藍寶石復(fù)雜表面光學(xué)元件精密–超精密磨削機理及關(guān)鍵技術(shù)研究進展*

王 盛，趙清亮，王 生，王金虎，戚春亮，王建勇

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001；2.浙江工業(yè)大學(xué)超精密加工研究中心，杭州 310014）

單晶藍寶石（α–Al2O3）因其高硬度（莫氏硬度9，僅次于金剛石）、高溫穩(wěn)定性、耐腐蝕性等卓越機械性能和良好紅外、可見光波段透過率的光學(xué)性能被廣泛應(yīng)用于航空航天和民用光學(xué)等領(lǐng)域[1–3]，尤其適合作為紅外窗口元件在惡劣環(huán)境中服役。此外，藍寶石光學(xué)元件在國防工業(yè)等高科技領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色，如激光系統(tǒng)增益介質(zhì)、強激光武器的光路元件和半導(dǎo)體晶圓等[4–6]。

復(fù)雜表面光學(xué)元件是指具有復(fù)雜拓撲幾何形狀的光學(xué)元件，主要包括非球面、非對稱非旋轉(zhuǎn)的自由曲面等[7–8]。與平面光學(xué)元件相比，復(fù)雜表面光學(xué)元件的成像性能和可集成化程度更好，但成形精度與表面質(zhì)量要求也更高，從而限制其廣泛應(yīng)用。高硬脆材料藍寶石復(fù)雜表面光學(xué)元件的加工屬于極端制造領(lǐng)域，對機械加工能力提出了很大考驗。

藍寶石因其高硬度、高脆性、高耐磨性及力學(xué)性能的各向異性導(dǎo)致其機械加工過程中往往伴隨著各種表面損傷和亞表面損傷，這些損傷會嚴重影響光學(xué)元件的壽命和光學(xué)性能[9–10]。光學(xué)元件機械加工技術(shù)主要包括切削、磨削與拋光，顯然對于尖晶石、氮氧化鋁、藍寶石等高硬脆材料而言，切削由于刀具極易磨損從而不被考慮[11]。金剛石磨粒磨削技術(shù)是一項古老但非常實用的加工技術(shù)，在應(yīng)對高硬脆材料方面具有獨特的優(yōu)勢[12–13]。

拋光是光學(xué)元件加工的最后一道工序，但高硬材料的拋光效率極低，使得拋光去除藍寶石表面損傷和亞表面損傷的難度很大。因此，藍寶石光學(xué)元件拋光前的磨削成形與損傷抑制技術(shù)非常關(guān)鍵[14]。藍寶石磨削后表面產(chǎn)生的脆性斷裂、磨削紋路及亞表面損傷對于拋光的時間和成本是災(zāi)難性的[15]。另一方面，拋光通常被用來獲得光滑的表面，但是如果拋光時間過長很難保證光學(xué)元件的面形精度[16]。

復(fù)雜表面光學(xué)元件通常要求微米/亞微米級的面形精度與納米級的表面粗糙度，而傳統(tǒng)的磨削技術(shù)很難實現(xiàn)這兩點[17–19]。同時，為了防止硬脆材料磨削裂紋和脆性斷裂的產(chǎn)生，在光學(xué)元件的加工中通常采用納米尺度的切削深度來獲得塑性域光滑表面和微米級的面形精度，即超精密磨削加工技術(shù)[20–22]。超精密磨削技術(shù)應(yīng)對藍寶石等高硬脆材料復(fù)雜表面光學(xué)元件具有很大優(yōu)勢，但是由于藍寶石的材料特性、復(fù)雜曲面曲率變化引起的工具干涉、工具磨損和加工軌跡限制等問題給藍寶石復(fù)雜表面光學(xué)元件的超精密磨削加工工藝帶來巨大挑戰(zhàn)。

本研究主要針對航空航天中廣泛服役的高硬脆材料藍寶石的磨削與超精密磨削機理及其復(fù)雜表面光學(xué)元件精密–超精密磨削技術(shù)進行綜述，同時對藍寶石復(fù)雜表面光學(xué)元件的加工技術(shù)進行總結(jié)，并對未來發(fā)展方向進行展望。

1 藍寶石磨削與超精密磨削機理研究

藍寶石材料的高硬脆性和各向異性使得其磨削機理較為復(fù)雜，國內(nèi)外學(xué)者主要采用單磨?？虅澓湍ハ骰A(chǔ)試驗的方式來研究藍寶石磨削材料去除機理。藍寶石磨削機理的研究主要集中在以下方面：磨削材料去除機理的各向異性、磨削表面和亞表面特征、磨削工具及工具磨損機理、能場輔助磨削機理、表面殘余應(yīng)力等。

1.1 材料去除機理各向異性

藍寶石所有晶面都是相對于C面定義，C面（0001）是物理和光學(xué)性能對稱的平面，如圖1所示[23]，A面（110）和M面（100）互成30°角分布，且均垂直于C面，而R面和N面分別位于C面57.6°和61.2°的位置。晶面空間位置的不同引起材料力學(xué)性能的不同，從而導(dǎo)致沿不同晶向加工材料去除機理不同。

圖1 藍寶石各晶面空間位置關(guān)系示意圖[23]Fig.1 Crystal geometry showing crystal planes of sapphire[23]

Wang等[23]采用單顆金剛石磨粒在超精密級機床上對藍寶石C面和M面進行不同方向的刻劃試驗，如圖2和3所示，結(jié)果表明，在藍寶石C面上沿不同晶向刻劃時，主導(dǎo)脆性斷裂的裂紋類型不同，而M面的刻劃溝槽表面裂紋較少，但是橫向裂紋的影響區(qū)域更寬。實際上，在金剛石磨粒的刻劃沖擊作用下，裂紋萌生擴展與不同晶面的孿生積累密切相關(guān)。

圖2 藍寶石C面沿不同晶向刻劃溝槽形貌[23]Fig.2 Scratching patterns along various crystal orientation on C-plane of sapphire [23]

圖3 藍寶石M面刻劃溝槽表面形貌[23]Fig.3 Scratching patterns along various directions on M-plane of sapphire[23]

藍寶石晶面刻劃材料去除機理的各向異性也在其磨削表面的特征差異得到了驗證，藍寶石C面和M面垂直磨削試驗的典型特征差異如圖4所示[24]，C面磨削后的表面特征形貌呈3倍對稱，而M面磨削后的表面特征只有一個對稱軸[24]。此外，從表面粗糙度也可以看出2個晶面的磨削表面質(zhì)量也不一致。

圖4 藍寶石C面和M面磨削表面宏觀形貌及粗糙度分布[24]Fig.4 Crystal orientation dependence of ground surface quality on C- and M-planes of sapphire [24]

Gu等[25]采用聲發(fā)射監(jiān)測了沿藍寶石不同晶向刻劃的損傷演化過程，當沿[100]、[010]和[010]晶向刻劃時，損傷表現(xiàn)為嚴重脆性斷裂去除，而沿另外3個晶向刻劃時，損傷處于裂紋交叉擴展階段，如圖5所示。

圖5 沿不同方向刻劃藍寶石的損傷形貌[25]Fig.5 Damages in different scratching directions [25]

圖6[25]為藍寶石沿不同晶向刻劃的聲發(fā)射原始信號，不同刻劃方向的聲發(fā)射信號的波形不同，且聲發(fā)射信號的各向異性與具體損傷行為有明顯聯(lián)系。

圖6 不同方向刻劃獲得的原始聲發(fā)射信號[25]Fig.6 Raw AE signals obtained from different direction scratching[25]

Zhao等[26]通過藍寶石的正交磨削試驗研究磨削方向?qū)λ{寶石磨削表面質(zhì)量的影響，如圖7所示，分析了藍寶石晶面與磨削方向共同作用下的磨削力及表面質(zhì)量的差異。結(jié)果表明，沿c軸的磨削力、表面損傷和表面畸變程度均大于沿m軸和a軸磨削，因此沿m軸或a軸磨削更適合加工藍寶石。

圖7 不同磨削方向的藍寶石工件截面空間結(jié)構(gòu)[26]Fig.7 Workpiece section of sapphire with different grinding directions [26]

Wang[27]和Luo[28]等采用精密磨拋機對藍寶石不同晶面進行磨削試驗，發(fā)現(xiàn)不同晶面材料去除率和表面粗糙度不同，造成這種差異的主要原因是藍寶石不同晶面的楊氏模量、斷裂韌性和表面能不同。

藍寶石不同晶面和晶向磨削材料去除機理不同，主要表現(xiàn)在磨削損傷特征、磨削力、表面粗糙度、材料去除率等方面。在磨削過程中，由于藍寶石材料微觀結(jié)構(gòu)不同和磨削方向差異，使不同力學(xué)性能的藍寶石在不同角度金剛石磨粒切削應(yīng)力作用下產(chǎn)生的損傷演化規(guī)律不同[9，29–30]。磨削表面的形成主要是裂紋萌生和擴展的結(jié)果，各晶面與晶向發(fā)生裂紋孿生的概率也不相同，而且金剛石磨粒作用下的藍寶石產(chǎn)生的裂紋類型和規(guī)模也不相同，從而導(dǎo)致磨削表面質(zhì)量不同。

1.2 表面和亞表面損傷特征

光學(xué)元件制造工藝中的拋光主要有3個目標：去除磨削和超精磨造成的表面與亞表面損傷、獲得極低的表面粗糙度（～1nm RMS）、保持或修正面形PV[31]。實際上，在光學(xué)元件制造過程中，元件的面形精度達到要求，但表面或亞表面存在損傷，光學(xué)元件也無法正常使役。光學(xué)元件制造表面質(zhì)量理想的情況是表面和亞表面損傷層的厚度要小于或等于面形PV精度。藍寶石作為一種高硬脆材料，在金剛石磨粒的作用下易產(chǎn)生損傷[32–33]。磨削表面產(chǎn)生的脆性斷裂凹坑會極大增加后續(xù)的拋光難度[34–36]，拋光是去高點的過程，為了去除藍寶石表面部分凹坑，同時要保證光學(xué)元件的面形PV質(zhì)量，需要拋光完成去除的材料量非常大。而藍寶石拋光的材料去除率非常低[37–38]，從而導(dǎo)致去損傷保面形的過程難以實現(xiàn)。因此，探索精密–超精密磨削機理和工藝來抑制藍寶石加工產(chǎn)生的損傷層是必要的。

顧興士[14]研究了藍寶石磨削裂紋演化和損傷機理，并通過超精密磨削實現(xiàn)無損傷塑性域的表面，指出藍寶石脆性磨削狀態(tài)下的亞表面損傷層達24μm（表面粗糙度Sa=60nm），如圖8所示。

圖8 不同磨削模式下工件的亞表面損傷情況[14]圖8 Subsurface damage of workpiece under different grinding modes [14]

Zhao等[26]采用KOH熔融刻蝕法研究了藍寶石磨削表面的微觀特征，如圖9所示，刻蝕后原始表面凹坑周圍會出現(xiàn)新的損傷坑，不同磨削方向的損傷區(qū)域在刻蝕后都有所擴大。此外，刻蝕坑的形狀取決于藍寶石晶體結(jié)構(gòu)，磨削方向?qū)ξ诲e分布的形貌有很大影響。

圖9 KOH腐蝕5min后M面藍寶石的形貌[26]Fig.9 Topography of M-plane sapphire after KOH etching for 5min [26]

Wang等[27]指出藍寶石雙面行星磨削后不同晶面的表面凹坑尺寸不同，這與材料表面剝落程度有關(guān)。Wang等[39]采用干脈沖電火花修整粗金剛石砂輪對藍寶石進行高效、精密磨削加工，研究了磨削參數(shù)（砂輪轉(zhuǎn)速、進給速度、磨削深度）對表面微觀結(jié)構(gòu)的影響。Lu等[16]主要對磨粒和工件之間的軌跡運動進行建模，提高了藍寶石雙面行星磨削表面的均勻性。Cheng等[40]采用橫截面拋光法研究了藍寶石不同晶面微磨削的亞表面損傷形態(tài)，如圖10所示[27]，（110）、（0001）和（102）晶面的損傷形態(tài)分別是矩形、三角形和菱形，損傷層的厚度在70μm以下。

圖10 不同取向的亞表面刻蝕尺寸變化（ ap =10μm；腐蝕時間：10min；溫度：350℃）[27]Fig.10 Subsurface etch size variation of different orientation（ ap =10μm; corrosion time: 10min; temperature:350℃）[27]

Gao等[41]采用陶瓷基金剛石砂輪磨削藍寶石，并采用濃硫酸和磷酸配比進行刻蝕，研究表明隨著金剛石粒度的減小，亞表面損傷層的厚度降低，當采用2.5μm粒度的金剛石磨粒時觀察不到亞表面損傷。Wan等[42]指出A面藍寶石的亞表面損傷裂紋主要為橫向裂紋和徑向裂紋，而C面的損傷裂紋主要為橫向裂紋。

藍寶石磨削亞表面損傷的研究主要集中在基礎(chǔ)試驗損傷機理研究，受制于亞表面損傷層的檢測方法，工程應(yīng)用上的復(fù)雜表面藍寶石光學(xué)元件的亞表面損傷研究鮮有報道，曲率變化對亞表面損傷層的研究也需要進一步探索。

1.3 磨削工具及工具磨損機理

由于人造金剛石磨料和藍寶石的硬度非常接近，因此藍寶石磨削過程中砂輪磨損是劇烈的。Liang等[43]研究了樹脂基金剛石砂輪在藍寶石超聲振動輔助磨削狀態(tài)下的磨損機理，指出超聲振動有利于砂輪鋒利度的保持，且砂輪穩(wěn)定磨損狀態(tài)的時間增加了20%。Wang等[44]采用分形分析方法研究了樹脂基金剛石砂輪在藍寶石橢圓超聲輔助磨削（EUAG）過程中的磨損行為，實現(xiàn)了藍寶石磨削過程中砂輪磨損的監(jiān)測。Luo等[13]研究了金屬基砂輪的磨損行為，如圖11所示，當磨削深度小于120μm時，磨料的磨損形式為磨粒尖角磨平。此外，磨粒表面出現(xiàn)許多不規(guī)則的斷裂，如圖11（b）～（d）所示。當磨削深度為160～240μm時，磨損主要表現(xiàn)為尖端磨損和宏觀破碎，并伴有部分磨粒脫落。金屬基砂輪磨削藍寶石磨損機理為裂紋在磨粒中萌生、不斷傳播、相交，最終導(dǎo)致磨粒宏觀破碎，而這種破碎主要發(fā)生在磨粒的棱角處，如圖11（e）～（g）所示。

圖11 不同磨削深度下砂輪上的磨料形貌[13]Fig.11 Morphology of abrasives on grinding wheel after different depths of grinding [13]

金剛石磨粒磨削藍寶石砂輪磨損機理主要集中在磨粒磨損形貌，而砂輪輪廓磨損的研究較少，但針對復(fù)雜表面的磨削，砂輪輪廓的磨損會直接影響到工件的面形質(zhì)量[45]。因此，在藍寶石復(fù)雜表面磨削過程中，要及時進行砂輪修整，使砂輪經(jīng)常保形和保銳，也可以通過軌跡優(yōu)化補償砂輪磨損造成的面形誤差[46]。此外，通過聲發(fā)射等手段實時監(jiān)測砂輪狀態(tài)也是一種有效辦法[47]。

1.4 藍寶石能場與化學(xué)輔助磨削機理

為了提高藍寶石的機械加工效率，Wan[42]和Liang[48]等進行了藍寶石超聲振動輔助磨削試驗，與傳統(tǒng)磨削方式相比，超聲振動的優(yōu)勢是降低磨削力，抑制砂輪磨損和表面損傷。此外，為研究超聲振動對藍寶石脆塑轉(zhuǎn)變行為的影響，Liang等[49]進行了單顆金剛石磨粒的橢圓超聲振動輔助刻劃試驗，結(jié)果表明，較大的振幅有利于實現(xiàn)藍寶石的延性磨削，振幅值與切削深度的關(guān)系會導(dǎo)致切削過程中材料去除模式不同。圖12[49]為單磨粒刻劃藍寶石的脆塑轉(zhuǎn)變深度區(qū)域的橫截面，其中施加超聲振動輔助的脆塑轉(zhuǎn)變深度明顯提高。

圖12 刻劃溝槽脆塑轉(zhuǎn)變區(qū)域橫截面[49]Fig.12 Section profiles of groove in ductile to brittle transition region [49]

Feng等[50]在不同液體環(huán)境下采用金剛石涂層磨具對藍寶石進行磨削，藍寶石材料去除是機械和化學(xué)共同作用，采用堿性溶液可與藍寶石反應(yīng)生成一層軟質(zhì)層，利于材料的去除。然而，化學(xué)機械磨削很難應(yīng)用于復(fù)雜曲面，因為化學(xué)反應(yīng)速率和反應(yīng)層機械去除速率導(dǎo)致工件表面不均勻，因此面形難以控制[51]。

1.5 藍寶石磨削殘余應(yīng)力

藍寶石磨削過程中，在金剛石磨粒作用下，材料發(fā)生晶格滑動或?qū)\晶行為，晶格滑動會產(chǎn)生大量位錯。處于高能量激活狀態(tài)的位錯區(qū)原子會導(dǎo)致表面層應(yīng)力發(fā)生變化，而這種變化體現(xiàn)在材料的表面應(yīng)力上。Zhao等[26]采用X射線搖擺曲線技術(shù)對表層殘余應(yīng)力進行分析，檢測過程的原理如圖13所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)沿c軸加工的磨削表面的內(nèi)應(yīng)力都大于沿m軸加工的磨削表面的內(nèi)應(yīng)力，也高于沿a軸加工的磨削表面的內(nèi)應(yīng)力，與磨削力的規(guī)律一致。王金虎[52]則采用拉曼光譜測量了藍寶石磨削的表面應(yīng)力，指出表面應(yīng)力與亞表面損傷層有一定聯(lián)系。

圖13 X射線搖擺曲線示意圖[26]Fig.13 Schematic diagram of X–ray rocking curve [26]

綜上所述，藍寶石磨削材料去除機理的研究為藍寶石光學(xué)元件的精密–超精密磨削提供一定指導(dǎo)，但磨削機理的研究多集中于藍寶石平片，面向曲面藍寶石的磨削機理鮮有報道。

2 藍寶石復(fù)雜表面磨削與超精密磨削技術(shù)研究

藍寶石復(fù)雜曲面光學(xué)元件往往需要微米級甚至是亞微米級的面形精度和納米級的表面粗糙度，因此設(shè)備和加工工藝成本非常高。受制于應(yīng)用背景、加工工藝復(fù)雜性、機床裝備的限制，藍寶石復(fù)雜曲面的磨削技術(shù)研究鮮有報道。哈爾濱工業(yè)大學(xué)趙清亮課題組針對高硬脆材料復(fù)雜曲面光學(xué)元件的磨削加工已形成獨特的技術(shù)積累，尤其是在高陡度保形整流罩和自由曲面磨削的領(lǐng)域取得了一系列研究成果。

2.1 高陡度藍寶石保形整流罩內(nèi)外表面精密磨削加工技術(shù)

高陡度保形整流罩的空氣性能遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)球形整流罩，而藍寶石材料具有良好的光學(xué)性能和惡劣環(huán)境適應(yīng)性，但高陡度保形輪廓和高硬脆性給光學(xué)加工帶來了巨大挑戰(zhàn)[52–53]。此外，保形整流罩服役對面形和表面質(zhì)量要求非常高，且內(nèi)外表面面形輪廓不同，因此探索和完善高硬脆材料高陡度保形整流罩內(nèi)外表面磨削加工技術(shù)迫在眉睫。

藍寶石保形整流罩磨削加工是在超精密機床上進行的，如圖14所示[52]，內(nèi)外表面均采用球頭砂輪磨削，磨削過程中砂輪要進行在位修整和測量，將實時砂輪半徑補償?shù)綑C床運動軌跡中，同時采用機床自帶的LVDT測量系統(tǒng)進行在位對心和面形測量與補償。磨削過程是砂輪修整–磨削–檢測不斷迭代的過程，實現(xiàn)了高陡度保形整流罩在線砂輪修整和檢測、面形在線檢測和補償技術(shù)，最終面形測量結(jié)果如圖15所示[52]，在50mm口徑的范圍內(nèi)，內(nèi)外表面的面形PV精度分別是2.47μm和1.7μm，磨削完成后的藍寶石保形整流罩如圖16所示[52]。

圖14 藍寶石保形整流罩精磨[52]Fig.14 Fine grinding of conformal sapphire dome [52]

圖15 原位檢測藍寶石保形整流罩面形誤差[52]Fig.15 On-machine measured form accuracy of conformal sapphire dome [52]

圖16 精磨后的藍寶石整流罩[52]Fig.16 Sapphire dome after fine grinding [52]

2.2 藍寶石非球面（165mm口徑）超精密磨削加工技術(shù)

在超精密機床上，采用金剛石圓弧砂輪進行了藍寶石非球面（165mm口徑）的垂直磨削試驗，磨削試驗現(xiàn)場如圖17所示。磨削過程圓弧砂輪需要進行在位修整和測量以進行非球面的編程，同時優(yōu)化砂輪轉(zhuǎn)速與工件轉(zhuǎn)速來抑制磨削紋路，最終超精密磨削的面形精度采用LVDT進行在位測量，結(jié)果如圖18所示，PV<0.85μm，RMS<0.135μm。超精密磨削后的藍寶石非球面如圖19所示，表面均勻沒有磨削紋路且表面粗糙度Sa<10nm，為后續(xù)的拋光節(jié)省大量時間和成本。

圖17 藍寶石非球面超精密磨削試驗Fig.17 Ultra-precision grinding experiment of sapphire aspheric surface

圖18 超精密磨削后的面形精度Fig.18 Profile accuracy after ultra-precision grinding

圖19 超精密磨削后的藍寶石非球面（165mm口徑）Fig.19 Sapphire aspherical surface after ultra-precision grinding （diameter=165mm）

2.3 單晶硅自由曲面超精密磨削加工技術(shù)

受成本、加工技術(shù)和設(shè)備的限制，藍寶石自由曲面的加工鮮有報道。課題組探索了單晶硅自由曲面超精密磨削與檢測工藝[20–22]。首先研究了砂輪在位修整補償策略，采用光柵式超精密磨削加工220mm×105mm尺寸的雙錐自由曲面，最終面形PV誤差為6.0μm，X方向表面粗糙度Ra<10.3nm，Y方向表面粗糙度Ra<8.4nm，如圖20所示[20]。然后對自由曲面超精密磨削過程中的誤差源進行分析，建立輪廓面形誤差評估模型，開發(fā)了自由曲面面形在位檢測和評價補償策略。消除誤差源后，沿工件長度（220mm）和工件高度（105mm）的面形誤差分別由15.425μm和18.6μm降低到1.678μm和1.695μm。在220mm×105mm的測量范圍內(nèi)，面形誤差補償后的加工表面PV值由21.6μm減小到1.549μm，說明本研究所提出的方法對自由曲面面形誤差補償?shù)挠行?，如圖21所示[21]。

圖20 單晶硅雙錐自由曲面光學(xué)精密磨削的光滑表面[20]Fig.20 Surface finish of precision ground monocrystalline silicon biconical free-form optics [20]

圖21 Y方向的輪廓誤差補償[21]Fig.21 Profile error compensation results in Y-direction [21]

圖22 雙錐自由曲面[22]Fig.22 Biconical free-form surface[22]

自由曲面的超精密磨削加工是砂輪修整、軌跡規(guī)劃、在位測量等工藝的集成，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會被反映到面形誤差上。藍寶石高硬脆材料自由曲面的光學(xué)加工技術(shù)更為棘手，其磨削加工技術(shù)尚不成熟，還需進一步探索。

2.4 藍寶石復(fù)雜表面磨削工藝中的挑戰(zhàn)

（1）材料的高硬脆性導(dǎo)致砂輪極易磨損從而影響面形精度。復(fù)雜表面磨削的每一次進給需要很長時間，而且隨著進給時間的增加，砂輪磨損加劇，因此每次進給都會使表面不均勻，優(yōu)化和選擇磨削工具及探究砂輪磨損和表面質(zhì)量之間的映射關(guān)系非常關(guān)鍵。

（2）材料高硬脆性導(dǎo)致磨削深度累積。藍寶石磨削過程中，材料并不能完全去除，隨著進給次數(shù)的增加，磨削深度發(fā)生累積，導(dǎo)致磨削力增加，影響磨削質(zhì)量。

（3）復(fù)雜表面連續(xù)曲率變化導(dǎo)致的磨削系統(tǒng)空間剛度變化。任何磨削系統(tǒng)都有剛度最薄弱的環(huán)節(jié)，為了實現(xiàn)曲率變化復(fù)雜軌跡，磨削過程必然避不開機床運動剛度最弱環(huán)節(jié)。此外，機床運動系統(tǒng)的加速度不斷變化產(chǎn)生的沖擊力對機床剛度也是一個極大考驗。

（4）工藝參數(shù)不匹配和磨削系統(tǒng)剛度不足產(chǎn)生的磨削紋路和振紋。光學(xué)元件磨削過程中產(chǎn)生的磨削紋路為后續(xù)拋光帶來額外挑戰(zhàn)，而藍寶石磨削過程中除了磨削紋路，更容易產(chǎn)生振紋，選擇合適的工藝和工具來抑制紋路的產(chǎn)生也是一門藝術(shù)。

（5）復(fù)雜表面在位檢測與誤差補償技術(shù)。不同于回轉(zhuǎn)對稱的非球面，復(fù)雜曲面的檢測更為復(fù)雜，常規(guī)測量設(shè)備一般沒有檢測復(fù)雜表面的功能。此外，復(fù)雜表面必須進行在位檢測，一旦拆下工件，無法實現(xiàn)高精度重復(fù)裝夾，而裝夾誤差遠大于加工誤差。自由曲面在位檢測是算法和工藝的集成，除了以高精度運動機床和高精度測量設(shè)備為基礎(chǔ)，需要開發(fā)可靠性、確定性的評價算法，而測量后的在位補償技術(shù)更為復(fù)雜，還需進一步探索。

3 結(jié)論

（1）由于藍寶石材料性能的各向異性和磨削加工方向的不同，其磨削材料去除機理不同，主要表現(xiàn)為表面微觀特征、裂紋擴展類型和磨削力等方面的差異。藍寶石磨削產(chǎn)生的表面、亞表面損傷通過拋光難以去除，抑制高硬脆材料的磨削加工過程中的脆性斷裂行為和亞表面損傷是一個重要的方向。

（2）藍寶石磨削過程中金剛石砂輪極易磨損，選擇合適的金剛石砂輪工具、監(jiān)測和補償砂輪磨損行為是高硬脆材料復(fù)雜曲面光學(xué)元件磨削工藝的關(guān)鍵。此外，能場輔助磨削技術(shù)有益于降低磨削力、抑制砂輪磨損、提高脆塑轉(zhuǎn)變深度，但復(fù)雜表面的能場輔助磨削技術(shù)尚不成熟。

（3）研究了藍寶石高陡度保形整流罩精密磨削工藝，實現(xiàn)了整流罩磨削過程中的在位砂輪修整測量、在位對心、在位面形檢測補償技術(shù)，最終整流罩內(nèi)外表面的面形（50mm口徑）PV分別是2.47μm和1.7μm，為深腔薄壁光學(xué)元件的光學(xué)制造技術(shù)提供一定借鑒。此外，超精密磨削后藍寶石非球面（165mm口徑）面形PV<0.852μm，RMS<0.135μm，Sa<10nm，為后續(xù)光學(xué)拋光鑒定基礎(chǔ)。

（4）探索了硬脆材料自由曲面超精密磨削加工技術(shù)，研究了自由曲面磨削過程中的誤差源、砂輪磨損補償及在位面形檢測技術(shù)，開發(fā)了基于金剛石砂輪慢刀伺服的自由曲面超精密磨削技術(shù)，最終超精密磨削后的雙錐自由曲面（220mm×105mm）面形PV<1.549μm，Sa<10nm，但藍寶石等高硬脆材料自由曲面光學(xué)元件的超精密磨削技術(shù)還需要進一步探索。

4 展望

隨著光學(xué)設(shè)計的需求和機械制造技術(shù)的發(fā)展，紅外系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、超高聲速光學(xué)系統(tǒng)等領(lǐng)域?qū)λ{寶石等高硬脆材料復(fù)雜曲面光學(xué)元件極端需求，面向高硬脆材料的超精密磨削加工技術(shù)極為關(guān)鍵。設(shè)計制造高剛度、高精度的超精密磨削加工裝備與系統(tǒng)，探索復(fù)雜曲面高效超精密磨削加工工藝及檢測補償技術(shù)是國防工業(yè)的一個重要課題。