近日，山東大學(xué)姚鵬教授團(tuán)隊(duì)以“柱面微透鏡陣列的精密磨削”為題發(fā)表文章于《光學(xué) 精密工程》2021年29卷第7期，并被選為封面文章。

《光學(xué) 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(jié)構(gòu)深度為微米級(jí)的透鏡組成的陣列，不僅具有傳統(tǒng)透鏡的聚焦、成像等基本光學(xué)功能，而且具有單元尺寸小，集成度高的特點(diǎn)。在軍用，民用，天文等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，例如激光制導(dǎo)，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(yīng)用

       鑒于制造成本和制造難度，國(guó)內(nèi)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(jìn)一步簡(jiǎn)化光學(xué)系統(tǒng)，降低系統(tǒng)重量，對(duì)航空航天應(yīng)用具有更加重要的意義。非圓截面柱面微透鏡國(guó)外可以定制，但成本高，供貨期長(zhǎng)，有些甚至是受限的卡脖子光學(xué)元件，國(guó)內(nèi)尚無法提供滿足要求的此類光學(xué)元件。采用模壓技術(shù)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(tǒng)鍍鎳模具形狀保持性好，壽命長(zhǎng)，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(tǒng)的磨削方法采用微小磨具進(jìn)行超精密磨削加工，加工效率低，砂輪磨損嚴(yán)重，需要進(jìn)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(duì)刀過程，加工難度大。因此，開發(fā)高效率的磨削加工方法具有很高的研究?jī)r(jià)值。
       與傳統(tǒng)的加工方法相比，本文采用成形砂輪進(jìn)行復(fù)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(duì)應(yīng)的高精度微細(xì)輪廓結(jié)構(gòu)，目前砂輪修整技術(shù)主要有機(jī)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(shù)，可以實(shí)現(xiàn)一次往復(fù)磨削加工成型，無需進(jìn)行多次修整，效率極高。同時(shí)，成型磨削加工降低了對(duì)機(jī)床設(shè)備的要求和編程的難度，無需多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床和復(fù)雜加工程序，對(duì)機(jī)床操作人員素質(zhì)要求不高，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置

       為了能準(zhǔn)確的把握成型磨削加工后工件的表面質(zhì)量，本文使用MATLAB對(duì)實(shí)驗(yàn)砂輪和磨削過程進(jìn)行了仿真。通過分析實(shí)驗(yàn)砂輪和磨粒的特征，建立砂輪的數(shù)值化模型，研究砂輪表面磨粒與工件的幾何相互作用機(jī)理，形成對(duì)工件表面材料的劃擦和去除，建立磨削表面的仿真模型。對(duì)比了磨削實(shí)驗(yàn)和仿真的工件面形誤差的PV值、粗糙度Ra和Rz值的對(duì)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(shí)驗(yàn)之前對(duì)磨削加工精度和表面質(zhì)量結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所選擇的砂輪的特征，以及磨削工藝參數(shù)等實(shí)驗(yàn)條件，模擬分析此實(shí)驗(yàn)條件下的得到的工件質(zhì)量是否符合技術(shù)要求。在不滿足技術(shù)要求的情況下，可以改變實(shí)驗(yàn)條件，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)指導(dǎo)磨削加工。
       這種以超精密加工對(duì)象的精度和表面質(zhì)量為目標(biāo)，選擇和優(yōu)化砂輪與磨削參數(shù)的仿真方法，節(jié)約大量磨削加工工藝試驗(yàn)的時(shí)間和成本，對(duì)提高磨削加工效率，推動(dòng)超精密磨削加工技術(shù)更廣泛的應(yīng)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(xué)精密工程, 2021, 29(7):1567-1579. 
       論文地址
       DOI：10.37188/OPE.2020.0612