中文摘要：

由于加工技术和条件的限制，高精度非球面光学零件成型模具的制造成本非常高，制约了光学玻璃零件模压成型技术的进一步发展。本项目针对硬质合金高精度非球面光学零件成型模具的高效精密制造，将超精密切削方法与特种加工理论相结合，提出一种采用二维超声和激光加热进行辅助的超精密车削方法，并对相应的材料去除机理和制约零件精密制造的五大关键技术问题进行研究（1）声学系统和激光加热系统的优化设计，保证表面质量和面型精度稳定性；（2）基于非局部理论，建立复杂加工条件下的材料本构模型和材料去除热力耦合模型，揭示硬质合金材料去除脆延转变特性；（3）为保证切削质量和面型精度，研究加工过程中的刀具磨损规律和系统热变形规律，进而建立非球曲面超精密车削的误差补偿模型；（5）为保证成型后光学零件的质量，研究非球面模具表面纹理对光学零件产生色散的影响，确定控制色散产生的临界条件。研究结果对我国光学零件的超精密制造有一定意义。

结论摘要：

本项目针对硬质合金高精度非球面光学零件成型模具的高效精密制造，将超精密切削方法与特种加工理论相结合，提出一种采用二维超声和激光加热辅助进行超精密车削的方法，并对制约零件精密制造的关键技术问题进行研究。研制了用于超硬合金精密切削的二维超声车削装置，对声学系统和激光加热均匀性进行了优化，发明了一种新型的超声椭圆切削装置。根据非局部理论建立了高温超声激励下非局部衰减核函数和轴向拉应力的关系，对硬质合金在高温超声激励作用下所表现出的特殊力学行为进行了定性分析。搭建了单点金刚石超声辅助刻划试验平台，通过试验发现附加超声振动可以有效增大临界切削深度，扩大材料延性域加工范围，并对其成因进行分析和解释。通过有限元对激光超声复合正交切削过程进行了仿真，探索了振动振幅、频率、刀具前角及激光加热温度对三向切削力的影响规律，仿真结果为硬质合金超精密切削的参数选择提供了有力的依据。开展超硬合金的激光超声复合精密切削实验，发现激光超声复合辅助切削可以很大程度地降低三向切削力，有效避免切削过程中的切削力突变现象，使切削过程更加稳定，且可以使工件表面粗糙度得到很大改善，加工表面更加平整光滑。有限元仿真和实验结果表明当各工艺参数选择合适时，激光超声复合切削是实现硬脆材料高效率超精密切削的有效方法之一。在此基础上基于响应曲面法和遗传算法建立了复合条件下切削力和表面粗糙度的预测模型，对切削参数进行了优化分析。开展超声激光复合切削过程刀具磨损机理和特性的研究，揭示了复合条件下硬质合金切削过程中特殊的刀具磨损机理，获得了刀具磨损对切削力、切削表面质量的影响规律。建立了加工表面纹理与刀具磨损状态之间映射关系，基于HOUGH变换，提取了能够表征刀具磨损状态的特征参数，为复杂条件下刀具磨损状态的在线监测奠定基础。基于切削误差实验数据，针对激光超声复合切削下的尺寸误差建立了AR误差补偿模型，为非球面廓形的修正补偿提供了有力的手段。采用宏程序编制非球面切削程序，对非球面切削表面的粗糙度和廓形误差分布规律进行分析，优化加工工艺，获得了较为理想的非球面加工表面和廓形，为非球面模具的实际制造奠定基础。此外，考虑到微量切削中切削刃半径尺寸效应的影响，基于能量最小理论建立了正交微切削力的理论模型，并对微切削中切削力与切深之间的非线性关系进行了合理的解释。