涉的避免在加工凸面非球面时砂轮半径大小不会对加工面造成干涉，本文中讨论加工凹面时的情况.由于非球面上每个点的曲率半径不同，为了避免工具头与曲面的干涉，要满足选用的砂轮的曲率半径小于或等于非球面曲率半径的最小值.设非球面曲率半径为R(i)，其计算式为(9)即要满足Rr≤min R(i).微小砂轮平行磨削时，还需要设置合适的砂轮倾斜角度来避免砂轮轴面与曲面的干涉.为了避免此干涉，需要满足砂轮的倾斜角α>max β(i).3 软件的实现与加工实验软件利用C++Builder 6.0作为开发工具，软件系统结构如图6所示，加工主程序界面如图7所示.图6 软件系统的结构图7 加工主程序界面实验加工采用凹面非球面，材料为碳化钨棒料，实验在一台4轴高精度磨床(见图8)上进行.实验前利用金刚石笔对砂轮进行修整.砂轮安装在机床主轴上，金刚石笔装在B轴旋转工作台上，金刚石笔尖沿砂轮轮廓运动的同时B轴转动，使金刚石笔的中心线与接触点法线重合，过程类似车削，如图9所示.图8 实验机床图9 砂轮修整实验时采用AFG-M水溶冷却液，其他实验参数见表1.为减少砂轮磨损，提高加工效率，粗加工时采用X-Z两轴联动包络形成非球面轮廓轨迹，精加工时使用X-Z-B 3轴联动保证砂轮与工件接触点的位置始终位于砂轮截面圆弧的同一位置上，减少砂轮半径误差对非球面面形精度的影响.设置好所有参数后，将软件生成的NC加工程序导入机床数控系统中进行磨削加工，加工完成后利用机床自带的高精度轮廓测量仪对工件表面进行形状精度在位测量，获取面形精度数据文件.表1 实验参数加工方法进给速度/(mm·min-1)步距/μm金刚石砂轮砂轮转速/(r·min-1)工件转速/(r·min-1)粗加工22#235(φ6mm)金属结合剂精(补偿)加工11#2000(φ6mm)树脂结合剂45000200粗加工获得的形状误差数据曲线如图10(a)所示(误差值的均方根RMS=0.216 μm，谷峰值PV=0.795 μm)，经过多次补偿加工后获得的形状误差曲线图如图10(b)所示，误差值的均方根RMS=0.021 μm，谷峰值PV=0.123 μm，形状精度有了较大的提高.利用Zygo干涉仪测量工件中心半径处结果如图11所示，加工后工件照片如图12所示.图10 工件形状误差曲线图11 Zygo干涉仪测量结果在相同的实验条件和加工参数下，由机床自带软件粗加工后形状误差曲线如图13(a)所示(误差值的均方根RMS=0.186 μm，谷峰值PV=0.540 μm)，同样经过补偿加工后形状误差曲线如图13(b)所示(误差值的均方根RMS=0.018 μm，谷峰值PV=0.122 μm).图12 工件照片图13 机床自带软件加工的工件形状误差曲线实验结果说明该软件生成的加工和补偿加工NC数据代码精度高，补偿效果明显，基本上接近国外先进的非球面加工机床自带软件加工出的工件精度，能够满足高精度的非球面模具加工的需要.4 结语对于一套适合高精度镜面磨削加工软件系统，成形算法是基础，误差补偿是关键.本非球面加工软件系统采用了高精度的插补算法，提出了变速进给加工方式，运用了误差在位测量与自动补偿技术，大大提高了加工精度.加工时采用平行磨削法，在减少砂轮磨损的同时，提高了加工质量.精加工时使用X-Z-B 3轴联动可减少砂轮半径误差对非球面面形精度的影响.通过对直径为6 mm的小型模具进行超精密微细补偿磨削加工实验，软件能够获得适合高精度加工及补偿加工程序，加工后的工件获得了较高的形状精度.该软件具有良好的工程应用前景.【相关文献】[1] 刘家豪，傅建中，陈子辰. 超精密加工的关键技术及发展趋势 [J]. 机电工程，2001, 18 (5) : 19-21.Liu Jiahao， Fu Jianzhong, Chen Zichen. The ultra-precision machining technology and it’s domestic and international progress [J]. Mechanical & Electrical Magazine,2001,18(5): 19-21(in Chinese).[2] 韩成顺，张龙江，董国军，等.轴对称非球面镜超精密加工新方法的几何模型[J]. 纳米技术与精密工程，2008，4(4)：291-295.Han Chengshun，Zhang Longjiang，Dong Guojun，et al.Modeling of the new machining methods for ultra-precision axisymmetric aspheric mirrors[J]. Nanotechnology and Precision Engineering, 2008，4(4)： 291-295(in Chinese).[3] 欧阳渺安, 孔凡国. 超精密非球面镜面计算机辅助设计与应用[J].机械设计与研究, 2006, 22(6): 66-71.Ouyang Miaoan, Kong Fanguo. Study and applications of computer aided design for ultra-precision aspheric lens [J]. Machine Design and Research, 2006, 22(6): 66-71(in Chinese).[4] 杨力．先进光学制造技术 [M]. 北京: 科学出版社, 2001.Yang Li. Advanced Optics Manufacture Technique [M]. Beijing: Science Press, 2001(in Chinese).[5] 陈逢军, 尹韶辉, 王宇. 结合ELID磨削与MAF工艺对复杂曲面的加工与控制 [J]. 中国机械工程, 2008， 19 (22): 2657-2661.Chen Fengjun, Yin Shaohui, Wang Yu. Machining control for complex surfaces based onelectrolytic in-process dressing (ELID) grinding and magnetic abrasive finishing (MAF)[J]. China Mechanical Engineering, 2008, 19 (22): 2657-2661 (in Chinese).[6] Saeki M, Kuriyagawa T, Syoji K. Machining of aspherical molding dies utilizing parallel grinding method [J]. J of JSPE, 2002, 68(8): 1067-1071.[7] Yin Shaohui, Li Haifeng, Fan Yufeng, et al. Development of ultra-precision grinding process for aspheric surface based on feed rate controlling and error compensation methods[J]. Advanced Materials Research， 2010， 97/98/99/100/101: 2192-2196. [8] Huang H, Chen W K, Kuriyagawa T. Profile error compensation approaches for parallel nanogrinding of aspherical mould inserts[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture， 2007, 47(15): 2237-2245.[9] Nishiguchi T, Koizumi Y, Maeda Y, et al. Development of productivity in aspherical precision machining with in-situ metrology [J]. 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小口径非球面光学玻璃透镜模具超精密数控复合机床的研发与应用
小口径非球面光学玻璃透镜模具超精密数控复合机床的研发与应用尹韶辉;陈逢军;龚胜;余剑武;尹自强;关朝亮;曹成国;曹晓红【期刊名称】《世界制造技术与装备市场》【年(卷),期】2016(000)004【总页数】6页(P24-29)【作者】尹韶辉;陈逢军;龚胜;余剑武;尹自强;关朝亮;曹成国;曹晓红【作者单位】湖南大学;湖南大学;湖南大学;湖南大学;国防科学技术大学;国防科学技术大学;北京工研精机股份有限公司;陕西秦川机床工具集团有限公司【正文语种】中文传统的非球面光学玻璃透镜制造一般采用材料去除的机械加工法,通过粗磨、精磨、抛光、磨边等十几道工序加工而成，制造周期长，加工精度不稳定，生产效率和工艺稳定性无法满足迅速发展的行业需求。
因此，近年发展起来一种新型的玻璃光学元件模压成型技术，采用高精度的光学模具，通过加温加压直接压制成型超精密玻璃光学元件，从而开创了大批量、高效率制造玻璃光学元器件的新时代。
光学玻璃透镜模压成型技术，与传统的材料去除加工方法相比，模压成型的光学元件面形精度高，而且精度稳定，容易实现精密非球面光学零件的批量生产，降低生产成本。
这项技术的普及推广应用是光学行业在光学玻璃零件加工方面的重大革命。
日本HOYA，德国蔡司，荷兰菲利浦，美国康宁等均已经进入生产实用阶段。
目前国内很多光学企业急需开发这一技术。
湖南大学、北京理工大学、苏州大学、中国科技大学等单位正在研发这一技术。
在热压成型工艺中，模具形状精度及表面质量直接决定着透镜的形状精度及表面质量。
因此超精密模具的制造是热压成型的关键技术之一。
超精密光学模具，要求具有很高的抗压强度与硬度、极高的弹性模量、良好的热强性能与导热性能、较低的热膨胀系数等。
常采用WC硬质合金模具。
但由于它具有高硬度、高耐磨性，并且加工空间狭小，实现其高精度、高效率加工较为困难。
如何实现小口径非球面光学透镜成型加工所用模具的高精度化、高效率化的加工一直是困扰业界的难题。
第二十二届中国磨粒技术学术会议主题报告速览
第二十二届中国磨粒技术学术会议主题报告速览Quick review of topic reports on 22nd Chinese Conference of Abrasive Technology马宇昊，尹韶辉，刘 坚，李明泽，索鑫宇（湖南大学）9月22日至24日，第二十二届中国磨粒技术学术会议在江苏无锡召开，参会专家、学者近500人。
本次会议共邀请到12位专家学者进行主题报告，分别展示了磨粒技术领域的最新发展和学术成果。
华侨大学徐西鹏教授报告了一种金刚石衬底的高效低损伤反应磨削加工中活性磨料选择方法。
通过第一性原理计算、真空热处理实验、激光诱导等离子体刻蚀实验等方式遴选适宜辅助研磨金刚石的活性金属元素，然后通过添加活性金属微粉和将活性金属镀覆在磨粒表面等方法制备出含活性金属的磨削砂轮，分别采用恒进给切入式磨削和恒载荷端面磨削两种方式研究了含活性金属砂轮反应磨削金刚石的磨削机理、磨削质量和磨削效率。
华中科技大学陈学东教授针对超精密运动工作台超稳结构设计、超精运动控制及超静环境减振等问题，介绍了纳米精度运动系统多物理场耦合动力学仿真与设计、超精密宏微主从-双台交叉同步控制以及准零刚度减振-稳姿等技术的研究进展，并介绍了这些技术在IC制造装备研制中的实际应用。
澳大利亚昆士兰大学黄含教授在报告中对硬脆材料延性域加工的前期工作进行了系统回顾，并重点介绍了脆性材料延性域加工的理论依据，以及阈值破坏机理对脆性材料去除模型的影响。
最后介绍了半导体晶体材料加工去除机理和磨削工艺开发的一些案例，根据自己的研究经验提出未来脆性材料延性域加工领域需要解决的关键问题。
南方科技大学张璧教授的报告聚焦磨削加工过程中复合材料的去除机理、加工表面完整性和先进磨削技术等，汇报国内外研究机构在各类复合材料的磨削加工研究方面的最新进展，首次提出复合材料磨削加工过程中的四大效应，即尺寸效应、各向异性效应、界面效应和热效应，这四大效应可能会共同影响复合材料的磨削加工结果。
第十六届中日超精密加工国际会议主题报告速览
第十六届中日超精密加工国际会议主题报告速览Quick review of topic reports on the 16th China-Japan International Conference onUltra-Precision Machining Process姚 鹏，屈硕硕，褚东凯（山东大学）3月25日至27日，第十六届中日超精密加工国际会议在山东济南召开，线上参会专家、学者近2 000人。
本次会议共邀请到11位专家学者进行主题报告，分别展示了精密与超精密加工领域的最新发展和学术成果。
西安交通大学蒋庄德院士在报告中分析比较了世界各国制造业发展的优势，介绍了我国制造业发展的现状。
蒋院士指出：智能制造是新一轮产业革命的核心，是制造业创新驱动的主要方向；在智能制造的发展中，先进的传感技术作为关键的核心技术之一，将在各个领域发挥越来越重要的作用。
报告结合课题组的研究方向，重点介绍了高端设备和先进传感技术的研究进展。
日本理化学研究所大森整教授报告了一种新的镜面磨削方法。
采用树脂结合剂金刚石砂轮和离子喷丸研磨液修整系统对SUS304进行镜面磨削，重点研究了几种离子喷丸研磨液的电导率和pH值。
研究表明：使用选择的天然泉水作为离子喷丸研磨液，可获得表面粗糙度R a为9.0 nm的工件，且工件表面无毛刺。
广东工业大学王军教授概述了磨料水射流研究的最新进展，包括对射流和冲击过程的新理解，分享了磨料水射流加工复合材料的研究工作、材料分层机理以及实现复合材料无损伤加工的方法，最后讨论了该技术的未来前景。
日本东北大学厨川常元教授介绍了Pico Precision Advanced Process（PPAP）和功能生成加工的复合加工工艺，在混合工艺中引入了复合振动加工、超声振动辅助电解磨削、超声振动辅助等离子体放电磨削和激光辅助微切削。
日本庆应义塾大学阎纪旺教授报告了废硅粉再生利用技术和激光诱导纳米颗粒/纳米线的生成技术。
光学非球面超精密切削的在位测量及补偿加工
光学非球面超精密切削的在位测量及补偿加工
张亮;郭曦鹏;王定文;徐闻;刘坚;黄帅;尹韶辉
【期刊名称】《金刚石与磨料磨具工程》
【年(卷),期】2022(42)1
【摘要】开发一种采用接触式测头与电容式位移传感器相结合的在位测量装置及非球面测量与补偿加工软件,进行C3604黄铜球面及非球面的单点金刚石超精密切削加工,并开展在位测量及补偿加工试验。
补偿加工后,经在位测量系统测量,球面面形精度PV达到231.4 nm,非球面面形精度PV达到206.3 nm;与离线测量结果比对,结果分别相差3.0 nm和7.0 nm,验证了在位测量系统测量的精确性和补偿加工的有效性。
【总页数】5页(P18-22)
【关键词】非球面;超精密加工;在位测量;补偿加工
【作者】张亮;郭曦鹏;王定文;徐闻;刘坚;黄帅;尹韶辉
【作者单位】湖南大学
【正文语种】中文
【中图分类】TG58;TQ164
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微小非球面玻璃透镜超精密模压成型数值模拟
微小非球面玻璃透镜超精密模压成型数值模拟
尹韶辉;王玉方;朱科军;霍建杰;陈逢军;余剑武;王宇
【期刊名称】《光子学报》
【年(卷),期】2010(39)11
【摘要】利用非线性有限元软件MSC.Marc,建立了微小非球面玻璃透镜超精密模压的有限元模型,并进行了微小非球面玻璃透镜模压数值模拟分析.通过对比模拟出的不同加工参量下的成型透镜和模具的残余应力分布结果,得出最优的超精密模压成型的模压速率和模压温度范围,并解释了模压速率和模压温度影响微小非球面玻璃透镜成型质量的原因.模拟可以对实际的大批量生产微小非球面玻璃透镜提供有力的帮助.
【总页数】5页(P2020-2024)
【关键词】玻璃模压成型;微小非球面玻璃透镜;广义麦克斯韦模型;有限元分析【作者】尹韶辉;王玉方;朱科军;霍建杰;陈逢军;余剑武;王宇
【作者单位】湖南大学国家高效磨削工程技术中心微纳制造研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TH164
【相关文献】
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小口径玻璃透镜热压成形模具的超精密微细磨削加工
小口径玻璃透镜热压成形模具的超精密微细磨削加工尹韶辉;唐昆;朱勇建;陈逢军【期刊名称】《中国机械工程》【年(卷),期】2008(019)023【摘要】对小口径玻璃透镜热压成形模具的超精密平行磨削进行了试验研究,并对加工过程中的形状误差补偿技术进行了探讨.结合超精密平行磨削技术和形状误差补偿技术,选用经精密整形和修锐的微小砂轮,对直径和曲率半径均为10mm的小口径透镜模具样品进行了加工试验.试验获得的加工表面的表面粗糙度Ra=5.98nm、Rz=34.95nm,形状精度峰谷值为113nm、均方根值为23nm,其形状精度峰谷值及均方根值均较误差补偿之前有明显减小,加工过程中的残余形状误差得到了有效的修正和补偿,加工精度得到提高.【总页数】4页(P2790-2792,2811)【作者】尹韶辉;唐昆;朱勇建;陈逢军【作者单位】湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心,长沙,410082;湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心,长沙,410082;湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心,长沙,410082;湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心,长沙,410082【正文语种】中文【中图分类】TG580【相关文献】1.热压硫化锌的超精密磨削加工 [J], 陈冰;郭兵;赵清亮;饶志敏;姚光2.小口径非球面光学玻璃透镜模具超精密数控复合机床的研发与应用 [J], 尹韶辉;陈逢军;龚胜;余剑武;尹自强;关朝亮;曹成国;曹晓红3.光学玻璃塑性模式超精密磨削加工的研究 [J], 陈明君;张飞虎;董申;李旦4.微晶玻璃塑性域超精密磨削加工的研究 [J], 陈明君;张飞虎;董申5.小口径双非球面硫系玻璃镜片精密热压成形模具制造 [J], 唐昆;舒勇;李典雨;孔明慧;罗红;余剑武;张明军;毛聪因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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计算返回函数 .假设在非球面光学曲面中 , 某点 P的 X
坐标为 XP(i), 通过调用该函数就可以求得该点在曲 面上的 Z坐标值 , 即
图 1 刀具轨迹示意
通过式 (3)可将砂轮控制轨迹与工件目标轨迹联
系在一起 .在加工时通过设置 X方向的加工步距 , 可
线方程 [ 4] 为
∑ Z =
1+
1
Cx2 -(k+1)C2 x2
N
+ j=2
A2jx2j
(1)
式中 :C=1/R, R为曲线的基圆半径 ;x为坐标变量 ;k 为非球面圆锥系数 .当 C=0 时 , 曲线为多项式 曲线 .
N可根据实际需要选取 , 一般 N取 10即可满足高次非
球面系数的要求 .
轴对称形式的非球面磨削加工常采用球头砂轮或
直角砂轮作为磨削工具 .本软件采用球头砂轮平行磨
削法 , 加工时可以减少砂轮的磨损和工件表面 、亚表面 损伤及面形误差 [ 5-6] .由于工件可随轴旋转 , 只需要控
制机床 X、Z两轴或 X、Z、B3轴联动 (B轴是安装在 X
轴上的水平旋转工作台 ), 就可完成非 球面曲面形状
摘 要 :为了实现非球面模具的超精密数控加工 , 研究了加工轨迹算法原理给速度控制法 , 分析了工具磨损误差和工件形状误 差 , 重点 提出了误 差补偿方法 , 同时也讨论了采用砂轮平行磨削法时避免加工干涉的 方法 .软件能 生成高 精度的 加工与 补偿加 工数控程 序文件 . 最后 , 在一台镜面 磨 床 上 实 验加 工 直 径 为 6 mm的 碳 化 钨透 镜 模 具 , 经 过 多次 补 偿 加 工 后 , 获 得 了 谷 峰 值 为 0.123 μm, 误差均方根为 0.021 μm的表面形状精度 . 关键词 :超精密加工 ;平行磨削法 ;形状 误差补偿 ;非球面光学模具 ;数控编程软件 中图分类号 :HT74 文 献标志码 :A 文章编号 :1672-6030(2010)05-0433-06
· 434·
纳 米 技 术 与 精 密 工 程
第 8卷 第 5期
题之一 . 本文中主要从计算机数控软件开发方面来实现非
球面的超精密加工 .以平行磨削工艺为基础 , 研究了非 球面加工成形算法 、加工补偿原理及软件的结构与实 现 .通过控制和优化加工路径 , 对加工过程中可能产生 的误差与干涉分别采取补偿与避免措施 , 然后利用 C++Builder设计开发出非球面自动加 工补偿软件系 统 .利用该软件可以自动生成非球面加工与补偿加工 数控 (numericalcontrol, NC)程序 .最后 , 通过实验加 工直径为 6 mm的小凹非球面碳化钨模具 , 经过多次 的补偿加工后获得工件的形状精度谷峰值 PV(peekvalley)为 0.123 μm, 误 差 均 方 根 RMS(rootmean square)为 0.021 μm.软件运行稳定 , 数据处理效率高 且与数控系统兼容性好 , 该软件适合非球面模具的超 精密补偿加工 , 具有很好的应用推广前景 .
非球面的超精密加工技术研究一直是制造领域的 热点和难点 .从 20世纪 60年代以来 , 国内外有关专家 投入了大量的人力物力 , 在美国 、日本 、欧洲等发达国 家已经有了成熟的超精密磨削装备及工艺研究成果 , 而我国超精密磨削技术还处在起步阶段 [ 1-2] , 还没有真 正投入实际生产应用的超精密机床产生 , 在工艺方面 的研究还未能真正深入下去 .超精密磨削技术的研究
可分为两方面 :一是机床硬件的开发 ;二是具有补偿功 能的高精度数控软件系统的开发 .目前国外的大部分 硬件都能够达到实际应用要求 , 国内相关企业院校也 在积极研究[ 3] ;对于软件部分 , 国内还停留在 理论方 面的研究 , 自主开发的能够非常成功地进行非球面超 精密补偿加工的软件还非常欠缺 , 因此开发产品的软 件部分显得尤为重要 , 这也是自主产品开发的瓶颈问
多次形状误差补偿加工才能获得纳米级的加 工表面
精度 .
形状误差补偿通常采用 “加工 —测量 —补偿 —再
加工 ”的循环过程 .本软件中采用的加 工补偿流程如
图 5所示 :首先 , 在加工前对砂轮进行整形修锐 , 利用 软件生成的初始刀具轨迹对工件进行磨削加工 , 接着 利用轮廓测量仪对已加工面进行在位测量 [ 11] .软件在
(5)
T= 1 -(1 +k)x2 /R2
(6)
实际加工时 , 由于工件加工点线速度不均匀 , 使得
加工后工件表面的粗糙度不均匀 , 影响表面质量 .在设
计工具磨削进给速度时考虑了两种进给方式 , 一种是
常规的恒速进给 , 另一种是基于粗糙度均匀化的变速
进给 .在图 2中 , v1、v2分别为靠近工件中心处工件加工 点的线速度和砂轮进给速度 .为使两者的合速度在加
2010年 9月
尹韶辉等 :非球面模具超精密补偿加工技术
如图 3所示 , 其中 u1和 u2分别为刀具中心点和加工点 的移动速度 , mm/min;L1和 L2分别为刀具中心和加工
点相邻插补点的距离 , mm;u为进给速度 , mm/min;ω
为 工 件 回 转 速 度 , r/min;计 算 变 量 R =
砂轮中心轨迹坐标为
XO′(i)=XO(i) ZO′(i)=ZO(i)-ΔR(cos1β(i)-1)
(7)
β(i)=arccos(zP(i)′/ (zP(i)′)2 +1)
i=1, 2, …, n
(8)
2.2 面形精度的补偿
一般情况下 , 初次磨削加工后面形误差会比较大 ,
为保证残余形状误差的快速收敛 , 提高加工精度 , 必要 的形状误差补偿技术必不可少[ 9-10] , 只有通过一次或
ZP(i)=get z(XP(i)) i=1, 2, …, n (2)
设曲线轮廓某点的切线角 (即曲线切线与 X轴的
夹角 )为 ang(i), (XO (i), ZO (i))为工 具中心坐 标 ,
(XP(i), ZP(i))为非球面曲线轮廓上加工点的坐标 .
根据简单的几何关系 , 可以得出工具中心点与磨削点
Abstract:Inordertoachieveultra-precisionnumericalcontrolprocessingforasphericmolds, theprincipleofaspherictrajectoryalgorithm andthestructureandimplementationofthewholesoftwaresystem werestudied.Aworkpiecefeedratecontrolmethodbasedonsurfaceroughnessuniformizationwasproposed.Withanalysisofthetoolwearerrorandtheform errorofworkpiece, anerrorcompensationmetheodwaspresentedandthemethodforinterferenceavoidanceinparallelgrindingwasalsodiscussed. Numericalcontrolprogramfilesforhigh-precisionprocessingandcompensationmachiningcanbegeneratedbysoftware.Finally, atungstencarbidelensmoldwithadiameterof6 mmwasmachinedonamirror grindingmachine, andafterseveraltimesofcompensation, form accuracyofpeek-valley0.123 μm and rootmeansquare(RMS)0.021 μmwereachieved. Keywords:ultra-precisionmachining;parallelgrindingmethod;formerrorcompensation;asphericopticalmold;numericalcontrolprogrammingsoftware
收稿日期 :2010-04-12. 基金项目 :国家重点科技支撑计划资助项目 (2007BAF29B03);国家自然科学基金资助项目 (50975084, 50811120105). 作者简介 :尹韶辉 (1967— ), 男 , 博士 , 教授 . 通讯作者 :尹韶辉 , shyin2000@.
高精度 , 砂轮的尺寸和轮廓误差是影响工具路径和工 件面形精度的一个主要因数[ 8] , 它们主要来源于砂轮
的在机整形和整个磨削加工过程中的砂轮磨损 .为了
使工件达到高的轮廓和表面精度 , 砂轮的几何误差必
须在下个磨削加工循环前进行精确测量和补偿 .在图
4中 , 加工前砂轮半径为 R, 加工后测得砂轮半径磨损 量为 ΔR, (X′ O(i), ZO′(i))为修正后砂轮中心的轨迹坐 标 , 磨削点法线方向与 Z轴夹角为 β(i), 则补偿后的
以控制程序计算误差在所需要的精度范围内 .为了提
高算法精度 , 在计算轮廓切线角 ang(i)时 , 采用解析
法 , 通过求曲线方程式 (1)的一阶导数的反正切 , 计算
公式如下 :
ang(i)=arctan(dz) dz=R(12x+T)+Rx3 3((11++Tk))2 T+
(4)
10
∑ 2j A2jx2j-1 j=2
1
000
×周速度控制值 2πr
(m/min),
r为实际加工点处工
件半径 .
·4 35·
图 4 砂轮半径补偿示意
2 误差补偿与干涉避免