非球面光学元件加工及检测技术综述

第２期　张小兵：非球面光学元件加工及检测技术综述　于曲率半径是变化的，只有一根对称轴线，无法应用　球面零件的磨轮包络线的范成法加工，而且面形不易　修正、检测困难，特别是高次非球面与自由曲面加工　检测起来更困难。实际上，光学系统在很多情况下用　上世纪９０年代，美国罗彻斯特大学光学加工中心　（ｃＯＭ）首先提出研发复合非球面光学加工系统（ＣＮＣ）　的想法。目前国内外许多研究机构及公司相继研制　出集超精密车削、磨削、研磨以及抛光加工为一体的　复合加工系统，如Ｒａｎｋ　Ｐｎｅｕｍｏ公司生产的Ｎａｎｏｆｏｒｍ　２５０、Ｎａｎｏｆｏｒｉｎ　３００，日本研制的ＡＨＮ６０—３Ｄ、　二次曲面就够了，并且二次曲面在检验上有方便之　处。因此，光学系统设计人员在设计光学系统时如果　一定要用非球面来做，则尽量要用二次非球面，这样　ＵＬＰ一１００Ａ（Ｈ），英国克兰菲尔德精密工程研究所　（ＣＵＰＥ）研制的Ｎａｎｏｃｅｎｔｒｅ，其可以加工大型Ｘ线天体　在加工及检验过程都相对容易些Ｈ　］。　２非球面加工技术　虽然非球面元件具有很多的优点，但是非球面光　学零件的加工相对于球面及平面光学零件的加工难　得多。目前，球面及平面光学零件已比较成熟，能够　达到高的表面质量及面型精度，而非球面透镜由于它　特殊的几何形状决定其加工方法异于球面的加工，变　得异常困难　］。纵观近４００年非球面加工技术研究的　历史，按照加工原理，可以将非球面加工技术大致归纳　为以下几类：去除材料加工法，热复制成型技术，附加　加工法。　２．１去除材料加工法　去除材料加工法是一种在原始毛坯（接近非球面　的球面）上利用磨、抛等手段去除一定量材料后得到　目标非球面的方法。早期加工方法主要通过操作者　手工完成，需要加工者具有较高的技术及丰富的经　验，加工效率低，且容易出错，其主要工序包括铣磨成　形、研磨、抛光等，通常称为经典研抛法。　随着计算机、数控等技术的发展，同时对非球面　光学零件加工精度要求的不断提高，近年采用去除材　料的方法加工非球面光学零件得到应有的重视。美　国国防科研机构于６０年代率先开发金刚石车削技术，　此技术８０年代得以推广应用，并在此基础上发展了天　然金刚石刀具超精密镜面切削技术。１９８７年日本学　者Ｏｈｍｏｒｉ等　发展了计算机数控磨削技术（ＥＬＩＤ），实　现了对硬脆材料高品位镜面磨削和延性方式的磨削，　同时能得到高的形状精度。２０世纪９０年代初期，Ｋｏｒ—　ｄｏｎｓｋｙ等　将电磁学与流体动力学理论相结合并应用　于光学加工中，提出了ＭＲＦ技术（磁流变抛光），即利　用磁流变抛光液在磁场中的流变性进行抛光。除此　以外，弹性发射加工、超声波研磨抛光、液体动力抛　光、离子束抛光、浴法抛光、浮法抛光、计算机控制小工　具抛光（ｃｃｏｓ）、喷射加工等一系列先进技术得到应用　与发展。　望远镜用的非球面反射镜（最大直径可达１　４００　ｍｍ，　最大长度为６００　ｍｍ的圆锥镜）、中国航空工业第一集　团公司３０３所研制的Ｎａｎｏｓｙｓ一３００、Ｎａｎｏｓｙｓ一４５０非球　面曲面超精密复合加工系统，其加工口径能达到　１　０００　ｍｍ以上＿９．　１０＿，湖南大学研发的“ＵＬＰＧ一０１０微小　非球面超精密复合加工机床”，非球面曲率半径为７．３　ｍｍ　ｎ　，国防科技大学研制的光学非球面复合加工机　床　等。　去除加工法具有加工精度较高，但需要工序多，　具有加工效率低、周期长、成本高等特点。比如采用　Ｎａｎｏｆｏｒｍ　２５０加工非球面透镜Ｐｖ值达到５０　ｎｍ，Ｒａ值　为４．９　ＢＩＴＩ，但从毛坯到成品需要多道工序ｎ　。经过几　十年的发展，美国、日本、德国等发达国家在超精密去　除材料加工方法的研究及应用工作已走在前面，我国　总体上与其有一定的差距。国内开展较好的单位有　国防科技大学、中科院长春光机所、哈尔滨工业大学、　中国航空精密机械研究所、湖南大学等。２０１３年由国　防科技大学李圣怡、戴一帆教授等领导的精密工程创　新团队自主研制新型设备，创造了光学零件加工的纳　米精度，为继美国、德国之后第３个掌握高精度光学零件　制造加工技术的国家，标志我国逐渐步人先进行列　。　２．２热复制成型技术　光学玻璃在室温下脆而硬，去除材料加工法生产　效率和工艺稳定性无法满足迅速发展的行业需求。高　温下玻璃是一种典型的黏弹性材料，具有良好的型面　复制性，鉴于此研究者开发了非球面热复制成型技术，　其主要包括注塑成型技术及光学玻璃模压成型技术。　注塑成型法是将加热成流体的定量的光学材料　注人到模具中，在加热加压条件下成型，冷却固化后　打开模具取出，即可获得所需光学零件口　。最早应用　并产业化该技术的国家为日本和美国，上世纪９０年　代，非球面透镜注塑成型技术在日本发展迅速，日立　公司已经开发了成熟的注塑透镜的光学系统，并研发　了浇口密封成型法　。注塑成型技术通常用于光学　１０８　兵器材料科学与工程　第３７卷　塑料，由于光学塑料工作温度较低，所以对模具的要求　相对较低，能够大批量生产，具有生产效率高、成本低　等特点，但光学塑料种类少、耐热性差、线胀系数大、收　缩率大和易产生双折射等缺点，导致非球面透镜不能　满足高质量的图像效果和高品质的光学特性。　相对而言，光学玻璃具有更高的透明度、更好的成　像质量和耐划伤性、特定和精确的光学常数，而在精密　型的非球面，但是由于需使用真空设备，所以加工成　本比较高。由于镀层厚度受到限制，所以附加成形方　法只能加工小非球面度的光学零件。　３非球面测量评价技术　早在１６世纪，牛顿、盖赛格林等研发的天文反射　望远镜中就使用了二次非球面镜。但由于非球面镜自　身的几何特点使其加工与检测存在很大难度，所以使得　光电产品中大量使用。近年发展起来一种新型的光学　玻璃加工技术，即模压成型技术，就是将光学玻璃预制　件放置在具有亚微米甚至纳米级面形精度和表面粗糙　度的模具中，加热到软化温度附近，并对上模施加一定　压力，后经过退火、冷却，从而获得较高精度的玻璃光　学元件的方法。采用模压成型的方法大批量生产微小　非球面玻璃透镜已成为一种发展前景广阔的制造方　法。与去除材料加工方法相比，使用玻璃模压成形法　制造光学元件有如下优点ｎ　：１）工序少，可获得较高的　尺寸精度、面形精度的非球面光学零件；２）容易实现大批　量生产，生产效率高；３）可以模压小型非球面透镜阵列；　４）避免了研磨、抛光等方法产生的废料，具有环保特点。　目前模压技术已逐渐被认为是非球面光学透镜制　造关键技术，非球面模压加工技术依赖于以下几个方　面发展：１）非球面模具的制造及镀膜技术；２）非球面模　具补偿技术；３）模压仿真技术的发展；４）低软化点光学　玻璃的研制；５）模压机床的发展；６）模压工艺的研究。　随着模压技术的发展，一些新技术得到开发利用，　如ｚｈｏｕ等ｎ　和Ｙａｎ等ｎ　提出的非等温模压技术、两步　模压技术，尹韶辉等ｎ　。。提出的气浮式模压技术及超　声振动辅助精密模压。目前日本的东芝公司、松下公　司、ＨＯＹＡ株式会社、欧林巴斯，德国的蔡司、肖特公司　和荷兰的菲利浦公司等已基本掌握这项先进玻璃光学　零件制造技术。国内舜宇光学、乙太光电等公司也开　始应用这一技术　。　２．３附加加工法　附加成型方法　是将镀层材料（氟化镁及硫化　锌等）按照一定的厚度要求附加在抛光好的球面或平　面镜上形成光学非球面的加工方法，根据工艺的差　异，其可分为电镀法和蒸镀法。电镀法就是利用电解　的方式使镀层材料沉积在球面或平面镜的表面形成非　球面，此种方法通常用于加工反射面，要求光学零件　导电。蒸镀法是通过在真空环境下对镀层材料加热，　使其熔融、蒸发，冷却后再形成非球面的一种方法，其　不仅具有较高的重复精度，而且可以加工非回转对称　非球面光学元件的发展和应用受到很大制约，其中非球　面光学元件检测技术是制约其应用的关键之一　。　３．１面形精度评价与测量　光的反射和折射要求非球面元件的表面粗糙度　（Ｒａ）应小于光波长的１／１０，面形精度（ＰＶ值）不能大于　尺。的１０倍值，即达到微米级、亚微米级乃至纳米级的　范围，这对完整非球面制造技术的两部分加工和检测　都有相当高的要求　。近年国内外在非球面面形精度　检测上投入了大量资金，目前面型精度测量方法大致　可以分为接触和非接触检测两大类。如果按照原理可　分为３类　：１）几何光线法。主要是运用光的直线原　理，包括哈特曼法、朗奇法、刀口法等。２）干涉法。主　要是运用光的波动性原理，可分为零检测与非零检测　法，零检测主要有补偿法、计算全息法、波带板法和莫　尔条纹法等；非零检测主要有剪切法、环状子、孑Ｌ径法、　双波长全息法等。３）直接面形轮廓法。主要是运用测　头扫描被测镜面，目前应用较多面形测量设备是三坐　标测量仪及轮廓仪。　高精度的非球面产品需要配备高精度的测量仪　器，克服环境噪声的影响，方便、快捷地反馈非球面面　形信息。非球面检测可以分为两个阶段：１）是在位测　量，主要针对加工阶段，为其提供补偿数据。２）加工完　成以后，光学元件的离线测试与评价。直接面形轮廓　法目前仍然是市场上非球面面形测量的主力军，虽然　其具有测量效率低下、容易划伤透镜表面、不适合检测　表面较软的非球面光学元件等缺点，但对于偏离量较　大的非球面检测却是很有效的一种方法，如粗磨和精　磨表面的检测。几何光线法设备简单、直观、灵敏度　高，但精度低于干涉法。干涉法存在测试设备较复杂、　操作要求高等缺点，但用于光学测量拥有诸多优点，如　测量速度快、分辨率高、成本低，可应用于高精度大口　径非球面的测试，发展前景看好。非球面光学元件检　测方法有很多，但很难找到一种通用的方法可以测量　所有类型的非球面光学元件　，上面所述的各种非球　面测量方法：有的精度低；有的仅能定性检测；有的虽　第２期　张小兵：非球面光学元件加工及检测技术综述　然能定量的检测，精度也很高，但是系统本身很复杂，　造价也很高；有的仅能检测某一类型的非球面，不具有　通用性。　并建立了亚表面损伤深度与表面粗糙度间的关系模　型，王海容等口　提出的微裂纹全息反演检测方法，通过　对脆性材料腐蚀后表面采用分形插值方法进行重构，　随着对非球面检测技术的重视，许多高精度测试　应用分形插值理论的自相似性原理，充分刻画出腐蚀　后表面的复杂微观形貌。　３．３残余应力的评价与测量　设备得以开发与应用，比如美国ＱＥＤ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ公　司开发的ＳＳＩ—Ａ子孔径拼接非球面干涉仪及ＺＹＧＯ公　司生产的ＰＴＩ２５０系列干涉仪，英国Ｔａｙｌｏｒ　Ｈｏｂｓｏｎ公司　这种评价方法主要针对模压透镜质量的检测，因　为不同于去除材料加工方法，采用模压成型方法必须　生产的ＰＧＩ１２４０轮廓仪，Ｅｔ本松下公司的ＵＡ３Ｐ系列超　精密测量仪等　。我国近年来在非球面测量方面也　经历加热、冷却等过程，将会产生残余应力，内应力存　进行了不少研究，并出现了一些较实用的技术及仪器，　在将引起非球面光学元件双折射现象，从而导致光学　比如西安工业学院基于相移剪切干涉技术研发了相移　性能的下降，造成残余应力产生的主要因素有两个：其　剪切干涉法非球面测量仪，干涉仪精度达到１／１０ｈｂ。。；湖　一为冷却过程中产生的温差应力；其二由于玻璃退火　南大学研发的非球面面形测量的组合式干涉装置　；浙　过程特有的结构松弛想象，导致结构应力产生，残余应　江大学研制的非球面测量的波长扫描干涉仪ｂ　等。　力的产生是两种应力的综合效应。目前测定透镜应力　３．２亚表面损伤（ＳＳＤ）评价与测量　的方法原理是利用偏振光通过有应力的玻璃时，会产　亚表面位于表面层下，所谓光学元件亚表面损伤　生双折射现象，从而产生光程差，再根据玻璃的双折射　是指传统的接触式加工方法中不可避免地会对光学元　率与应力成正比计算出残余应力，具体采用布鲁斯特　件表面施加一定的压力，从而造成表面以下产生杂质、　公式　］：　划痕和微裂纹等缺陷的现象臼　。由于这些缺陷的存在　Ｒ：Ｂ×Ｏｒ　ＸｄＸ　１０。。。　（２）　将引起光学材料的强度下降、折射系数变化，同时使用　式中：Ｒ为光程差；Ｂ为布鲁斯特常数；Ｏｒ为应力；ｄ　过程中微观裂纹可能进行扩展，从而形成宏观破坏，这些　为光在样品中的行程长度。基于此原理美国ＧＡＥＲＴ—　将直接影响光学元件的使用性能、寿命及长期稳定Ｉ生。　ＮＥＲ　ＳＣＩＥＮＴＩＦＩＣ公司研制了ＤＳＲ应力仪和ＳＴＩ公司　亚表面损伤检测可以分为破坏性及非破坏性检测　研发了ＧＡＳＰ应力仪，英国夏普公司研制了ｓ一７０残余　技术，破坏性检测主要采用对测试件进行整体或部分　应力测试仪等等。国内也有相似的应力仪研发，比如　破坏，使所要检测的损伤得以体现，其主要有逐层抛光　ＷＹＬ一２型应力测试仪及７０１型应力测试仪等。　刻蚀法、角度抛光法、Ｄｉｍｐｌｉｎｇ破坏性测量方法、磁流　相对于其它加工方法，因为模压技术在国内外均　变抛光三维分析法等，但破坏性检测会导致非球面光　是一种较新的技术，相关技术报道较多，但是对模压非　学零件的破坏、失效，这种方法对比较昂贵的光学元件　球面光学元件应力进行的研究很少。尹韶辉ｂ　¨主要　尤其不利，并且测试的样品与实际使用的光学元件的　是采用有限元法对模压过程中残余应力的影响因素及　损伤存在差异口　。因此，非破坏性检测技术近年来被　分布情况进行了研究。Ｙｉ等　采用结构松弛模型模　广泛用于表面和表层缺陷的评价，它利用非破坏性测　拟了脱模后，非球面透镜的的残余应力分布情况，并通　量方法来得到物理的或其它导出的参数与材料和介质　过研制的应力仪观察了非球面应力分布。研究结果表　中不均匀性之间的关系，并据此定量地估计材料的亚　明，在透镜的边缘处透镜存在较大的残余应力，结论很　表面结构，非球面主要有激光调制散射技术、准偏振光　好地揭示了透镜边缘处更易破坏的原因。　技术、光学相干层析技术等，与破坏性测试方法相比具　４非球面技术发展展望　有测量精度低、测试系统成本高并且测量结果不直观　随着非球面在军事、天文、民用等产品的广泛应　等缺点　。　用，非球面的加工及检测技术成为制约其广泛应用的　光学材料的亚表面损伤研究在国内还是一个崭新　两大难题，近年国内外研究机构及技术部门对非球面　的领域，早期关于亚表面损伤的研究工作，主要集中在　加工检测技术进行了一系列的研究、技术革新工作。　加工的半导体基片及工程陶瓷上，测试方法简单地采　非球面技术逐渐向以下几个方面发展。　用一些较常用的破坏性检测方法。近年，李圣怡等　４．１超精密、智能化、高效率方向　和王卓等口　对研磨亚表面损伤进行了较系统的研究，　随着光电产品对非球面质量及产量要求的不断提　１１０　兵器材料科学与工程　第３７卷　高，高精度与智能化、高效率成为未来的发展方向之　一［１１］尹韶辉，张乐贤，陈逢军，等．小口径非球面加工技术及装　备综述［Ｊ］．光学技术，２０１３（５）：８１—８３．　［１２］李立军，张飞虎，董申．非球面磨削加工设备现状与发展趋　势［Ｊ］．机床与液压，２００７，３５（７）：２２９—２３１．　［１３］王握文．中国成为第３个掌握亚纳米光学零件加工技术的　国家［Ｎ］．解放军报，２０１３，１，１６．　［１４］张坤领，林彬，王晓峰．非球面加工现状［Ｊ］．组合机床与自　动化加工技术，２００７（５）：５－９．　。目前的非球面技术很难兼顾各方面优点，比如一　些加工方法虽然具有很好的加工精度，但以牺牲加工　效率为保证，不能满足增长的需求。　４．２交叉融合方向　这里包括光、机、电等各学科的交叉融合及加工与　检测技术融合，即采用在线检测、工况监控和误差补偿　提高精度，保证加工质量的要求。　［１５］孙可．一种塑料光学非球面镜片的成型技术［Ｊ］．工程塑料　４．３微型化、大型化　目前对于非球面光学元件口径要求朝两个方向发　展：其一为大口径，如空间光学系统；其二为微小口径，　如微型光电产品等领域。鉴于此，非球面加工检测技　术的微型化、大型化成为其发展的趋势之一。　４．４环保、绿色化　传统的非球面加工产生大量的废液、废气，对环境　造成极大的负担。绿色化的非球面精密加工检测技术　在降低环境负担的同时，提高了自身的生命力。　５　参考文献　［１］李池娟，孙昌锋，席酷，等．非球面光学零件的应用［Ｊ］．激光　与红外，２０１３（３）：１４—１７．　［２］Ｓｈｏｒｅｙ　Ａ　Ｂ，Ｇｏｌｉｎｉ　Ｄ，Ｋｏｒｄｏｎｓｋｉ　Ｗ．Ｓｕｒｆａｃｅ　ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ　ｏｆ　ｃｏｍ—　ｐｌｅｘ　ｏｐｔｉｃｓ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ　Ｎｅｗｓ，２００７，１８（１０）：　１４—１６．　［３］王洪臣．二次旋转曲线法线等距离线加工法及机床研制　［Ｄ］．长春：长春理工大学，２００６．　［４］尹韶辉，朱科军，余剑武，等．小口径非球面玻璃透镜模压成　形［Ｊ］．机械工程学报，２０１２（１５）：１８６—１９６．　［５］尹韶辉，大森整，林伟民，等．一种光学材料高效超精密加工　方法［Ｊ］．中国机械工程，２００８（２１）：２３—２７．　［６］Ｚｈａｏ　Ｑ　Ｌ，Ｌｉａｎｇ　Ｙ　Ｃ，Ｄａｖｉｄ　Ｓ，ｅｌ　ａ１．Ｓｕｒｆａｃｅ　ａｎｄ　ｓｕｂｓｕｒｆａｃｅ　ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ　ｉｎ　ｄｉａｍｏｎｄ　ｇｒｉｎｄｉｎｇ　ｏｆ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｇｌａｓｓ　ｏｎ　ＴｅｔｒＭｏｒｍ　Ｓ　［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｔｏｏｌｓ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，　２００７，４７：２０９１－２０９７．　［７］Ｏｈｍｏｒｉ　Ｈ．Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ　Ｉｎ—ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｄｒｅｓｓｉｎｇ（ＥＬＩＤ）ｇｒｉｎｄｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｕｌｔｒａ—ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｍｉｉＴｏｒ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｇｒｉｎｄｉｎｇ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａ－　ｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｊａｐａｎ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｆｏｒ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　１９９３，５９（９）：１４５１－１４５４　［８］Ｋｏｒｄｏｎｓｋｙ　Ｉ，Ｐｒｏｋｈｏｒｏｖ　Ｉ　Ｖ，Ｇｉｅｂ　Ｌ　Ｋ，ｅｔ　ａ１．Ｎｅｗ　ｈｉｇｈ—ｐｒｅｃｉ—　ｓｉｏｎ　ｍａｇｎｅｔｏｒｈｅｏｌｏｇｉｅａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ—ｂａｓｅｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ　ｏｐｔｉｃ［Ｊ］．Ｏｓａ　ｏｆ＆Ｔ　Ｗｏｒｋｓｈｏｐ　Ｄｉｇｅｓｔ，１９９２，２４：１３４—１３６．　［９］杨福兴．光学零件超精密加工技术［Ｊ］．航空制造技术，２００４　（５）：８１—８３．　［１Ｏ］罗松保，张建明．非球面曲面光学零件超精密加工装备与　技术［Ｊ］．光学精密工程，２００３（１１）：７５—７８．　应用，２００９（６）：３０—３２．　［１６］吴澄．精密模压技术于光学玻璃的制造研究［Ｊ］．市场周　刊：理论研究，２０１２（２）：１１３—１１４．　［１７］Ｚｈｏｕ　Ｔ　Ｆ．Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｎｏｎｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ　ｇｌａｓｓ　ｍｏｌｄｉｎｇ　ｐｒｅｓｓ　ｆｏｒ　ａｓｐｈｅｒｉｅａｌ　ｌｅｎｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　ａｎｄ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，２０１０，４（５）：８０６－８１５．　［１８］Ｙａｎ　Ｊ　Ｗ，Ｚｈｏｕ　Ｔ　Ｆ，Ｊｕｎ　Ｍａｓｕｄａ，ｅｔ　ａ１．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｈｉｇｈ—ｔｅｍ—　ｐｅｒａｔｕｒｅ　ｇｌａｓｓ　ｍｏｌｄｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｂｙ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ａｎｄ　ｖｉｓｃｏｕｓ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊｊ．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｅｎｇｉ－　ｎｅｅｒｉｎｇ，２００９，３３（２）：１５０—１５９．　［１９］尹韶辉，朱科军，陈逢军，等．一种非等温气浮式模压方　法：中国，１０２１７３５６４Ａ［Ｐ］．２０１　ｌ－ｏ９—０７．　［２０］尹韶辉，朱科军，胡天，等．超声波振动辅助精密模压成形　方法：中国，１０２１７３５６３Ａ［Ｐ］．２０１１—０９—０７．　［２１］张小兵，尹韶辉，朱科军，等．非球面透镜模压成型仿真技　术［Ｊ］．光学技术，２０１３，３９（３）：２０４—２１１．　［２２］张坤领．光学玻璃非球面廓形的数控磨削技术研究　［Ｄ］．天津：天津大学，２００７．　［２３］Ｓｈｅｌｂｙ　Ｊ　Ｅ．Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｏ　ｇｌａｓｓ　ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ【Ｍ　Ｊ．　Ｔｈｅ　Ｒｏｙａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｏｆＣｈｅｍｉｓｔｒｙ，２００５：１０７—１３２．　［２４］程子清．非球面光学元件检测方法的研究［Ｄ］．北京：中国　舰船研究院，２００５．　［２５］贾世奎，李成贵，刘春，等．红玻璃材料非球面的加工方法　［Ｊ］．航空精密制造技术，２００７，４３（５）：１４—１７．　［２６］朱勇建，潘卫清．非球面面形测量技术［Ｊ］．激光与光电子　学进展，２０１０（１）：３４—４３．　［２７］贾世奎，李成贵，杨辉，等．非球面光学元件面形检测方法　［Ｊ］．上海计量测试，２００９（５）：８—１２．　［２８］刘丙才．基于相移剪切的非球面测试改进方案研究　［Ｄ］．西安：西安工业大学，２００８．　［２９］张新，许英朝．光学自由曲面的检测方法［Ｊ］．中国光学与　应用光学，２００８（１）：９２—９８．　［３０］刘中本，田爱玲，齐文浦，等．光学非球面面形测试仪：中　国，２５２６７８３［Ｐ］．２００２—１２—１８．　［３１］朱勇建，尹韶辉，范玉峰，等．一种用于非球面面形测量的　组合式干涉装置：中国，１０１２７０９７５［Ｐ］．２００８—０９—２４．　［３２］汪凯巍，白剑，沈亦兵，等．用于非球面测量的波长扫描干　第３７卷第２期　兵器材料科学与工程　Ｖｏ１．３７　Ｎｏ．２　２０１４年　３月　０ＲＤＮＡＮＣＥ　ＭＡＴＥＲＩＡＬ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　Ｍａｒ．，２０１４　网络出版时间：２０１４－３－２０　１２：３４　网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／３３．１３３１．ＴＪ．２０１４０３２０．１２３４．０１１．ｈｔｍｌ　搅拌摩擦焊材料塑性流动可视化研究现状　游国强　，谭霞’，赵旭’，王向杰’　（１．重庆大学材料科学与工程学院，重庆４０００４５；２．国家镁合金材料工程技术研究中心，重庆４０００４４）　摘要综述近年来国内外搅拌摩擦焊塑性流动可视化技术的研究现状，分析各种方法的基本原理及优缺点。研究现状　表明：异种材料金相组织显示法可以观察到焊缝接头宏观流动，而对搅拌摩擦焊塑性流动的细节无法获取；彩泥法颜色　鲜明，易于观察，但其是非晶体材料，故只能在一定程度上模拟搅拌摩擦焊的塑性流动状况；标识材料示踪法是搅拌摩擦　焊材料塑性流动可视化工作的主要手段，其选用原则、焊接过程及焊后采用的可视化手段仍需进一步深入探讨；数值模　拟是一种高效、低成本的研究方法，其具备再现焊接过程的能力，模拟过程的边界值、搅拌头的描述等方面需要进一步深　入探讨。　关键词搅拌摩擦焊；塑性流动；可视化；现状　中图分类号ＴＧ４５３　文献标志码Ａ　文章编号１００４—２４４Ｘ（２０１４）０２一Ｏ１　１　１－０５　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｌｆｏｗ　ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｏｆ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｓｔｉｒ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ＹＯＵ　Ｇｕｏｑｉａｎｇ　一，ＴＡＮ　Ｘｉａ　，ＺＨＡＯ　Ｘｕ　，ＷＡＮＧ　Ｘｉａｎｇｊｉｅ　（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００４５，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｆｏｒ　Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ　Ａｌｌｏｙ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ。Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００４４，Ｃｈｉｎａ）　Ａ］￣：ｔｔａｅｔ　Ｐｌａｓｔｉｃ　ｆｌｏｗ　ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｏｆ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｓｔｉｒ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ　ａｒｅ　ｒｅｖｉｅｗｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃ　ｖｏｒｔｅｘ—ｓｈａｐｅｄ　ｌａｙｅｒ　ｉｎ　ｗｅｌｄ　ｊｏｉｎｔｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｏｂｓｅｒｖｅｄ　ｂｙ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｉｓｓｉｍｉｌａｒ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｗｅｌｄｉｎｇ，ｗｈｉｌｅ　ｏｔｈｅｒ　ｄｅｔａｉ１　ｏｆ　ｍｅｔａｌ　ｆｌｏｗ　ｃａｎ　ｎｏｔ　ｂｅ　ｒｅｖｅａｌｅｄ．Ｐｌａｓｔｉｃｉｎｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｉｓ　ａ　ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ　ｓｉｍｐｌｅ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｆｌｏｗ　ｄｕｒｉｎｇ　ｆｉｒｃｔｉｏｎ　ｓｔｉｒ　ｗｅｌｄｉｎｇ，ｂｕｔ　ｐｌａｓｔｉｃｉｎｅ　ｉｓ　ａｎ　ａｍｏｒｐｈｏｕｓ　ｍａｔｅｒｉａｌ，ａｎｄ　ｃａｎ　ｒｏｕｇｈｌｙ　ｒｅｆｌｅｃｔ　ｔｈｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｆｌｏｗ　ｄｕｒｉｎｇ　ｆｉｒｃｔｉｏｎ　ｓｔｉｒ　ｗｅｌｄｉｎｇ．Ｔｒａｃｅｒ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｍａｒｋｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉｌａ　ｉｓ　ａ　ｐｏｐｕｌａｒ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｆｏｒ　ｓｔｕｄｙｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｆｌｏｗ　ｏｆ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｓｔｉｒ　ｗｅｌｄｉｎｇ，ｗｈｉｌｅ　ｔｈｅ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｍａｒｋｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌ，ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｄｕｒｉｎｇ　ａｎｄ　ａｆｔｅｒ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｓｔｉｌｌ　ｒｅｑｕｉｒｅ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｓ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｉｓ　ａ　ｈｉｇｈ—ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｌｏｗ—ｃｏｓｔ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ａｎｄ　ｃａｎ　ｒｅａｐｐｅａｒ　ｔｈｅ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ｈｏｗｅｖｅｒ，ｓｏｍｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｔｈｅ　ｂｏｕｎｄａｒｙ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｔｉｒｒｉｎｇ　ｈｅａｄ　ｄｅｓｅｒｖｅ　ｔｏ　ｂｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｓｔｉｒ　ｗｅｌｄｉｎｇ；ｐｌａｓｔｉｃ　ｆｌｏｗ；ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ｐｒｏｇｒｅｓｓ　收稿日期：２０１３—０６—１９；修订日期：２０１３—０９—０８　基金项目：中央高校基本科研业务费项目（ｃＤＪｚ　２１３００５３）　作者简介：游国强，男，博士，副教授；从事轻金属成型技术研究。Ｅ－ｍａｉｈｙｇｑ＠ｃｑｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。　涉仪及方法：中国，１０２５８９４１６Ａ［Ｐ］．２０１２—０７—８．　［３８］周天辉．玻璃应力的测定方法［Ｊ］．玻璃与搪瓷，２００１，２９　［３３］Ｓｈｅｎ　Ｊ，Ｌｉｕ　Ｓ，Ｙｉ　Ｋ，ｅｔ　ａ１．Ｓｕｂｓｕｒｆａｃｅ　ｄａｍａｇｅ　ｉｎ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｕｂ－　（０６）：４４—４８．　ｓｔｒａｔｅｓｌＪｊ．Ｏｐｔｉｋ，２００５，１１６：２８８－２９４．　［３９］尹韶辉，霍建杰，周天丰，等．小口径非球面透镜模压成形　［３４］Ｆｉｎｅ　Ｋ　Ｒ，Ｇａｒｂｅ　Ｒ，Ｇｉｐ　Ｔ，ｅｔ　ａ１．Ｎｏｎ．ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ，ｒｅａ１　ｌｉｍｅ　加热加压参数仿真ＥＪ］．湖南大学学报：自然科学版，２０１１　ｄｉｒｅｃｔ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｕｂｓｕｒｆａｃｅ　ｄａｍａｇｅ［Ｊ］．ＳＰＩＥ，２００５，　（Ｉ）：４０—４４．　５７：１０５一ｌｌ０．　［４０］尹韶辉，靳松，朱科军，等．非球面玻璃透镜模压成型的有　［３５］李圣怡，王卓，吴宇列，等．基于研磨加工参数的亚表面损　限元应力分析［Ｊ］＿光电工程，２０１０（１０）：１　１５一ｌ１９．　伤预测理论和试验研究［Ｊ］．机械工程学报，２００９（２）：　［４１］尹韶辉，王玉方，朱科军，等．微小非球面玻璃透镜超精密　ｌ９８－２０４．　模压成形数值模拟［Ｊ］．光子学报，２０１０，３９（１１）：　［３６］王卓，吴宇列，戴一帆，等．光学材料研磨亚表面损伤的快　２０２０－２０２４．　速检测及其影响规律［Ｊ］．光学精密工程，２００８（１）：２２—２７．　１４２］Ｙｉ　Ａ　Ｙ，Ｔａｏ　Ｂ，Ｋｌｏｃｋｅ　Ｆ，ｅｔ　ａ１．Ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｔｒｅｓｓｅｓ　ｉｎ　ｇｌａｓｓ　ａｆ－　［３７］王海容，关赖，张欢，等．脆性材料亚表面损伤层微裂纹全　ｔｅｒ　ｍｏｌｄｉｎｇ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｎ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ［Ｊｊ．Ｐｒｏｃｅ—　息反演检测方法：中国，１０２４２６１７０Ａ［Ｐ］．２０１２—０４—２５．　ｄｉａ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１　１，１９：４０２－４０６．