红外光学微结构表面的高效自适应飞刀切削

李佩铮; 杜雪; 孙占文; 王素娟; 徐诗俊

doi:10.37188/OPE.20223015.1845

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

红外光学微结构表面的高效自适应飞刀切削

平面光学元件的设计、制造及应用 | 更新时间：2026-09-11

- 红外光学微结构表面的高效自适应飞刀切削
- Efficient adaptive flying cutting for infrared optics micro-structured surfaces
- 光学精密工程 2022年30卷第15期页码：1845-1856
- 作者机构：
  
  1.广东工业大学精密电子制造技术与装备国家重点实验室，广东广州 510006
  2.香港理工大学工业与系统工程学系超精密加工技术国家重点实验室，香港 999077
- 作者简介：
  
  李佩铮（1996-），男，山东青岛人，硕士研究生，2019年于山东理工大学获得学士学位，主要从事超精密飞刀切削硬脆材料光学自由曲面碎裂损伤机理及抑制方法的研究。E-mail： 12173838@qq.com
  孙占文（1988-），男，副教授，硕士生导师，2011年于长春理工大学获得学士学位，2015年于哈尔滨工业大学获得硕士学位，2019年于香港理工大学大学获得博士学位，主要从事光学元件超精密加工工艺、硬脆材料损伤机理等方面的研究。E-mail： zw.sun@gdut.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(52005110;51975128);广东省自然科学基金资助项目(2022A1515011055);香港创新科技署资助项目(ITS/246/18FX)
- DOI：10.37188/OPE.20223015.1845
  中图分类号： TH703
- 收稿：2022-05-17，
  
  修回：2022-06-10，
  
  纸质出版：2022-08-10
- 稿件说明：
移动端阅览
李佩铮,杜雪,孙占文等.红外光学微结构表面的高效自适应飞刀切削[J].光学精密工程,2022,30(15):1845-1856.

LI Peizheng,DU Xue,SUN Zhanwen,et al.Efficient adaptive flying cutting for infrared optics micro-structured surfaces[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(15):1845-1856.
李佩铮,杜雪,孙占文等.红外光学微结构表面的高效自适应飞刀切削[J].光学精密工程,2022,30(15):1845-1856. DOI： 10.37188/OPE.20223015.1845.

LI Peizheng,DU Xue,SUN Zhanwen,et al.Efficient adaptive flying cutting for infrared optics micro-structured surfaces[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(15):1845-1856. DOI： 10.37188/OPE.20223015.1845.

摘要

为了实现红外光学微结构表面的高效、高精度、低损伤加工，提出了一种超精密自适应飞刀切削方法，并进行了实验验证。根据飞刀切削的运动学特性，建立了飞刀切削塑性加工模型。以最大切屑厚度始终小于脆塑转变临界为原则，根据微结构表面的局部形貌特征，采用迭代算法规划出具有动态变化进给速度的刀具轨迹。最后，将所提出方法与传统飞刀切削方法进行对比实验，验证了所提出自适应飞刀切削方法的有效性。通过实验成功在单晶硅材料上加工了无脆性断裂的微沟槽，表面粗糙度达到18 nm。与传统飞刀切削方法相比，超精密自适应飞刀切削方法在不降低进给速度的前提下，避免了脆性断裂，加工效率是传统方法的2.5倍。

Abstract

In the processing of infrared optical microstructured surfaces， the hard， brittle， and difficult-to-machine properties of infrared optical materials and the complex geometric properties of microstructured surfaces lead to uneven and brittle fractures in the processed microstructured surfaces and reduce the face shape accuracy. Small feeds are now commonly used to suppress surface fragmentation but are inefficient. To achieve efficient， high-precision， and low-damage machining of infrared optical microstructured surfaces， an ultra-precise adaptive flying cutting method was proposed and experimentally validated in this study. First， based on the kinematic characteristics of flying cutting， a flying cutting plasticity machining model was established. Second， based on the principle whereby the maximum chip thickness was always less than the brittle-plastic transition threshold， an iterative algorithm was used to plan a tool trajectory with dynamically varying feed rates based on the local morphological characteristics of the microstructured surface. Finally， the effectiveness of the proposed adaptive flying cutting method was verified by comparing it with the conventional flying cutting method in experiments. Experiments show that microgrooves are successfully machined without brittle fracture on single-crystal silicon materials and that a surface roughness of 18 nm is achieved. Compared with conventional flying tool cutting methods， the proposed ultra-precision adaptive flying cutting method avoids brittle breakage without reducing feed rates and achieves 2.5 times the machining efficiency of conventional methods.

关键词

Keywords

references

王龙，汪刘应，刘顾，等 . 硬脆材料切削加工碎裂损伤研究进展［J］. 工具技术， 2021 ， 55 （ 10 ）： 3 - 8 . doi: 10.3969/j.issn.1000-7008.2021.10.001 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1000-7008.2021.10.001

WANG L ， WANG L Y ， LIU G ， et al . Research progress on cataclastic damage of hard and brittle materials in cutting ［J］. Tool Engineering ， 2021 ， 55 （ 10 ）： 3 - 8 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1000-7008.2021.10.001 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1000-7008.2021.10.001

ANTWI E K ， LIU K ， WANG H . A review on ductile mode cutting of brittle materials ［J］. Frontiers of Mechanical Engineering ， 2018 ， 13 （ 2 ）： 251 - 263 . doi: 10.1007/s11465-018-0504-z http://dx.doi.org/10.1007/s11465-018-0504-z

XIAO G B ， TO S ， JELENKOVIĆ E V . Effects of non-amorphizing hydrogen ion implantation on anisotropy in micro cutting of silicon ［J］. Journal of Materials Processing Technology ， 2015 ， 225 ： 439 - 450 . doi: 10.1016/j.jmatprotec.2015.06.017 http://dx.doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2015.06.017

WANG J S ， ZHANG X D ， FANG F Z ， et al . Diamond cutting of micro-structure array on brittle material assisted by multi-ion implantation ［J］. International Journal of Machine Tools and Manufacture ， 2019 ， 137 ： 58 - 66 . doi: 10.1016/j.ijmachtools.2018.10.005 http://dx.doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2018.10.005

CHEN X ， LIU C L ， KE J Y ， et al . Subsurface damage and phase transformation in laser-assisted nanometric cutting of single crystal silicon ［J］. Materials & Design ， 2020 ， 190 ： 108524 . doi: 10.1016/j.matdes.2020.108524 http://dx.doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108524

张文生，张飞虎，董申 . 光学脆性材料的金刚石切削加工［J］. 光学精密工程， 2003 ， 11 （ 2 ）： 139 - 143 . doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2003.02.007 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.2003.02.007

ZHANG W SH ， ZHANG F H ， DONG SH . Diamond cutting of optical brittle materials ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2003 ， 11 （ 2 ）： 139 - 143 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2003.02.007 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.2003.02.007

王紫光，康仁科，周平，等 . 单晶硅反射镜的超精密磨削工艺［J］. 光学精密工程， 2019 ， 27 （ 5 ）： 1087 - 1095 . doi: 10.3788/OPE.20192705.1087 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20192705.1087

WANG Z G ， KANG R K ， ZHOU P ， et al . Ultra-precision grinding of monocrystalline silicon reflector ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2019 ， 27 （ 5 ）： 1087 - 1095 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20192705.1087 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20192705.1087

徐领娣，房安利，于建海，等 . 微晶材质自由曲面反射镜精密超声铣磨加工技术［J］. 光学精密工程， 2019 ， 27 （ 12 ）： 2564 - 2570 . doi: 10.3788/OPE.20192712.2564 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20192712.2564

XU L D ， FANG A L ， YU J H ， et al . Ultrasonic-vibration assisted grinding of a zerodour freeform optical mirror ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2019 ， 27 （ 12 ）： 2564 - 2570 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20192712.2564 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20192712.2564

罗斌，阎秋生 . 磁流变抛光非球柱面镜的新工艺［J］. 金刚石与磨料磨具工程， 2019 ， 39 （ 2 ）： 64 - 71 .

LUO B ， YAN Q SH . New technology to magnetorheological finishing aspheric cylindrical mirror ［J］. Diamond ＆ Abrasives Engineering ， 2019 ， 39 （ 2 ）： 64 - 71 . （in Chinese）

KHATRI N ， SHARMA R ， MISHRA V ， et al . Single point diamond turning of silicon for flat X-rays mirrors ［J］. Advanced Materials Proceedings ， 2021 ， 2 （ 7 ）： 425 - 427 . doi: 10.5185/amp.2017/704 http://dx.doi.org/10.5185/amp.2017/704

TANG L L ， ZHOU T F ， ZHOU J ， et al . Research on single point diamond turning of chalcogenide glass aspheric lens ［J］. Procedia CIRP ， 2018 ， 71 ： 293 - 298 . doi: 10.1016/j.procir.2018.05.023 http://dx.doi.org/10.1016/j.procir.2018.05.023

赵清亮，郭兵，杨辉，等 . 金刚石飞切加工微结构表面的工艺参数优化［J］. 光学精密工程， 2009 ， 17 （ 10 ）： 2512 - 2519 . doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2009.10.025 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.2009.10.025

ZHAO Q L ， GUO B ， YANG H ， et al . Technological parameter optimization of micro-structured surfaces by diamond fly-cutting ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2009 ， 17 （ 10 ）： 2512 - 2519 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2009.10.025 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.2009.10.025

SUN Z W ， TO S ， YU K M . Feasibility investigation on ductile machining of single-crystal silicon for deep micro-structures by ultra-precision fly cutting ［J］. Journal of Manufacturing Processes ， 2019 ， 45 ： 176 - 187 . doi: 10.1016/j.jmapro.2019.05.045 http://dx.doi.org/10.1016/j.jmapro.2019.05.045

SUN Z W ， TO S ， YU K M . An investigation in the ultra-precision fly cutting of freeform surfaces on brittle materials with high machining efficiency and low tool wear ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， 2019 ， 101 （ 5 ）： 1583 - 1593 . doi: 10.1007/s00170-018-3013-7 http://dx.doi.org/10.1007/s00170-018-3013-7

SUN Z W ， TO S ， WANG S J ， et al . Development of self-tuned diamond milling system for fabricating infrared micro-optics arrays with enhanced surface uniformity and machining efficiency ［J］. Optics Express ， 2020 ， 28 （ 2 ）： 2221 . doi: 10.1364/oe.382672 http://dx.doi.org/10.1364/oe.382672

浏览量

1314

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

激光诱导等离子体加工蓝宝石微结构及其润湿性

高回转精度多阶柱状微电极电化学高效制备试验研究

微结构表面形貌的测量

基于通道注意力增强网络的高效消色差超透镜逆向设计

基于Mamba架构的遥感图像超分辨率重建方法综述