摘要
近年来，光电产业飞速发展，作为其中的基础材料，光学玻璃的超精密加工受到越来越多的关注。然而光学玻璃硬度大，韧性差，加工时易崩裂，进而产生裂纹，影响表面质量和生产效率。如何在保证光学玻璃表面质量的同时提升加工效率是亟待解决的问题。 随着光学玻璃在天文、激光等领域的应用，对光学玻璃的加工要求逐步向大口径、非球面、高精度等方向发展。在传统抛光方式中，工件质量和加工效率受工人个体差异影响非常大，因此新型抛光方式不断被提出，其中非接触抛光得到广泛关注。 弹性发射加工、水射流加工等非接触加工方式是通过在试件和抛光工具之间加载动态载荷，来达到去除材料的目的。虽然这种方式能够得到较好的表面质量，但不适合复杂曲面的加工。本文采用超声频振动激励磨料冲击试件，以光学玻璃为研究对象，对硬脆材料抛光过程去除机理进行分析，并根据分析结果设计实验进行工艺优化。研究内容具体如下: (1)非接触超声抛光对硬脆材料的去除机理的研究。分别分析了超声频冲击下磨料对脆性材料的脆性去除过程和延性去除过程，结果显示，除加工设备及试件的固有性质外，影响非接触超声抛光去除效率的参数可能为抛光液浓度、磨料粒度、超声振动频率、超声振幅和抛光工具头底面至加工表面距离。 (2)因子显著性检验及二阶回归方程的建立。非接触超声抛光去除机理复杂，理论推导难以完全解释抛光机理，故用单因素实验法探究超声振幅、抛光液浓度和工具头底面至加工表面距离这三种因子对材料去除率和表面粗糙度影响的显著性。实验结果表明，三种因子对两种响应均有显著影响。采用23析因实验和爬坡实验寻找包含最优位置的设计区域，并采用响应曲面法进一步探究因子与响应之间的关系，并总结出了二阶回归方程。 (3)优化工艺参数。根据二阶回归方程，绘制响应曲面，并绘制了相应的工艺图，用以指导加工。对工艺参数进行了优化，当超声振幅为7.96μm，抛光液浓度为223.7g/l，工具头底面至加工表面距离为2.67mm时得到最优的理论粗糙度值Ra为3.41nm;当超声振幅为8μm，抛光液浓度为233.01g/l，工具头底面至加工表面距离为2.16mm时得到最优的理论材料去除率为48.50nm/min;根据得到的工艺参数进行验证实验，证明优化结果的相对误差小于15％。
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