光學自由曲面加工理論及方法

張效棟

(天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室；天津微納制造工程技術中心 天津 300072)

1 研究背景

光學自由曲面是一類特殊的自由曲面，由于其全新的光學設計理念，能有效改善光學系統性能，如校正像差、改善像質、擴大視場等，因而已成為新一代光學系統的核心關鍵器件。光學自由曲面的特殊性在于，設計和應用需求對其表面質量和面形精度提出了極其苛刻的要求，形狀精度需達微米甚至亞微米級，表面粗糙度達納米甚至亞納米級。然而，光學自由曲面制造的共性基礎理論和技術還未建立，嚴重影響了光學自由曲面制造技術的發展，阻礙了光學自由曲面的廣泛應用。在高技術激烈競爭的背景下，美、日、德等工業發達國家已將光學自由曲面制造技術列為優先工業發展計劃，如歐洲科研基礎戰略論壇ESFRI負責探討未來10～20年歐盟國家共同研究重大項目，其2010年研究計劃中列出的23項重大基礎研究項目，就有 4項與光學自由曲面密切相關；美國宇航局成立了專門的空間光學制造技術中心，在研的14個重點項目大都和光學自由曲面制造相關。眾多事實已經證明，光學自由曲面制造已成為國家與國家之間在高技術領域競爭的焦點。

2 項目意義

關鍵件和功能器件的制造技術是國家發展核心競爭力的基礎，《國家重點基礎研究發展計劃》及《國家中長期科技發展規劃綱要》高度重視這一領域的研究。光學自由曲面器件是關鍵件中精度高、形狀復雜、制造難度大的特殊器件，在國防安全和航空航天等領域起著不可替代的重要作用。本項目以國民經濟和國防領域的重大需求為背景，深入研究并解決光學自由曲面制造中的重大關鍵基礎科學問題，掌握和研究光學自由曲面高效、高精度加工工藝技術及裝備的共性基礎問題，發展具有自主知識產權、具有國際先進水平的高精度、可控面形的光學自由曲面加工技術，突破發達國家在高技術領域的技術壁壘，有著重要的理論與現實意義。

3 創新點

項目組通過對光學自由曲面切削技術發展現狀的調研，歸納出機理研究尚不清晰、加工工藝研究深度不足、測量評價技術距實用化仍有距離等亟待解決和突破的基礎問題，從光學自由曲面制造的關鍵技術中提煉出共性科學問題，分別從加工基本理論、特殊材料加工工藝和精度改善等3方面進行研究，將理論研究、技術開發和應用示范相結合，揭示材料在納米尺度下相互作用的規律，建立光學自由曲面制造理論基礎和關鍵技術平臺。主要創新點包括：

3.1 提出納米切削過程中的推擠變形材料去除模型

由于尺寸效應和刃口效應的存在，剪切理論已不能完整解釋納米切削的納米級表面的形成機制。項目組很早已關注該方面的研究，提出了納米切削的推擠變形材料去除模型，有效解釋了納米切削過程中加工表面的產生，揭示了納米精度表面形成原因，實現了穩定可控的納米切削加工，并通過理論研究、實驗分析、加工極限探索等系統地完善推擠變形材料去除理論。

3.2 發明粒子注入輔助納米加工(NiIM)新方法

針對硬脆材料在超精密加工中表面易產生裂紋和崩碎等難題，基于推擠變形材料去除理論，提出了通過粒子注入輔助方式對硬脆材料的表面進行改性，改變工件材料表層機械加工性能，從而實現硬脆性材料的高效納米切削。針對金剛石刀具切削鋼鐵等黑色金屬磨損非常嚴重的問題，開展了超聲輔助切削的相關實驗及研究，成功實現了碳鋼材料的超精密切削，并應用于實際生產。

3.3 光學自由曲面柱面加工及基于原位測量的面形可控加工方法

基于柱面坐標加工模型進行自由曲面超精密車削加工分析，借助矢量數學對刀位點進行刀具參數的優化補償，并采用螺旋投影驅動方式實現加工路徑的精確規劃。同時，借助矢量運算方法對刀具前角進行了精確計算和補償。針對加工中的干涉問題，采用旋轉扇形驅動線對自由曲面逐截線進行解析，分析自由曲面面型特征來進行刀具幾何參數的約束，并進行干涉的自動判斷及預報，及時修正合適參數，避免干涉。提出了一種原位測量方法直接獲取面形誤差數據，并設計數據規整和濾波算法，實現測量數據的有效分離，將面形誤差數據用于面形誤差補償和面形可控制造。實現了自由曲面棱鏡、非球面陣列器件及光學復眼結構等典型器件的高效高精度加工。

歷經5年多的研究開發和推廣應用，本項目授權國家發明專利 14項，發表 SCI收錄期刊論文 20余篇。應邀在制造領域主要國際會議及國內外高校發表大會主題報告及特邀報告近30次。2013年8月，在國際生產工程院發表題為“光學自由曲面制造和測量”的主題報告，屬國內學者首次。此外，發起每兩年一次的國際納米制造系列會議(nanoMan)，2010年及2012年分別在天津及日本東京舉行，并擔任大會主席。研究成果被以制造領域權威專家蔡鶴皋院士為主任委員的鑒定委員會評價為“總體技術達到了國際領先水平”；國際生產工程院原主席拜恩教授評價“是我在世界范圍內所接觸到的最高研究水準之一”。

4 經濟效益和社會效益

項目成果在相關企業的產品或對外服務中得到推廣應用，并應用于中國航天科工集團和中國計量院等航空航天及科研院所相關重點攻關項目，專家認為項目成果“打破了國外對于我國在超精密領域光學元器件制造技術的封鎖，具有很高的推廣價值”。

本項目在研究和推廣應用過程中也帶來了巨大的社會效益，提高了我國核心關鍵器件自主創新能力；借助機械工程和光學工程的交叉特色研究推動學科特色建設和人才隊伍培養；擴大了我國和天津市在國際制造領域的影響力；倡導和發起的國際學術會議成為國際制造領域重要的交流平臺。項目的研究成果助推國防、航空航天技術發展，并為天津區域經濟技術發展提供了高技術平臺。