● 摘要
随着光学领域中金刚石应用的不断扩展，金刚石抛光表面质量问题以及抛光后表层的物理性能问题已经成为制约其深入发展的技术瓶颈。本文针对光学质量金刚石的抛光工艺以及装备的关键技术展开研究，完成了以下几个方面的工作：对曲面金刚石的抛光方式进行了探讨，提出了基于热铁盘法的球面成型抛光结构方案，并针对球面成型抛光光学零件的共性问题，采用辅助三角形法与坐标变换法，分析了球面抛光过程中瞬时速度与磨削轨迹的分布规律。在得出解析解的基础上，重点探讨了速度零点的位置分布特点以及轨迹封闭的特殊性，总结出球面成型磨削过程中两轴转速、斜轴夹角对磨削效果的影响规律，为进一步的结构设计提供了理论支持。针对热铁盘法抛光过程中加热效率与重要部件冷却保护之间的矛盾，重点对轴的设计特点进行探讨，提出了轴热结构设计的方法。借助于热阻的概念，通过有限元仿真计算，分析了轴上常用结构特征对轴上温度分布以及热量散失的影响，设计出适用于高温真空环境下的双材料结构轴零件，为相关的零件设计提供了参考。在轴零件设计的基础上，设计出基于热铁盘法的球面成型抛光机。根据抛光机特殊工况，对真空密封、散热保护、高温支撑设计以及两轴定位机构进行重点探讨，并在结构设计的基础上，对传动链设计、材料选取、联接设计、隔热设计等高温真空环境下机械设计的共性问题进行分析和总结，指出高温真空下结构设计与常态下结构设计之间的差异。对热铁盘法的抛光工艺进行深入的研究。重点解决了热铁盘法抛光过程中工件的装夹问题，采用“多片抛光、机械装夹、分段加载”的设计思路，设计出适合于金刚石薄片抛光的直压式专用夹具，实验证明，该工装可以实现金刚石在100~300mm/s速度条件下的抛光。采用该夹具对金刚石进行温度、载荷、速度以及抛光时间的实验，在温度850˚C，载荷2.45kg，速度164mm/s的条件下，抛光2个小时后，金刚石样品的表面粗糙度从Ra9.67下降到Ra0.016，基本达到了镜面水平。通过原子力显微镜对抛光表面进行观察，证实表面只存在少数高度在60~70nm之间的突峰，而且峰的形状呈现出特定规律。这一方面证实了热铁盘法可以在较高抛光速度下对金刚石进行有效抛光，另一方面也证明了直压式抛光方式会对表面微观形状产生特定的影响。在抛光实验的基础上，总结出适用于较高抛光速度的热铁盘法抛光工艺，提出了粗抛与精抛相结合的抛光方法，并对抛光过程中的机理进行分析，认为抛光过程中不仅存在金刚石与铁盘之间渗碳的过程，而且还有金刚石表面的硬质点划削作用，抛光过程是一个包括化学反应和机械摩擦的综合，其中硬质点的划削作用在粗抛过程中比较明显，在精抛过程中应注意避免和消除其不利影响。