范镝[1]2004年在《大口径碳化硅质反射镜数控光学加工的研究》文中研究说明随着空间光学技术的发展,传统反射镜材料已经不能满足空间光学系统的要求。碳化硅(SiC)材料以其较高的弹性模量,适中的密度,较小的热膨胀系数,较高的导热系数,耐热冲击性,高的比刚度和高度的尺寸稳定性等一系列优秀的物理性质,引起了各国航天科学工作者的广泛关注。但是,由于碳化硅材料所具有高硬度、高弹性模量等性质,使碳化硅质反射镜的光学加工难度很大。掌握了碳化硅质反射镜的数控光学加工技术对于我国空间相机的制造具有重要意义。本文针对大口径碳化硅反射镜的数控光学加工中的关键技术进行了深入的探讨。1.加工设备简要介绍了实现碳化硅质反射镜数控加工的设备——FSGJ-Ⅱ非球面数控加工中心,包括其加工控制原理、主要技术指标、总体结构、数控系统结构和与之配套的ASM1.0软件主要功能等。2.数控研磨针对碳化硅反射镜的研磨机理进行了讨论,证明了碳化硅反射镜的研磨过程符合Preston假设,可以应用FSGJ-Ⅱ非球面数控加工中心进行研磨;并通过大量的工艺实验对磨料、磨料粒度、磨头材料、压力、转速等工艺参数对研磨效果的影响进行了讨论,并对工艺参数进行了选择。3.数控抛光在抛光方面,定性的对碳化硅材料的抛光过程进行了讨论;通过大量的工艺实验对磨料粒度、抛光盘材料、压力、转速、抛光液酸碱度等工艺参数对抛光效果的影响进行了讨论,并对工艺参数进行了选择;最后,测定了碳化硅样片的表面质量和一些光学性能。4.表面改性研究讨论了表面改性对碳化硅样片表面质量的优化,并进行了改性层的附着力和温度冲击实验。5.加工实例最后,简要介绍了有效口径为480×280mm的船形碳化硅质平面反射镜的数控光学加工和检测。加工后,有效口径内面形精度达到0.050λRMS。实践证明,本文的研究工作为大口径碳化硅质反射镜高效、精确的数控光学加工提供了一条有效的途径。
赵洪波[2]2007年在《大口径空间灵巧望远镜系统中主反射镜的研究》文中进行了进一步梳理大口径空间灵巧望远镜系统是未来太空观测最有发展潜力的航天器。本论文所研究的大口径空间灵巧望远镜系统具有可折迭、可展开的涵义，就其光学系统而言，是大视场、长焦距和超轻型的光学系统，其用途是利用成像和光谱分析方法对宇宙星体和星系进行各种研究。根据可展开式主反射镜光学系统的需要实现的功能，本文主要在主反射镜的材料设计、结构设计及制造技术方面进行了深入地研究。本文的主要研究内容及其成果主要有在以下几个方面：(1)大口径空间灵巧望远镜系统主反射镜的材料选择由于大口径空间灵巧望远镜的光学系统采用的是反射式光学系统，因而主反射镜除了必须保证其能完成光学成像任务外，还要对主反射镜镜体进行轻量化，使其具有灵巧的特点。而主反射镜的轻量化设计的首要任务就是镜体材料的选择。本文系统地分析了各种传统型反射镜镜体材料及新型反射镜镜体材料特性，同时对各种材料特性进行了综合分析比较，在材料设计这一新思想的指导下，得出具有强可设计性特点的复合材料在制作灵巧望远镜系统镜体上有得天独厚的优势的结论。因此选择复合材料作为大口径空间灵巧望远镜的光学系统主反射镜的镜体材料。本文的任务是完成了碳纤维复合材料反射镜和碳化硅陶瓷反射镜的结构设计研究，镜体的制备及光学加工。(2)大口径空间灵巧望远镜系统中主反射镜结构形式选择主反射镜的结构设计思想来源于现有的大口径光学系统中主反射镜的轻量化设计，选择蜂窝夹层式结构及背部开口式结构作为主反射镜的结构形式。(3)大口径空间灵巧望远镜系统中主反射镜的结构设计研究本文研究了复合材料反射镜结构设计的一般方法。完成了直径为1m的蜂窝夹层结构形式的碳纤维复合材料反射镜面板的铺层设计及蜂窝芯的设计。首先利用有限元法对各种铺层形式的面板作静力学分析、模态分析及热力学分析，然后通过面板的面形最小、基频最高及温度梯度最小的原则最后确定其铺层方式。对蜂窝夹层结构形式的碳纤维复合材料的反射镜的镜体进行有限元分析，得出在镜体直径和厚度一定且工况相同，但蜂窝芯格的规格不同时镜体的自重变形规律，基频变化规律及热变形规律，在满足光学系统指标的前提下，以面密度最小的原则来确定镜体蜂窝芯格的规格。最后，利用优化设计方法确定了两种复合材料反射镜的结构尺寸。利用有限元法对直径为1m背部开口形式的碳化硅陶瓷反射镜进行静力学分析、模态分析及热力学分析，得出在镜体的直径和厚度一定且工况相同，但背部盲孔的深度及筋的厚度不同时镜体的自重变形规律，基频变化规律及热变形规律，在满足光学系统指标的前提下，以面密度最小原则来确定镜体背部的开放尺寸，最后，利用优化设计方法确定了碳化硅陶瓷反射镜的结构尺寸。(4)碳纤维复合材料反射镜及碳化硅陶瓷反射镜的制作本文深入研究了复合材料反射镜镜体制备工艺，制造了φ200mm的蜂窝夹层结构形式的碳纤维复合材料平面反射镜，重量仅为0.117kg，面密度为3.72kg／m~2，镜面质量良好。制造了φ650mm碳化硅复合材料球面镜、φ240mm碳化硅复合材料平面镜，φ520mm和φ117mm碳化硅复合材料非球面镜，这四块镜子的减重比均在60％以上，表面感性良好。碳纤维复合材料反射镜及碳化硅陶瓷反射镜的制造为大口径的复合材料反射镜的研制奠定了基础并积累了大量的经验。(5)碳纤维复合材料反射镜及碳化硅陶瓷反射镜镜面的光学加工本文深入研究了碳纤维合成镜面技术，并将此技术应用于碳纤维复合材料反射镜镜面合成，完成了直径为200mm的蜂窝夹层结构形式的碳纤维复合材料平面反射镜的光学加工，这项成果为大口径碳纤维复合材料反射镜镜面合成奠定了基础。本文还比较分析了碳化硅陶瓷反射镜镜面的光学加工方法，讨论了光学加工过程各个步骤工艺参数的选择及降低碳化硅陶瓷反射镜光学镜面表面粗糙度的途径，完成了φ520非球面镜及φ240平面镜的加工，面形精度与表面粗糙度与光学玻璃镜面水平相当。
康健, 宣斌, 谢京江[3]2013年在《表面改性碳化硅基底反射镜加工技术现状》文中研究说明针对表面改性SiC基底反射镜在空间光学系统中的应用,总结了该类反射镜在国内外的研究现状。概括了碳化硅基底反射镜的发展趋势。介绍了常用的碳化硅材料,分析了它们的性质。给出了几种常用的碳化硅镜坯制备工艺,包括成型、改性和不同的抛光技术。通过对国内现有加工工艺和改性技术的分析,总结出了适应我国的表面改性碳化硅反射镜加工的发展方向。
唐裕霞, 张舸[4]2007年在《大口径碳化硅轻质反射镜镜坯制造技术的研究进展》文中研究表明比较了目前空间遥感相机中常用的四种反射镜镜体材料——ULE,Zerodur,铍(Be)和碳化硅(Sic)的各项性能。结果表明:SiC陶瓷具备比较明显的综合优势,是制备空间用反射镜的最佳候选材料。阐述了碳化硅反射镜镜坯的四种制备工艺。介绍了当前国内外碳化硅质轻型反射镜镜坯的发展情况。
闫勇, 金光, 张雷, 王栋, 姚劲松[5]2011年在《新型SiC光学材料的制备及应用》文中提出随着空间成像技术的发展,当今各科技大国均加大了对新型光学材料的制备及应用的研究工作。近年来新近兴起的新型SiC材料因其良好的热稳定性、高比刚度、低密度、易于轻量化等优点,而成为未来空间相机主光学成像元件的首选材料。本文结合当前国内外SiC材料研究进展,介绍了新型SiC光学材料常用的几种制备技术及相关应用,对其制备方法和加工工艺进行了系统的阐述和总结,重点介绍了SiC材料与常规玻璃材料加工的不同之处,并对比了国内外的加工情况及我国目前SiC材料加工现状。从当前新型SiC加工情况看,SiC加工采用的数控光学加工技术CCOS大大提高了SiC材料的加工效率和加工精度,具有广阔的应用前景。
寇宝庆[6]2008年在《切削表面残留走刀痕理论分析与抛光去除实验研究》文中指出目前大口径光学反射镜的研制已经是航天光学遥感发展的必然趋势,但是由于大口径反射镜铣磨、研抛加工周期长,而且成本高等缺点,使得在实际应用中产生了很多困难。金属反射镜的超精密数控车削加工实现大口径化快速化和低成本等优点,但会对金属反射镜基底切削加工中留下进给走刀痕迹,这些留下的残留高度会引起可见光、激光短波的散射。本课题旨在对超精密车削的金属反射镜铝基底所残留的进给走刀痕迹进行抛光去除研究,为大型金属反射镜基底制作提供参考,以实现大型轻质反射镜加工的低成本、高效率,并能满足加工精度和表面质量的要求。本文首先综述了国内外反射镜加工方法及其优缺点,分析了现有超精密数控车削机床加工原理,并应用齐次坐标变换的方法建立了理想情况下超精密机床运动学模型,在此基础上对该机床加工的表面进给走刀痕迹形成的残留高度进行计算和仿真;其次,对加工工件表面进行抛光去除走刀痕实验,分析对比加工前后表面变化情况,对影响铝基底抛光去除走刀痕迹的主要因素做出系统的理论分析,得出了影响工件表面抛光效果和加工效率的主要因素分别为:抛光液、抛光垫、抛光工艺参数;最后,采用功率谱密度对加工后的表面进行表征,以空间频率为横坐标输出功率谱密度图,简单直观地分析加工表面空间频率分布及在表面所占的比重,对加工表面进行电子束镀膜,分析镀膜前后表面变化。
陈亚, 谢京江, 张红, 吕学峰[7]2011年在《现代空间光学反射镜轻量化制造技术》文中指出随着空间光学技术的迅猛发展,空间光学遥感器分辨率得到了提高,要求反射式空间光学主镜的口径不断增大,对大口径空间光学反射镜进行轻量化设计、分析、制造已经成为活跃在现代科技前沿的不可或缺的关键支撑技术。本文对空间光学反射镜常用的两种材料微晶玻璃(Zerodur)与碳化硅(SiC)进行了性能比较,对几种轻量化结构形式进行了分析,以应用于空间超低温环境的椭圆形平面反射镜为例,CAD优化轻量化结构,经有限元分析,平面轻质反射镜在自重状态下的镜面变形量为0.014λ(rms),在超低温-150℃环境中镜面变形量为0.002λ(rms),由数控系统在图形方式下控制实际轻量化加工,采用化学方法消除加工过程中产生的应力与微小裂纹,其最终的面形精度达到0.022λ(rms)。最后,介绍了新型材料碳化硅(SiC)的制备方法,分析了空间轻质反射镜制造技术的现状和发展趋势。
金江[8]2013年在《硅基材料的电感耦合等离子体射流加工技术研究》文中研究表明空间-地面观测、惯性约束聚变、极紫外线光刻技术等一些具有挑战性的国际前沿科学工程项目中，对大型超精密硅基材料光学元件的需求日渐增加，要求亦日渐苛刻：需要光学元件的数量是数以千计的，要求其口径达到数米甚至数十米，同时希望其具有很高的面形精度。目前，加工周期、亚表面损伤、加工成本等问题仍然制约着这些项目的开发和部署。大气等离子体加工方法为上述问题提供了一个独特的解决方案。电感耦合等离子体(ICP，Inductively CoupledPlasma)射流加工技术是大气等离子体加工方法中的一种。ICP射流加工基于ICP炬，在大气压下形成一个近高斯型、稳定并且可控的刻蚀足迹进行化学刻蚀，结合了高材料去除率和非接触加工的优势。本论文为国内首例针对大气压下ICP射流加工技术进行的研究。完成了国内首台大气压ICP射流加工系统原理样机的搭建和调试；通过基础理论和实验分析相结合的方式，研究加工过程中各个实验参数对硅基材料的去除率、工件表面温度和表面质量的影响，建立一个稳定、快速并且高质量的硅基材料的加工过程，为后续大型超精密光学元件表面的均匀去除奠定了基础。首先，介绍了ICP射流加工的基础理论和相关特性；分析了ICP射流加工系统的组成及各组成部分的功能，根据ICP的原理、特性对各个组成部分进行了选型；完成了国内首台大气压下ICP射流加工系统原理样机的搭建和调试。然后，以新搭建的ICP射流加工系统为基础，以材料去除率为研究目标，围绕ICP射流加工硅基材料碳化硅（SiC）、熔石英（SiO_2）展开研究。选择合适的等离子体诊断手段并分析ICP的射流加工特性；展开工艺实验，探究ICP射流加工SiC、SiO_2过程中各个实验参数对材料去除率和工件表面温度的影响，寻求提高材料去除率的工艺参数；在获得稳定的加工参数的基础上，实现对硅基材料表面的均匀、快速去除。最后，以表面质量为研究目标，围绕ICP射流加工SiC和SiO_2展开研究。对ICP射流加工后的SiC和SiO_2的表面质量进行检测，分析ICP射流加工对SiC和SiO_2表面粗糙度的影响，并评估表面粗糙度的演变。
王贵林[9]2002年在《SiC光学材料超精密研抛关键技术研究》文中提出空间光学系统的快速发展，对光学零件的轻量化提出了严格要求。与传统光学材料相比，SiC的比刚度最大，在尺寸相同的条件下，其轻量化程度最高；此外，它还具有热变形系数小、光学性能好、各向同性、无毒、能够实现复杂形状的近净尺寸成型等优点，因而成为空间反射镜的首选材料。 作为一种多相陶瓷，SiC的材质既硬且脆，加工难度很大；从已见报道的SiC反射镜来看，其面形精度尚不能满足高精度光学系统的成像要求，这使得它在应用中受到限制；因此，探索SiC材料的加工工艺性是目前亟待解决的关键问题之一。本文以JM030.2型平面研抛机和自研的光学非球面复合加工机床为对象，对研抛过程中SiC材料的去除特点及影响因素进行研究，在此基础上建立确定量研抛的数学模型。主要内容和创新点包括： 1、根据平面研抛的成形原理和材料去除特点，建立了工件表面相对运动轨迹的数学模型，给出了不同偏心条件下加工区域的平均压强分布形式；在SiC工件的平面研抛实验中，通过选择合适的加工条件和对工艺参数进行调整，能够实现表面材料的均匀去除，获得理想的工件面形，同时也为非球面确定量研抛提供工艺指导。 2、针对计算机控制光学表面成形(CCOS)的加工方式、误差收敛特点，研制了去除函数呈高斯分布的双转子结构研抛模；采用脉冲迭代法、平滑因子傅立叶变换法推导出驻留时间的算法，求解过程中根据工件面形的特点作了各种形式的简化；提出了工件表面和研抛模的吻合误差与局部压强、材料去除率、收敛比之间内在关系的数学模型，并推导出相应的计算公式；分析了边缘效应产生的原因，在加工过程中采用相对压力因子对去除函数进行修正，可以消除边缘效应的影响。 3、研制了集铣磨成型、研磨、抛光于一体的光学非球面复合加工机床(AOCMT)，分析了各种运动误差对铣磨精度的影响；根据空间齐次坐标的变换模型，推导出多轴数控加工的后置处理算法；通过五轴数控联动，AOCMT机床能够以法向方式加工出任意复杂的光学表面，铣磨精度稳定在8μm之内。 4、提出了根据不同成分面形误差的分布特征、进给步距、收敛比和吻合特性要求，确定研抛盘尺寸的新方法；对CCOS加工中研抛模运动路径的规划进行了深入研究，并给出了相应的工艺流程和技术规范。 5、磁流变抛光(MRF)是超光滑光学表面的一种新型加工技术，本文从MRF的磁、力学性质出发，研究了磁流液的稳定性、流变效应、链化结构和连续介质模型；根据抛光区内剪应力、正压力的分布特征，提出了MRF的定量加工模型；然后以平面工件的磁流变抛光为例，揭示了工艺参数对材料去除率和表面粗糙度的影响规律。
康健[10]2014年在《PVD改性RB-SiC反射镜表面缺陷处理方法研究》文中研究表明随着空间光学的快速发展，为满足空间反射镜高分辨率的要求，反射镜的口径不断的增大，这也就要求制造空间反射镜的材料需要在满足光学性能和机械性能的基础上要尽可能的减轻重量。SiC作为一种新型的空间反射镜材料，在近年来得到了飞速的发展。相对于世界先进水平，我国的SiC反射镜加工尚处于起步阶段，由于加工经验不足，在实际加工中会遇到许多问题。本文针对PVD改性RB-SiC反射镜精抛光阶段出现的表面缺陷的形成机理和处理方法进行了相应的理论分析和工艺实验。本文介绍了现阶段国内外SiC反射镜的加工近况，结合本实验室的实际加工能力，以Preston方程为基础，建立了抛光盘在不同工艺参数下对于改性层中大颗粒结晶的冲击力规律的数学模型。以此模型为基础，针对抛光盘的硬度、抛光磨料的粒度以及抛光盘与工件之间的相对压力和相对速度等工艺参数，设计了相关实验，找出各项参数对于改性层中大颗粒结晶冲击力的影响。根据实验结果结合理论分析，初步确定了各种工艺参数对于PVD改性RB-SiC表面缺陷的影响，并据此建立了精抛光的冲击力模型。通过对各种工艺参数的分析和优化，找到了消除和避免表面缺陷的工艺方法，并找出了实验室工艺条件下避免表面缺陷产生的工艺参数区间，拟合出避免表面缺陷产生的抛光冲击力曲线。通过工艺实验所获得的工艺优化方案，成功完成PVD改性RB-SiC基底反射镜一套，加工过程中无严重表面缺陷产生，加工结果符合设计要求。该研究结果对于以后的PVD改性RB-SiC的精抛光加工，改性后表面缺陷的控制具有指导作用。
参考文献：
[1]. 大口径碳化硅质反射镜数控光学加工的研究[D]. 范镝. 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）. 2004
[2]. 大口径空间灵巧望远镜系统中主反射镜的研究[D]. 赵洪波. 中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）. 2007
[3]. 表面改性碳化硅基底反射镜加工技术现状[J]. 康健, 宣斌, 谢京江. 中国光学. 2013
[4]. 大口径碳化硅轻质反射镜镜坯制造技术的研究进展[J]. 唐裕霞, 张舸. 光学技术. 2007
[5]. 新型SiC光学材料的制备及应用[J]. 闫勇, 金光, 张雷, 王栋, 姚劲松. 光电工程. 2011
[6]. 切削表面残留走刀痕理论分析与抛光去除实验研究[D]. 寇宝庆. 哈尔滨工业大学. 2008
[7]. 现代空间光学反射镜轻量化制造技术[C]. 陈亚, 谢京江, 张红, 吕学峰. 中国光学学会2011年学术大会摘要集. 2011
[8]. 硅基材料的电感耦合等离子体射流加工技术研究[D]. 金江. 哈尔滨工业大学. 2013
[9]. SiC光学材料超精密研抛关键技术研究[D]. 王贵林. 中国人民解放军国防科学技术大学. 2002
[10]. PVD改性RB-SiC反射镜表面缺陷处理方法研究[D]. 康健. 中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所). 2014
标签：金属学及金属工艺论文; 世界最大口径望远镜论文; 镜面抛光论文; 望远镜参数论文; 镜面玻璃论文; 空间分析论文; icp论文;