近日，山東大學姚鵬教授團隊以“柱面微透鏡陣列的精密磨削”為(wei)(wei)題發表文章于《光學 精密工程》2021年29卷第7期(qi)，并被選為(wei)(wei)封面(mian)文章。

《光學 精(jing)密工程》 2021年 29卷 第7期(qi)(qi) 期(qi)(qi)刊封(feng)面

柱(zhu)面微透(tou)(tou)鏡陣列(lie)元(yuan)件是由柱(zhu)面結構(gou)深度為微米(mi)級(ji)的透(tou)(tou)鏡組(zu)成的陣列(lie)，不僅具(ju)有傳統透(tou)(tou)鏡的聚(ju)焦、成像(xiang)等基(ji)本光(guang)(guang)學功能，而且具(ju)有單元(yuan)尺寸小，集(ji)成度高的特點。在軍用(yong)，民用(yong)，天(tian)文等領域有著廣泛應用(yong)，例如激(ji)光(guang)(guang)制導，激(ji)光(guang)(guang)光(guang)(guang)束均勻化以及(ji)三維成像(xiang)等等。

圖(tu)1 柱面微透(tou)鏡(jing)陣列元件的應用

鑒于制造成本和制造難度，國內外廠家提供的柱面微透鏡通常是普通圓柱截面，但非圓截面柱面微透鏡可以進一步簡化光學系統，降低系統重量，對航空航天應用具有更加重要的意義。非圓截面柱面微透鏡國外可以定制，但成本高，供貨期長，有些甚至是受限的卡脖子光學元件，國內尚無法提供滿足要求的此類光學元件。采用模壓技術可以大大降低成本，RB-SiC作為模具材料用于玻璃模壓，相比傳統鍍鎳模具形狀保持性好，壽命長，是玻璃模壓模具的理想材料，但加工難度大，目前磨削加工可以說是唯一的選擇。
       傳統的磨削方法采用微小磨具進行超精密磨削加工，加工效率低，砂輪磨損嚴重，需要進行多次繁瑣的砂輪修整，不僅降低加工效率，而且增加編程和對刀過程，加工難度大。因此，開發高效率的磨削加工方法具有很高的研究價值。
與傳統的加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)方法相(xiang)比，本文采用(yong)成(cheng)形砂(sha)(sha)輪(lun)進行復映(ying)磨削(xue)(xue)加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)，能夠(gou)極大地提(ti)高(gao)加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)效率(lv)(lv)。采用(yong)成(cheng)型(xing)磨削(xue)(xue)加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)，需要(yao)(yao)(yao)在砂(sha)(sha)輪(lun)上修(xiu)(xiu)(xiu)整出和柱面微透(tou)鏡陣列對(dui)應的高(gao)精度微細(xi)輪(lun)廓(kuo)結構，目前砂(sha)(sha)輪(lun)修(xiu)(xiu)(xiu)整技術主(zhu)要(yao)(yao)(yao)有(you)機(ji)械修(xiu)(xiu)(xiu)整，激光修(xiu)(xiu)(xiu)整和電火花(hua)修(xiu)(xiu)(xiu)整。將成(cheng)型(xing)砂(sha)(sha)輪(lun)裝夾在平面磨床(chuang)主(zhu)軸上，選定合適的磨削(xue)(xue)參數，可以實現(xian)一次往復磨削(xue)(xue)加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)成(cheng)型(xing)，無需進行多次修(xiu)(xiu)(xiu)整，效率(lv)(lv)極高(gao)。同時，成(cheng)型(xing)磨削(xue)(xue)加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)降低了對(dui)機(ji)床(chuang)設備的要(yao)(yao)(yao)求和編程(cheng)的難度，無需多軸聯動機(ji)床(chuang)和復雜加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)程(cheng)序，對(dui)機(ji)床(chuang)操作人員素質要(yao)(yao)(yao)求不高(gao)，具有(you)很強(qiang)的現(xian)實意義(yi)。

 圖(tu)2 實驗裝(zhuang)置

為了能準確的把握成型磨削加工后工件的表面質量，本文使用MATLAB對實驗砂輪和磨削過程進行了仿真。通過分析實驗砂輪和磨粒的特征，建立砂輪的數值化模型，研究砂輪表面磨粒與工件的幾何相互作用機理，形成對工件表面材料的劃擦和去除，建立磨削表面的仿真模型。對比了磨削實驗和仿真的工件面形誤差的PV值、粗糙度Ra和Rz值的對比，仿真模型的偏差分別為5.78%，17.3%和12.9%，證明了本文提出的仿真模型的有效性。
磨削仿真模型的意義在于可以在開展磨削實驗之前對磨削加工精度和表面質量結果進行預測，根據實驗所選擇的砂輪的特征，以及磨削工藝參數等實驗條件，模擬分析此實驗條件下的得到的工件質量是否符合技術要求。在不滿足技術要求的情況下，可以改變實驗條件，優化實驗參數指導磨削加工。
這種以超精密加工對象的精度和表面質量為目標，選擇和優化砂輪與磨削參數的仿真方法，節約大量磨削加工工藝試驗的時間和成本，對提高磨削加工效率，推動超精密磨削加工技術更廣泛的應用具有重要的意義。
論文信息
葉震, 姚鵬, 于世孟, 等. 柱面微透鏡陣列的精密磨削[J]. 光學精密工程, 2021, 29(7):1567-1579. 
論文地址
DOI：10.37188/OPE.2020.0612
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團隊介紹：
1. 作者
（1）第一作者

葉震，助理研究員(yuan)。2020年(nian)于(yu)山東大學(xue)(xue)獲得學(xue)(xue)士學(xue)(xue)位。主要研究方向為磨(mo)削與精密加(jia)工技術。

（2）通訊作者

姚鵬，教授(shou)，博(bo)士生(sheng)導師(shi)， 2011年于日本東(dong)北大學(xue)(xue)(xue)獲得博(bo)士學(xue)(xue)(xue)位，主(zhu)要研(yan)究方向為超(chao)精密(mi)加(jia)工技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)、多(duo)(duo)能(neng)場(chang)復合精密(mi)加(jia)工技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)、超(chao)快激光微(wei)納加(jia)工技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)。國際磨(mo)粒技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)委員會(hui)（ICAT）青年委員，機械(xie)工程(cheng)(cheng)學(xue)(xue)(xue)會(hui)生(sheng)產工程(cheng)(cheng)分(fen)會(hui)全國磨(mo)粒技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)委員會(hui)和精密(mi)工程(cheng)(cheng)及納米技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)專業(ye)委員會(hui)委員。在(zai)國內外高水平(ping)學(xue)(xue)(xue)術(shu)(shu)期(qi)刊及會(hui)議發(fa)表(biao)論(lun)文(wen)(wen)60余篇(pian)，獲教育部(bu)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)發(fa)明(ming)一等(deng)(deng)獎(jiang)，機械(xie)工業(ye)協會(hui)二等(deng)(deng)獎(jiang)，上銀優秀(xiu)機械(xie)博(bo)士論(lun)文(wen)(wen)獎(jiang)指導教師(shi)，多(duo)(duo)個精密(mi)加(jia)工領域學(xue)(xue)(xue)術(shu)(shu)會(hui)議的優秀(xiu)論(lun)文(wen)(wen)獎(jiang)，第一發(fa)明(ming)人(ren)授(shou)權發(fa)明(ming)專利17項，PCT 2項，研(yan)究成果應用于航空(kong)航天(tian)企(qi)業(ye)和科研(yan)院所。

（3）團隊負責人

黃傳真，教授，博士生導師，國家杰出青年科學基金獲得者（2006），“萬人計劃”國家高層次人才特殊支持計劃領軍人才（2017），1994年于山東工業大學(現山東大學)獲得工學博士學位，主要研究方向為高效精密加工、磨料水射流與(yu)特種(zhong)激(ji)光(guang)加(jia)工、陶瓷(ci)刀具與(yu)結(jie)構陶瓷(ci)材(cai)料、微納制(zhi)造(zao)、生(sheng)物(wu)增材(cai)制(zhi)造(zao)。

2. 團隊研究成果

監(jian)制 | 趙陽(yang)、袁(yuan)境澤

編輯 | 趙唯