振动激励式固体气囊抛光工具的压印效应建模与抑制能力构建研究

本文创新性地提出振动激励抛光方法，通过建立多尺度接触模型揭示了聚氨酯工具表面异质微结构分布导致的材料去除梯度是产生周期性划痕（PSD2波段误差）的主因。研究证实优化振动参数可均化去除梯度，有效抑制压印效应，为激光/成像系统光学元件的中频误差（MSF）主动控制提供了新思路，显著提升CCOS（计算机控制光学表面成形）工艺效率。

　　

Highlight

本研究系统探究了振动激励固体气囊抛光工具的压印机制与抑制能力，主要发现如下：

工具形貌与压印效应

聚氨酯工具表面呈现密集孔隙与凸起交替的非均匀结构（图1a），这种异质微结构在抛光过程中产生差异化的材料去除率，导致周期性划痕（imprinting scratches）的转印现象。

压印效应的材料去除建模

通过建立倾斜接触工况下的运动轨迹模型（图4a），发现工具环面投影轨迹符合椭圆方程，其长半轴a和短半轴b与工具倾角直接相关。

实验装置

采用光学显微镜结合图像处理算法量化工具表面孔隙分布（图6a），通过二值化处理提取孔隙特征参数，构建了高保真的工具表面形貌仿真模型。

模拟工具形貌

实际工具表面显微图像（图8）显示，随机分布的微米级孔隙与凸起结构特征被成功复现，仿真模型与实测数据的吻合度验证了建模方法的可靠性。

结论

1. 1.

   创新性提出基于平面点云匹配的聚氨酯表面形貌重构方法；

2. 2.

   揭示材料去除梯度是周期性划痕产生的根本原因；

3. 3.

   振动激励通过均化去除梯度使去除函数波纹度降低42.7%，显著提升光学元件的中频段（MSF）面形精度。