自由曲面光学零件的大气等离子体射流加工技术基础研究

本课题针对超光滑自由曲面光学零件的高效、超光滑加工这一难题，提出了大气等离子体射流化学加工方法。这是一种新型的计算机控制光学表面成形（CCOS）技术，以类高斯分布的等离子体射流为加工工具，以其中的高密度、高能活性粒子与材料表面的原子发生物理、化学作用，实现高效的、原子级的材料去除，不存在传统机械加工中常见的表层及亚表层损伤问题，具有机械加工手段所无法比拟的优势。通过本项目研究，将揭示宏-纳超宽尺度范围内大气等离子体化学加工过程的物理及化学作用机制，研究并解决加工过程中的工艺可控性和可达性问题，利用经特殊设计的等离子体发生系统，突破常规的化学加工过程中存在的加工效率与表面质量矛盾的问题，首次将其应用于自由曲面光学零件的高效超光滑加工中。这将是我国先进光学零件加工领域的重要方法创新，有很高的社会和经济效益。

本课题针对自由曲面光学零件的高效、高精度、超光滑的加工难题，提出了非接触式大气等离子体射流化学加工方法。作为新型的计算机控制光学表面成形技术，以类高斯分布的等离子体射流为加工工具，利用其与材料表面原子发生物理、化学作用，实现高效、原子级材料去除。因不存在机械加工过程中对光学元件表面压力，可有效地避免和消除亚表面缺陷，具有机械加工无法比拟的优势。.本课题采用原位表征的方法，揭示了大气等离子体加工去除传统机械预加工过程产生的亚表层损伤的机理；结合化学反应动力学，针对不同机械预加工产生的表面能量对表面原子级平坦化过程的影响进行了探究，研究了多场调控下的等离子体化学加工机制。.采用多物理场耦合流体仿真，建立了等离子体射流数值仿真模型，对等离子体射流域的高密度活性粒子衰减规律进行了表征，揭示了其对化学加工过程的影响规律，同时分析了等离子体射流域流场特性及对加工的影响规律。利用光谱诊断结合玻尔兹曼图谱法，得出了射流域的空间温度分布特征。为得到稳定的材料去除函数，实现光学表面的稳定可控式加工奠定了基础。.为实现纳米精度宏结构表面的确定性加工，对加工过程的温度特性、去除能力的鲁棒性等进行了细致探究，得出了不同工艺参数对加工的影响规律，探究了光学表面大空间波长结构的等离子体加工工艺方法。同时针对大气等离子体化学加工系统设计中的关键问题，完成了特定等离子体射流下的驻留时间函数解的存在性证明、特定的数控算法的实现，以及数控系统实现和面向加工效率等离子体发生装置的优化，为大气等离子体加工的实际应用奠定了稳固的基础。.基于本课题的支撑，完成了大气等离子体加工机理的探究，根据实际加工所涉及的一些问题，解决了加工过程中的工艺可控性和可达性问题。并将研究成果应用到了904国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备”的子课题 “非接触式大气等离子体抛光技术与装备研究” 中，为成功研制国内第一台五轴混联式大口径光学零件大气等离子体化学加工机床提供了重要技术支撑。这是我国先进光学零件加工领域的重要技术创新和工程应用，将显著提高我国光学加工的经济效益和社会效益。.本项目研究期间，发表文章16篇，其中，SCI检索4篇，EI检索10篇，另有一篇已录用（SCI检索）。获发明专利授权14项，申请发明专利18项。.