光學(xué)自由曲面加工理論及方法

張效棟

(天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；天津微納制造工程技術(shù)中心 天津 300072)

1 研究背景

光學(xué)自由曲面是一類特殊的自由曲面，由于其全新的光學(xué)設(shè)計(jì)理念，能有效改善光學(xué)系統(tǒng)性能，如校正像差、改善像質(zhì)、擴(kuò)大視場(chǎng)等，因而已成為新一代光學(xué)系統(tǒng)的核心關(guān)鍵器件。光學(xué)自由曲面的特殊性在于，設(shè)計(jì)和應(yīng)用需求對(duì)其表面質(zhì)量和面形精度提出了極其苛刻的要求，形狀精度需達(dá)微米甚至亞微米級(jí)，表面粗糙度達(dá)納米甚至亞納米級(jí)。然而，光學(xué)自由曲面制造的共性基礎(chǔ)理論和技術(shù)還未建立，嚴(yán)重影響了光學(xué)自由曲面制造技術(shù)的發(fā)展，阻礙了光學(xué)自由曲面的廣泛應(yīng)用。在高技術(shù)激烈競(jìng)爭(zhēng)的背景下，美、日、德等工業(yè)發(fā)達(dá)國家已將光學(xué)自由曲面制造技術(shù)列為優(yōu)先工業(yè)發(fā)展計(jì)劃，如歐洲科研基礎(chǔ)戰(zhàn)略論壇ESFRI負(fù)責(zé)探討未來10～20年歐盟國家共同研究重大項(xiàng)目，其2010年研究計(jì)劃中列出的23項(xiàng)重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目，就有 4項(xiàng)與光學(xué)自由曲面密切相關(guān)；美國宇航局成立了專門的空間光學(xué)制造技術(shù)中心，在研的14個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目大都和光學(xué)自由曲面制造相關(guān)。眾多事實(shí)已經(jīng)證明，光學(xué)自由曲面制造已成為國家與國家之間在高技術(shù)領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。

2 項(xiàng)目意義

關(guān)鍵件和功能器件的制造技術(shù)是國家發(fā)展核心競(jìng)爭(zhēng)力的基礎(chǔ)，《國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃》及《國家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃綱要》高度重視這一領(lǐng)域的研究。光學(xué)自由曲面器件是關(guān)鍵件中精度高、形狀復(fù)雜、制造難度大的特殊器件，在國防安全和航空航天等領(lǐng)域起著不可替代的重要作用。本項(xiàng)目以國民經(jīng)濟(jì)和國防領(lǐng)域的重大需求為背景，深入研究并解決光學(xué)自由曲面制造中的重大關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問題，掌握和研究光學(xué)自由曲面高效、高精度加工工藝技術(shù)及裝備的共性基礎(chǔ)問題，發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、具有國際先進(jìn)水平的高精度、可控面形的光學(xué)自由曲面加工技術(shù)，突破發(fā)達(dá)國家在高技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)壁壘，有著重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

項(xiàng)目組通過對(duì)光學(xué)自由曲面切削技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的調(diào)研，歸納出機(jī)理研究尚不清晰、加工工藝研究深度不足、測(cè)量評(píng)價(jià)技術(shù)距實(shí)用化仍有距離等亟待解決和突破的基礎(chǔ)問題，從光學(xué)自由曲面制造的關(guān)鍵技術(shù)中提煉出共性科學(xué)問題，分別從加工基本理論、特殊材料加工工藝和精度改善等3方面進(jìn)行研究，將理論研究、技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用示范相結(jié)合，揭示材料在納米尺度下相互作用的規(guī)律，建立光學(xué)自由曲面制造理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)平臺(tái)。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括：

3.1 提出納米切削過程中的推擠變形材料去除模型

由于尺寸效應(yīng)和刃口效應(yīng)的存在，剪切理論已不能完整解釋納米切削的納米級(jí)表面的形成機(jī)制。項(xiàng)目組很早已關(guān)注該方面的研究，提出了納米切削的推擠變形材料去除模型，有效解釋了納米切削過程中加工表面的產(chǎn)生，揭示了納米精度表面形成原因，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定可控的納米切削加工，并通過理論研究、實(shí)驗(yàn)分析、加工極限探索等系統(tǒng)地完善推擠變形材料去除理論。

3.2 發(fā)明粒子注入輔助納米加工(NiIM)新方法

針對(duì)硬脆材料在超精密加工中表面易產(chǎn)生裂紋和崩碎等難題，基于推擠變形材料去除理論，提出了通過粒子注入輔助方式對(duì)硬脆材料的表面進(jìn)行改性，改變工件材料表層機(jī)械加工性能，從而實(shí)現(xiàn)硬脆性材料的高效納米切削。針對(duì)金剛石刀具切削鋼鐵等黑色金屬磨損非常嚴(yán)重的問題，開展了超聲輔助切削的相關(guān)實(shí)驗(yàn)及研究，成功實(shí)現(xiàn)了碳鋼材料的超精密切削，并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

3.3 光學(xué)自由曲面柱面加工及基于原位測(cè)量的面形可控加工方法

基于柱面坐標(biāo)加工模型進(jìn)行自由曲面超精密車削加工分析，借助矢量數(shù)學(xué)對(duì)刀位點(diǎn)進(jìn)行刀具參數(shù)的優(yōu)化補(bǔ)償，并采用螺旋投影驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)加工路徑的精確規(guī)劃。同時(shí)，借助矢量運(yùn)算方法對(duì)刀具前角進(jìn)行了精確計(jì)算和補(bǔ)償。針對(duì)加工中的干涉問題，采用旋轉(zhuǎn)扇形驅(qū)動(dòng)線對(duì)自由曲面逐截線進(jìn)行解析，分析自由曲面面型特征來進(jìn)行刀具幾何參數(shù)的約束，并進(jìn)行干涉的自動(dòng)判斷及預(yù)報(bào)，及時(shí)修正合適參數(shù)，避免干涉。提出了一種原位測(cè)量方法直接獲取面形誤差數(shù)據(jù)，并設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)規(guī)整和濾波算法，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的有效分離，將面形誤差數(shù)據(jù)用于面形誤差補(bǔ)償和面形可控制造。實(shí)現(xiàn)了自由曲面棱鏡、非球面陣列器件及光學(xué)復(fù)眼結(jié)構(gòu)等典型器件的高效高精度加工。

歷經(jīng)5年多的研究開發(fā)和推廣應(yīng)用，本項(xiàng)目授權(quán)國家發(fā)明專利 14項(xiàng)，發(fā)表 SCI收錄期刊論文 20余篇。應(yīng)邀在制造領(lǐng)域主要國際會(huì)議及國內(nèi)外高校發(fā)表大會(huì)主題報(bào)告及特邀報(bào)告近30次。2013年8月，在國際生產(chǎn)工程院發(fā)表題為“光學(xué)自由曲面制造和測(cè)量”的主題報(bào)告，屬國內(nèi)學(xué)者首次。此外，發(fā)起每?jī)赡暌淮蔚膰H納米制造系列會(huì)議(nanoMan)，2010年及2012年分別在天津及日本東京舉行，并擔(dān)任大會(huì)主席。研究成果被以制造領(lǐng)域權(quán)威專家蔡鶴皋院士為主任委員的鑒定委員會(huì)評(píng)價(jià)為“總體技術(shù)達(dá)到了國際領(lǐng)先水平”；國際生產(chǎn)工程院原主席拜恩教授評(píng)價(jià)“是我在世界范圍內(nèi)所接觸到的最高研究水準(zhǔn)之一”。

4 經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益

項(xiàng)目成果在相關(guān)企業(yè)的產(chǎn)品或?qū)ν夥?wù)中得到推廣應(yīng)用，并應(yīng)用于中國航天科工集團(tuán)和中國計(jì)量院等航空航天及科研院所相關(guān)重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，專家認(rèn)為項(xiàng)目成果“打破了國外對(duì)于我國在超精密領(lǐng)域光學(xué)元器件制造技術(shù)的封鎖，具有很高的推廣價(jià)值”。

本項(xiàng)目在研究和推廣應(yīng)用過程中也帶來了巨大的社會(huì)效益，提高了我國核心關(guān)鍵器件自主創(chuàng)新能力；借助機(jī)械工程和光學(xué)工程的交叉特色研究推動(dòng)學(xué)科特色建設(shè)和人才隊(duì)伍培養(yǎng)；擴(kuò)大了我國和天津市在國際制造領(lǐng)域的影響力；倡導(dǎo)和發(fā)起的國際學(xué)術(shù)會(huì)議成為國際制造領(lǐng)域重要的交流平臺(tái)。項(xiàng)目的研究成果助推國防、航空航天技術(shù)發(fā)展，并為天津區(qū)域經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展提供了高技術(shù)平臺(tái)。