Enhancement of surface wettability via micro-and nanostructures by single point diamond turning

Studies on surface wettability have received tremendous interest due to their potential applications in research and industrial processes. One of the strategies to tune surface wettability is modifying surface topography at micro-and nanoscales. In this research, periodic micro-and nanostructures were patterned on several polymer surfaces by ultra-precision single point diamond turning to investigate the relationships between surface topographies at the micro-and nanoscales and their surface wettability. This research revealed that single-point diamond turning could be used to enhance the wettability of a variety of polymers, including polyvinyl chloride(PVC), polyethylene 1000(PE1000), polypropylene copolymer(PP) and polytetrafluoroethylene(PFTE), which cannot be processed by conventional semiconductor-based manufacturing processes. Materials exhibiting common wettability properties(θ≈ 90°) changed to exhibit "superhydrophobic" behavior(θ > 150°). Compared with the size of the structures, the aspect ratio of the void space between micro-and nanostructures has a strong impact on surface wettability.

Analysis and Prediction of Effect of Turning Marks Diffraction on Image Quality of Optical System

Single-point diamond turning (SPDT) is widely used in the machining of infrared materials and metal-based mirrors. Diamond tips can scratch material, replicate the shape of the tip, and create annular turning marks on optical surfaces, which can have unpredictable adverse effects on imaging. In order to predict the effect of turning marks diffraction on the degradation of imaging quality, a model of the influence of SPDT processing parameters on the reduction of system imaging MTF under the influence of ideal grating turning marks diffraction was established. The results show that the depth of the turning mark will lead to the decline of MTF, especially the low frequency information. Finally, a method is proposed to reduce the effect of turning marks diffraction through changing the processing parameters. .

A Fast Tool Servo System for Fabrication of Micro-structured Surfaces on A Diamond Turning Machine

A fast tool servo (FTS) system is developed for the fabrication of non-rotationally symmetric micro-structured surfaces using single-point diamond turning machines.The constructed FTS employs a piezoelectric tube actuator (PZT) to actuate the diamond tool and a capacitive probe as the feedback sensor.To compensate the inherent nonlinear hysteresis behavior of the piezoelectric actuator,Proportional Integral (PI) feedback control is implemented.Besides,a feed-forward control based on a simple feed-forward predictor has been added to achieve better tracking performance.Experimental results indicate that error motions in the performance of the system caused by hysteresis can be reduced greatly and the micro-structured surface is successfully fabricated by implementing the FTS.

基于表面粗糙度和反射率多目标优化的6061铝合金超精密车削工艺研究

目的探究工艺参数对6061铝合金滚压件超精密车削性能的影响,对工件超精密车削加工表面粗糙度和表面光学反射率进行协同优化研究。方法首先,对6061铝合金材料表面进行单向超声振动滚压以提高工件表面质量。其次,设计了四因素四水平的超精密车削正交试验,研究了切削工艺参数(主轴转速、进给速度、背吃刀量、刀尖半径)对6061铝合金滚压件表面粗糙度及表面光学反射率的影响规律。最后,采用灰色关联分析方法,将多个工艺目标参数优化问题转化为单目标的灰色关联度优化问题,通过超精密车削试验对优化结果进行验证。结果主轴转速对表面粗糙度Ra和Sa的影响最显著,其次是刀尖半径和背吃刀量,进给速度的影响最小;工艺参数对可见光波段和中红外光波段反射率的影响程度与表面粗糙度一致,各参数按对近红外光波段反射率影响程度由大到小的顺序依次为背吃刀量、刀尖半径、进给速度、主轴转速;通过灰色关联分析获得优化工艺参数组合为主轴转速3000 r/min、进给速度10 mm/min、背吃刀量5μm、刀尖半径0.5 mm,此时对应的表面粗糙度R_(a)和S_(a)分别为2.162 nm和7.855 nm,可见光、近红外光、中红外光波段反射率分别为88.892%、88.893%、97.788%。结论通过优化结果能够有效降低表面粗糙度、提升表面光学反射率,对制造高水平金属反射镜具有十分重要的现实意义和研究价值。

WC-Co硬质合金塑形域加工去除机理的研究

因硬质合金极高的硬度和稳定性,其超精密加工仍然是玻璃透镜模压模具生产中重要且成本高昂的一环。主流的塑形域加工相关技术在硬质合金上的应用并不尽人意。本文通过纳米压痕测试、维氏压痕测试、单点金刚石车削、变切深刻划等实验方法,研究了WC-Co硬质合金的去除机理。首先,根据车削结果和观察讨论了传统塑形域加工理论在硬质合金上应用的有效性;其次,分析了机械加工过程中表面可能出现的微观缺陷和控制方法;最后,探索了减少WC晶粒破碎的临界切削参数,并在此基础上进行单点金刚石车削,证实了临界切削参数控制加工表面微观缺陷的有效性。

轻量化铝反射镜拓扑优化与加工试验研究

铝反射镜在航空航天和空间遥感卫星领域中广泛应用,为了提高铝反射镜的轻量化率,降低民用商业遥感卫星的发射成本,设计了一种背部开放式、三角形孔结构和三点支撑形式的轻量化铝反射镜。在此结构基础上,首先以质量最小为优化目标,以反射镜背部加强筋的厚度和加强筋的布局为优化对象,以柔度最小为响应约束,应用有限元法对反射镜背部加强筋的厚度进行尺寸优化和加强筋的布局进行拓扑优化,得到的铝反射镜轻量化率超过63%;然后设计了工装夹具进行单点金刚石车削加工试验;最后使用激光干涉仪检测反射镜的面形精度。检测结果表明:反射镜的面形值PV(peak to valley)为1.48μm,能够满足民用商业遥感卫星的使用要求。

硫系玻璃单点金刚石车削技术的研究进展

硫系玻璃是应用较为广泛且较难加工的红外光学元件。单点金刚石车削加工技术不仅具有较高的加工质量,还能有效避免磨料嵌入光学元件导致面形精度降低,适用于小口径、大批量硫系玻璃镜片的超精密加工。本文介绍了硫系玻璃单点金刚石车削加工的原理和条件,综述了硫系玻璃单点金刚石车削加工过程中机床、刀具、加工工艺等对面形精度和表面光洁度的影响。

衍射光学元件车削误差控制技术

衍射光学元件在光学系统中的应用越来越广泛,对衍射结构的加工质量提出了更高的要求。单点金刚石车削可直接加工出高精度衍射微结构表面,但衍射结构的位置误差和表面质量对其光学性能有较大影响。为了提高衍射光学元件的性能,需要精确控制其车削误差。基于此,分析了影响衍射元件加工质量的因素,建立了揭示位置误差、衍射面形状和刀具半径之间的关系的数学模型,揭示了衍射带位置精度影响规律。通过补偿加工提升基底表面质量来提高衍射曲面面形精度。结合仿真模型与粗糙度影响参数,指导车削刀具半径的选取。最后,基于仿真结果,选择半径为0.02 mm的半圆弧刀具加工,最终加工的衍射元件面形误差为292 nm,衍射环带位置误差最大为55 nm,高度误差最大为16 nm,粗糙度为5.6 nm。实验结果表明,该预测模型可以指导衍射光学元件高精度表面形貌的获取,有利于提高光学系统的成像质量,为高精度衍射光学元件的批量生产提供了技术支持,具有广泛的工程应用价值。

大口径ZnSe晶体单点金刚石车削工艺技术研究

表面质量是衡量大口径ZnSe晶体能否用于红外成像和激光光学系统中最重要评价参数之一。大口径ZnSe晶体通常采用单点金刚石车削的加工方式。这种方式表面容易产生白点、云雾状缺陷,严重影响红外和激光光学系统质量。ZnSe晶体的表面质量与主轴转速、进给速度、切削深度、刀具半径等多个加工工艺参数影响因素密切相关。采用Taguchi法设计加工实验,对各个工艺参数进行深入研究,得到优化加工工艺参数组合,最终得到大口径ZnSe晶体的加工工艺技术方案。

大面阵锑化铟探测器芯片背减薄工艺技术开发

为实现大尺寸锑化铟混成芯片的高质量、高成品率背减薄,介绍了一种单点金刚石车削与磨抛相结合的背减薄工艺。该工艺采用单点金刚石车削技术实现锑化铟芯片大量厚度去除,然后通过旋转磨削工艺进一步去除车削损伤,最终实现了1280×10^(24)元(25μm)大尺寸锑化铟混成芯片背减薄(材料表面的半峰宽值约为8.20~11.90 arcsec)。与传统磨削工艺相比,该工艺对尺寸大、面型差的半导体芯片兼容性强,解决了大尺寸芯片在传统磨削工艺中因面型带来的裂片率高、减薄厚度不均匀的问题。

KDP晶体光学零件超精密加工技术研究的新进展

KDP晶体作为优质的非线性光学材料 ,被广泛的应用于激光非线性光学领域。由于大型KDP晶体具有一系列不利于光学加工的特点 ,因此被公认为是最难加工的光学零件。本文概述了KDP晶体超精密磨削和磁流变抛光的加工方法 ,阐述了KDP晶体光学零件单点金刚石加工技术的研究现状 ,并详细地分析了单点金刚石切削加工时机床精度、加工工艺参数、装夹变形、晶格方向变化、金刚石刀具几何参数、冷却液等对加工表面质量 (平面度、表面粗糙度、小尺度波纹等 )

单点金刚石精密数控车削加工技术及发展前景分析

针对我国红外热像仪、探测仪及惯性约束核聚变工程对红外晶体类光学元件的需求,开展了单点金刚石精密数控车削加工技术的研究,分析了单点金刚石精密数控车削加工技术的特点及应用范围、机床整体布局及主体结构型式。介绍了该项技术在国内外的发展现状和趋势,对该项技术的应用发展前景进行了分析和预测。在消化和引进国外先进制造技术和最新研究成果的基础上,突破单点金刚石精密数控车削加工的关键制造技术,解决了我国光学非球面精密数控车削加工技术和设备依赖引进的问题,实现了单点金刚石精密数控车削加工技术及设备的国产化,提高了我国红外光学元件的精密加工技术水平和设备制造能力。

状态方程实验用铜多台阶靶制备工艺

采用单点金刚石切削技术,通过合理的刀具设计、夹具设计及工艺过程设计,确定了加工工艺参数,完成了厚度几μm至几十μm的无氧铜多台阶靶的制备。通过触针式轮廓仪,台阶仪,白光干涉仪对表面轮廓及粗糙度进行了测量。结果表明:通过单点金刚石切削技术加工成形的铜多台阶靶,各台阶表面均方根粗糙度小于50 nm,工件表面轮廓平直,台阶垂直度较好。采用阿基米德原理对材料密度进行测量,加工成形后密度为(8.945±0.074)g/cm3,接近材料理论密度。

KDP晶体塑性域超精密切削加工过程仿真

提出了压痕实验与有限元仿真结合的方法。它采用压痕深度与有限元仿真深度进行对比,可求解出KDP晶体的塑性特性参数。建立了KDP晶体塑性域切削的有限元模型,并用该模型仿真研究了切削参数对KDP晶体表面形成过程的影响。结果表明,在刀具前角为-40°左右时,工件表面质量可达到最佳值。研究还发现,当刀具刃口半径为80nm时,其能够产生切屑的最小切削厚度在10nm-30nm之间,此时法向切削力与主切削力之比为0.96,该结论对KDP晶体超光滑表面的获取有着重要指导意义。

单点金刚石车削技术的研究

介绍了单点金刚石车削原理,分析了单点金刚石车削技术中影响光学零件面形精度和粗糙度的重要技术因素,同时提出了相应的解决方案,并展望了单点金刚石车削技术在光学制造领域的应用前景。

KDP晶体单点金刚石切削表面粗糙度预测及实验研究

采用单点金刚石切削的方法加工了KDP晶体,利用回归分析的方法建立了表面粗糙度预测模型,达到了在加工前设计、预测和控制表面粗糙度的目的。利用预测模型分析了进给量、切削速度、背吃刀量对表面粗糙度的影响。通过优化设计获得了KDP晶体在该条件下的最佳切削参数,得到的表面粗糙度的最佳估计值为6.3389nm。利用最佳的切削工艺参数,加工出了表面粗糙度值为6.895nm的超光滑表面。

用SPDT技术制备正弦调制靶的表面起伏图形

正弦调制靶是瑞利-泰勒(Rayleigh-Taylor,R-T)不稳定性研究的重要实验用靶。从国内外实验用靶的需求出发,采用金刚石车削技术,在紫铜表面完成了振幅为10μm、波长为100μm等一系列正弦曲线的加工。采用直线插补原理编制数控加工程序,利用超精密金刚石车床,设计了合理的加工工艺过程,分析了对正弦曲线轮廓加工及测量的主要影响因素及误差,通过Form Talysurf series 2型触针式轮廓仪对正弦曲线轮廓进行测量。结果表明:正弦曲线轮廓平滑,波长和振幅数值上与理论值基本相同。通过SPDT技术制备的正弦曲线图形基本满足R-T不稳定性实验需求。

切削用量对铝靶表面质量的影响

采用单点金刚石切削技术,完成了对ICF实验用铝靶的切削加工,重点研究了切削用量对加工表面质量的影响。实验结果表明:采用较小的进给速度,较大的主轴转速能够获得较低的表面粗糙度,切削深度对表面质量影响较小。通过Form Talysurf表面轮廓仪测量,结果表明表面粗糙度小于50 nm。

超精密车削表面微观形貌对光学特性的影响

研究了超精密车削表面微观拓扑形貌与光散射特性之间的关系,用于评价车削加工表面的光学性能并优化加工过程。采用阈值分析和粗糙表面散射理论分析两种方法研究了仅有理想刀痕的表面所产生的重影现象。阈值分析是指先计算单段圆弧刀痕的散射特性,再根据周期性结构对光的调制性来求得被加工表面为镜面对刀尖圆弧半径和进给率(主轴每转的进给距离)选择的大约临界值要求。在入射光波长500nm的情况下,当刀尖圆弧半径选择500μm时,可以计算得出阈值进给率为19μm。粗糙度散射理论分析则是通过电场积分公式——Stratton-Chu公式进行更精确的计算。实验表明,对于超精密车削加工得到的表面,当从入射光的非镜面方向,尤其是一极大散射方向观察不到光强时,即可以认为加工出了镜面效果。

无氧铜超精加工表面微观形貌的分形维数表征

单点金刚石超精密加工能够获得纳米级的低粗糙度表面。进一步的实验表明,采用该工艺进行退火态无氧铜切削,已加工表面在刀痕基础上还会出现清晰的晶界浮凸现象。传统的粗糙度概念无法有效表征与区分含有晶界浮凸信息的超精加工表面微观形貌。引入分形维数概念,采用该理论中尺码法对无氧铜超精加工表面的微观形貌进行分形维数计算;为降低切削刀痕信号干扰、突出晶界浮凸信息,设计表面信号带阻滤波方法。计算结果表明,超精加工后的表面分形维数包含了加工刀痕与晶界浮凸信息,由于两者尺度相近,传统的粗糙度测量无法区分其差异;采用带阻滤波与尺码法耦合方式,能够有效识别晶界浮凸特点,定量地反映微观尺度下超精加工表面的形貌特征信息。