为了提高陶瓷结合剂金刚石砂轮的性能, 采用微波烧结技术, 通过一系列试验, 分析了陶瓷结合剂金刚石砂轮的微波烧结温度、陶瓷结合剂含量和金刚石磨料粒度对其性能的影响。结果表明: 微波烧结温度是影响陶瓷结合剂金刚石砂轮性能的最主要因素, 远超其余二者; 陶瓷结合剂金刚石砂轮试样的洛氏硬度和抗弯强度在740 ℃时达到极大值且气孔率较小, 此时洛氏硬度为66 HRB, 抗弯强度为76.5 MPa, 气孔率为17.8%; 由微观组织观察可知陶瓷结合剂金刚石砂轮在740 ℃时可以实现陶瓷结合剂对金刚石磨料的均匀包裹, 并且气孔较少。

为探究皮秒绿激光修锐青铜基金刚石砂轮的工艺规律与机制,实现青铜基体的选择性定量去除。首先采用10 ps绿激光作用于青铜/金刚石,利用S-on-1损伤测定法标定损伤阈值,确定皮秒激光修锐青铜/金刚石砂轮的最佳工艺参数范围。然后对青铜/金刚石砂轮表面进行修锐,通过激光共聚焦显微镜及其软件表征修锐表面形貌与表面粗糙度,探究激光峰值功率密度、重复频率、扫描次数对修锐效果的影响规律。结果表明,皮秒绿激光对青铜基体的去除机制主要为气化去除,很大程度上避免了金刚石磨粒的碳化,即使在高重复频率下,也无明显的热积累特征。在脉宽为10 ps、重复频率为400 kHz条件下,青铜基体与金刚石磨粒的损伤阈值分别为1.23×10 9 W/cm 2、3.71×10 11 W/cm 2,两者相差两个数量级,青铜基体的选择性微量去除选择范围较宽,可通过调节峰值功率密度有选择性地去除基体,通过调节扫描次数定量去除基体。因此,采用皮秒绿激光可以选择性定量去除青铜基体且较好地保证金刚石磨粒的完整性。

为了实现单晶硅反射镜高效低损伤的超精密加工, 研究了基于工件旋转法磨削原理的单晶硅反射镜超精密磨削工艺。通过形貌检测和成份测试的方法分析了该工艺采用的超细粒度金刚石砂轮的组织结构特征, 并对单晶硅进行了超精密磨削试验, 研究了超细粒度金刚石砂轮的磨削性能。通过砂轮主轴角度与工件面形之间的数学关系实现对磨削工件面形的控制。最后, 采用超细粒度金刚石砂轮对Φ100 mm×5 mm的单晶硅反射镜进行了超精密磨削试验验证。试验结果表明, 超细粒度金刚石砂轮磨削后的单晶硅表面粗糙度Ra值小于10 nm, 亚表面损伤深度小于100 nm, 磨削后的单晶硅反射镜面形PV值从初始的8.1 μm减小到1.5 μm。由此说明采用该工艺磨削单晶硅反射镜能够高效地获得低损伤表面和高精度面形。

针对非球面光学元件加工对圆弧金刚石砂轮形状误差测量的需求，提出了砂轮三维几何形貌在位检测与误差评价方法。建立了砂轮外圆面螺旋扫描轨迹测量数学模型，利用位移传感器获取了砂轮表面轮廓数据；对得到的数据匀滑滤波后沿圆周展开并进行插值处理，得到砂轮三维几何形貌。然后，根据非球面平行磨削加工特点，提出评价圆弧砂轮形状精度的指标。通过提取三维几何形貌轴截面轮廓，进行最小二乘圆弧拟合得到不同相位处的圆弧半径与圆心坐标，并由误差分离获得砂轮表面圆弧的圆度误差、圆周跳动误差及轮廓圆心轴向偏差。最后，对非球面加工圆弧金刚石砂轮进行检测，获得了砂轮的三维几何形貌以及多个关键尺寸及其误差数据： 即圆弧金刚石砂轮的平均圆弧半径为55.442 3 mm，半径波动极差为0.16 mm，中央±8 mm环带内圆弧的圆度误差约为5 μm，圆周跳动误差约为2 μm，截面轮廓圆心轴向位置相对偏差为0.008 mm。根据检测结果，进行了大口径复杂非球面磨削实验，得到的元件面形P-V值为4.62 μm，RMS值优于0.7 μm，满足工程的实际需求。

对脉冲激光修整青铜金刚石砂轮石墨变质层进行了理论研究, 当激光功率密度为1.68×108~3.359×108 W/cm2时, 对金刚石表面的温度演化进行了数值仿真。研究结果表明, 金刚石达到石墨化温度的时间约为435~440 ns, 金刚石的石墨化程度较低。提出了水柱流辅助脉冲光纤激光修整青铜金刚石砂轮的新方法, 降低了金刚石的石墨化程度。

针对青铜金刚石砂轮V形凹面修整困难的问题, 利用光纤激光切向整形法, 得到修整青铜金刚石砂轮V形凹面新的技术方法。在分析激光切向整形作用机理的基础上, 确定关键激光工艺参数。采用超景深三维显微镜检测磨削后的石墨板, 间接采集V形凹面砂轮的特征。研究不同激光工艺参数对V形凹面修整效率的影响规律, 及不同重叠率对青铜金刚石砂轮V形凹面的几何特征参数的影响规律。研究结果表明, 激光平均功率与激光光斑重叠率对修整效率影响较大, 近似呈正比例关系; 合适的重叠率有利于减小形状误差PV值(最小形状误差PV值为36 μm); 相比激光扫描轨迹线重叠率, 激光光斑重叠率对修整后成形角度和V形凹面尖角半径值影响更大, 激光光斑重叠率越大, 成形角度与V形凹面尖角半径值越大; 修整后砂轮形状误差均可控制在5%以内, 初步验证了脉冲激光切向修整V形凹面青铜金刚石砂轮的可行性。

考虑蒸发效应、等离子体屏蔽效应与脉冲间能量累积效应基础上, 建立脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮传热物理模型, 应用模型对脉冲光纤激光修锐青铜和整形金刚石分别进行传热数值计算, 依据数值仿真结果, 开展脉冲光纤激光烧蚀青铜轮和青铜金刚石砂轮的实验。理论研究和实验研究表明: 相关条件下, 当激光功率密度小于2.10×108 W/cm2时, 只能对青铜金刚石砂轮修锐; 当激光功率密度大于2.10×108 W/cm2小于2.52×108 W/cm2时, 能对青铜金刚石砂轮实现整形和修锐的合二为一; 当激光功率密度大于2.52×108 W/cm2时, 能对青铜金刚石砂轮实现大深度修锐, 但影响磨粒突出结合剂的高度和磨削性能, 以上研究为脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮研究提供理论指导与工艺优化, 同时实验结果与数值模拟结果一致, 也验证了传热模型的正确性。

为了避免和减小镁铝尖晶石在研磨工艺中产生的亚表面损伤, 研究了合理控制磨削参数, 实现镁铝尖晶石塑性域磨削的方法。分析了镁铝尖晶石的脆塑转变机理, 采用不同尺寸规格的金刚石砂轮磨粒和改变砂轮进给量等参数进行了大量实验, 探索了镁铝尖晶石的塑性磨削条件及影响因素, 实现了镁铝尖晶石的塑性域高精度磨削。采用VG401MKII型超精密磨床和3000#金刚石砂轮, 设定砂轮速度为20 m/s, 工件速度为0.3 m/s, 进给量为0.5~3 μm/r进行了磨削实验。结果显示: 当金刚石砂轮磨粒的平均尺寸小于8 μm时可以实现镁铝尖晶石的塑性磨削, 其表面粗糙度Ra可以达到2.291 nm, 透光率可提高17%。研究结果表明, 砂轮的平均磨粒尺寸和砂轮进给量对镁铝尖晶石材料的表面加工质量影响很大, 该结果为研究磨削高质量镁铝尖晶石表面提供了依据。

采用波长为355 nm、脉宽为18 ns的紫外激光器, 开展了镍基电镀金刚石砂轮的修整试验研究, 对4个关键工艺参数——扫描填充形式、脉冲光斑重叠率及线重叠率、激光平均功率和循环扫描次数进行优化。结果表明, 紫外激光修整镍基电镀金刚石砂轮时, 当采用环形扫描填充形式, 激光光斑重叠率和扫描轨迹重叠率均为35%时, 修整后的砂轮表面地形地貌较为良好, 并且当激光平均功率Pavg一定时, 电镀砂轮表面的烧蚀深度与循环扫描次数N近似成正比。

针对脆性石英玻璃的微加工, 利用自主研发的金刚石砂轮微尖端修整工艺, 研发了光纤阵列石英玻璃微V槽磨削技术。分析了60°的微V槽形状偏差对光纤耦合损耗的影响, 然后, 研究了砂轮微尖端的误差补偿修整工艺。最后, 实验分析了微V槽的磨削精度。理论分析显示: 微V槽角度、间距和宽度的偏差分别控制在±0.42°、±1.04 μm和±1.2 μm以内时, 耦合损耗小于0.5 dB。实验结果表明: 开发的数控磨削工艺可加工高精度的60°微V槽阵列; 采用数控轨迹和角度补偿修整后, 砂轮微尖端半径可平均达到10.46 μm, 角度精度为(60±0.22)°; 对石英玻璃进行微磨削后, 微V槽的角度偏差达到0.4°, 尖端半径为10.5 μm, 宽度偏差为0.3 μm, 间距偏差为0.5 μm, 可保证光纤阵列的精密对接。