近日，山東大學姚鵬教授團隊以“柱面微透鏡陣列的精密磨削”為題發表文章于《光學 精密工程》2021年29卷第7期，并被選為封面文章。

《光學 精密工程》 2021年 29卷 第7期 期刊封面

       柱面微透鏡陣列元件是由柱面結構深度為微米級的透鏡組成的陣列，不僅具有傳統透鏡的聚焦、成像等基本光學功能，而且具有單元尺寸小，集成度高的特點。在軍用，民用，天文等領域有著廣泛應用，例如激光制導，激光光束均勻化以及三維成像等等。

圖1 柱面微透鏡陣列元件的應用

       鑒于制造成本和制造難度，國內外廠家提供的柱面微透鏡通常是普通圓柱截面，但非圓截面柱面微透鏡可以進一步簡化光學系統，降低系統重量，對航空航天應用具有更加重要的意義。非圓截面柱面微透鏡國外可以定制，但成本高，供貨期長，有些甚至是受限的卡脖子光學元件，國內尚無法提供滿足要求的此類光學元件。采用模壓技術可以大大降低成本，RB-SiC作為模具材料用于玻璃模壓，相比傳統鍍鎳模具形狀保持性好，壽命長，是玻璃模壓模具的理想材料，但加工難度大，目前磨削加工可以說是唯一的選擇。
       傳統的磨削方法采用微小磨具進行超精密磨削加工，加工效率低，砂輪磨損嚴重，需要進行多次繁瑣的砂輪修整，不僅降低加工效率，而且增加編程和對刀過程，加工難度大。因此，開發高效率的磨削加工方法具有很高的研究價值。
       與傳統的加工方法相比，本文采用成形砂輪進行復映磨削加工，能夠極大地提高加工效率。采用成型磨削加工，需要在砂輪上修整出和柱面微透鏡陣列對應的高精度微細輪廓結構，目前砂輪修整技術主要有機械修整，激光修整和電火花修整。將成型砂輪裝夾在平面磨床主軸上，選定合適的磨削參數，可以實現一次往復磨削加工成型，無需進行多次修整，效率極高。同時，成型磨削加工降低了對機床設備的要求和編程的難度，無需多軸聯動機床和復雜加工程序，對機床操作人員素質要求不高，具有很強的現實意義。

圖2 實驗裝置

       為了能準確的把握成型磨削加工后工件的表面質量，本文使用MATLAB對實驗砂輪和磨削過程進行了仿真。通過分析實驗砂輪和磨粒的特征，建立砂輪的數值化模型，研究砂輪表面磨粒與工件的幾何相互作用機理，形成對工件表面材料的劃擦和去除，建立磨削表面的仿真模型。對比了磨削實驗和仿真的工件面形誤差的PV值、粗糙度Ra和Rz值的對比，仿真模型的偏差分別為5.78%，17.3%和12.9%，證明了本文提出的仿真模型的有效性。
       磨削仿真模型的意義在于可以在開展磨削實驗之前對磨削加工精度和表面質量結果進行預測，根據實驗所選擇的砂輪的特征，以及磨削工藝參數等實驗條件，模擬分析此實驗條件下的得到的工件質量是否符合技術要求。在不滿足技術要求的情況下，可以改變實驗條件，優化實驗參數指導磨削加工。
       這種以超精密加工對象的精度和表面質量為目標，選擇和優化砂輪與磨削參數的仿真方法，節約大量磨削加工工藝試驗的時間和成本，對提高磨削加工效率，推動超精密磨削加工技術更廣泛的應用具有重要的意義。
       論文信息
       葉震, 姚鵬, 于世孟, 等. 柱面微透鏡陣列的精密磨削[J]. 光學精密工程, 2021, 29(7):1567-1579. 
       論文地址
       DOI：10.37188/OPE.2020.0612