CN109996651A - 光学级表面处理工具 - Google Patents
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Abstract
一种工具,包括:基部(11),所述基部包括刚性保持架(12)和环绕所述刚性保持架(12)的柔性套环(13);可弹性压缩接口(16);柔性压模(20),所述柔性压模包括与刚性保持架(12)垂直的中央部分(24)和横向地位于所述刚性保持架之外的周边部分(25)。所述周边部分(25)仅经由通过接口(16)和所述套环(13)连接到所述保持架(12),其中套环(13)被构造为使得工具(10)在没有受力时采取的静止位置与参考位置之间可弹性变形,在所述参考位置,所述柔性压模(20)的第二横向端面(22)压靠在球面的并且半径包含在40mm与1500mm之间的参考表面(40)上。
Description
技术领域
本发明涉及对表面的光学级表面处理,所述表面是比如眼科镜片的面、或相机镜头的面或旨在观察远处物体的仪器的面或者甚至是半导体衬底的面。
表面处理是指旨在改变先前产生的表面的光洁度的任何操作。特别是抛光、精细加工或粗糙化操作的问题是旨在改变(降低或增加)表面的粗糙度和/或降低其波纹度。
背景技术
本领域技术人员尤其从日本专利申请2000-317797、对应于美国专利申请2005/0101235的法国专利申请2834662、法国专利申请2857610、对应于美国专利申请2006/0154581;对应于美国专利申请2008/0171502的法国专利申请2900356、对应于美国专利申请2010/0178858的法国专利申请2918911、对应于美国专利申请2011/0136416的法国专利申请2935627、对应于美国专利申请2011/0136415的法国专利申请2935628、对应于美国专利申请2012/0231713的法国专利申请2953433已经知晓一种用于对光学表面进行表面处理的工具,所述工具包括:刚性保持架,所述刚性保持架具有横向端面;可弹性压缩接口,所述可弹性压缩接口附接到所述刚性保持架并且具有第一横向端面、第二横向端面和从第一端面的周边延伸到第二端面的周边的侧表面,所述接口的所述第一端面抵靠在所述刚性保持架的所述端面上并覆盖所述端面;柔性压模,所述柔性压模能够抵靠在光学表面上并且抵靠至少部分地覆盖接口的第二端面,所述第二端面与所述刚性保持架的所述端面相对并垂直。
为了降低光学表面的粗糙度,使工具与光学表面接触,同时通过工具在光学表面上保持足够的压力,从而通过接口的变形,压模匹配光学表面的形状。
当光学表面被喷射流体时,它被驱动以相对于工具移动,使得光学表面完全被工具扫描。
通常,光学表面被驱动旋转,光学表面与工具之间的摩擦足以共同驱动工具旋转,操作期间的可变偏心度确保所述相对运动和所述扫描。
表面处理操作需要磨料,所述磨料可以被包含在压模中或流体中。
在表面处理过程,所述可弹性压缩接口使得能够补偿在所述工具的保持架的端面与所述光学表面之间的曲率差。
发明内容
本发明的目的是提供一种表面处理工具,所述表面处理工具在生产率和所获得的外观质量方面是有效的,同时仍然是简单、方便且制造经济的。
为此,提出一种光学级表面处理工具,包括:
-基部,所述基部包括刚性保持架和环绕所述刚性保持架的柔性套环,所述刚性保持架具有横向端面,并且所述套环具有与所述刚性保持架的横向端面位于同一侧的横向端面;
-可弹性压缩接口,所述可弹性压缩接口包括第一横向端面、第二横向端面和从所述第一横向端面的周边延伸到所述第二横向端面的周边的侧表面,所述可弹性压缩接口的第一横向端面附接到所述刚性保持架的横向端面和所述套环的横向端面;以及
-柔性压模,所述柔性压模具有附接到所述可弹性压缩接口的第二横向端面上的第一横向端面和被构造为抵靠在待加工表面上的第二横向端面,所述压模包括与所述刚性保持架的横向端面垂直定位的中央部分和横向地位于此横向端面之外的周边部分;
其特征在于,所述周边部分仅通过所述接口和所述套环连接到所述保持架,所述套环被构造为使得所述工具在没有受力时采取的静止位置与参考位置之间可弹性变形,在所述参考位置,所述柔性压模的第二横向端面压靠在球面的且半径包含在40mm与1500mm之间的参考表面上。
例如,与尤其是美国专利申请2008/0171502所对应的法国专利申请2900356中已知的表面处理工具相反,不存在比如将压模的周边部分连接到保持架的星形部件等弹性复位装置。
虽然这是令人惊讶的,但事实证明,实际上可以构造例如如下所述的套环,使得套环可足够地弹性变形,使得不需要这种弹性复位装置。
工具在静止位置与参考位置之间的变形的弹性特性是指工具不会永久变形,即,当工具压靠在参考表面上的动作停止时,工具可能在延迟几秒后返回到静止位置。
由于部件数量少,根据本发明的工具简单、方便且制造经济。
另外,可以例如如下所述构造根据本发明的工具,使得所述工具能够在待加工表面上施加相对均匀的压力,这对所执行的表面处理的生产率和外观质量方面的性能具有有利的影响。
根据有利特征,所述套环被构造成使得所述工具在没有受力时采取的所述静止位置与在以下情况下不仅第一凸形参考位置还有第二凹形参考位置之间可弹性变形:
-所述待加工表面是凹面的情况,在所述第一凹形参考位置,所述柔性压模的第二横向端面压靠在球面、凹面且半径为1500mm的第一凹面参考表面上,在所述第二凹形参考位置,所述柔性压模的第二横向端面压靠在球面、凹面且半径为40mm的第二凹面参考表面上;或
-所述待加工表面是凸面的情况,在所述第一凸形参考位置,所述柔性压模的第二横向端面压靠在球面、凸面且半径为40mm的第一凸面参考表面上,在所述第二凸形参考位置,所述柔性压模的第二横向端面压靠在球面、凸面且半径为1500mm的第二凸面参考表面上。
因此,工具同样能够与从静止位置弹性变形到第二参考位置一样从静止位置弹性变形到第一参考位置,并因此能够在特别宽的曲率范围内弹性变形。
由于工具在这种程度的曲率范围内弹性变形的能力,通过表面处理机和根据本发明的工具形成的组件可以对最常见的眼科镜片进行表面处理。
在这方面将注意到,相比之下,通过已知的工具,需要在静止位置具有不同曲率的三种不同型号的工具才能够对相同的曲率范围进行表面处理。
根据本发明的工具的通用特征在生产率方面是特别有利的,因为当待加工表面的曲率改变时不需要更换工具。
根据有利特征:
-当所述工具与所述参考表面同轴时与所述工具同轴地施加到所述保持架上以使所述工具从所述静止位置移动到所述参考位置的力的值包含在30N与180N之间;
-所述套环被构造为使得一方面当所述工具与所述参考表面同轴时与所述工具同轴地施加到所述保持架上以使所述工具从所述静止位置移动到所述参考位置的力的值与另一方面使所述保持架在所述静止位置与所述参考位置之间移动的值之间的力与运动比率包含在3N/mm与15N/mm之间,其中设定移动速度为25mm/s;
-所述力与运动比率包含在5N/mm与8N/mm之间,其中设定移动速度为25mm/s;
-所述套环的横向端面与所述保持架的横向端面齐平;
-所述套环被细分为多个瓣;
-所述瓣被径向定向的缝隙细分;
-每个瓣侧向合并到所述刚性保持架;
-每个瓣具有根据到其远端的距离x而变化的厚度,所述厚度在每个距离x处是恒定的;
-在每个距离x处,所述瓣的厚度h(x)由下式得出:
其中,b(x)是在距离x处的瓣宽度,且K为常数;
-根据到所述瓣的远端的距离x而变的所述瓣的宽度能以多项式的形式表示:
使得在每个距离x处,所述瓣的厚度由下式得出:
-所述瓣具有截头角扇形的形状,使得根据到所述瓣的远端的距离x而变的所述瓣的宽度能以多项式的形式表示:
b(x)=a0+a1x
使得在每个距离x处,所述瓣的厚度由下式得出:
-在距所述瓣的远端的每个距离x处,所述瓣的厚度小于:
其中,σMAX是所述瓣的材料的拉伸极限,E是所述瓣的材料的弹性模量,R是所述工具在所述静止位置与所述参考位置之间的曲率差的倒数;和/或
-所述套环的横向端面的面积、即所述瓣的表面的总面积与相应的环形表面的面积之间的比率在30%与80%之间。
本发明还涉及一种组件,所述组件包括表面处理机和如上所述的工具,其中,所述机器被构造为将恒定值的预设机器力施加到所述工具的保持架,并且所述工具被构造为使得当所述工具与所述参考表面同轴时与所述工具同轴地施加到所述保持架上以使所述工具从所述静止位置移动到所述参考位置的力的值包含在所述机器力的所述恒定值的85%与100%之间。
附图说明
本发明的披露内容现将以在下文中通过阐述且非限制性的实例并且参考附图给出的对其实施例的详细说明来继续。在附图中:
-图1和图2分别是处于静止位置的根据本发明的表面处理工具的第一实施例的透视图和截面图;
-图3是类似于图2的视图,但是示出在对眼科镜片的表面进行表面处理期间的所述工具;
-图4是所述工具的第二实施例的基部的透视截面图,刚性保持架和套环的横向端面在静止位置是平面的(而不是凸面的);
-图5是展示了在凹面参考表面上处于静止位置的表面处理工具的这个实施例的示意性截面图;
-图6是示出另一凹面参考表面的示意性截面图;
-图7是展示了对于所述工具的此实施例而言在y轴上示出的施加力F与在x轴上示出的对应移动z之间的关系的图,不同曲线对应于所述工具的此实施例的不同样品;
-图8是类似于图7的图,但仅示出了对应于特定力和特定距离的两条曲线和两条线,以便说明工具的相应样品的表现;
-图9是应用到图5的用点划线示出的凹面参考表面上的工具的此实施例的基部的示意性截面图,基部的静止位置用虚线示出;
-图10和图11是工具的第三实施例的类似于图4和图5的视图,刚性保持架和套环的横向端面在静止位置是凹面;
-图12是展示了与图11所示的凹面参考表面不同的凸面参考表面的示意性截面图;以及
-图13至图17是表面处理工具的其他实施例的基部的透视图。
具体实施方式
图1和图2中所示的工具10包括:
-基部11,所述基部包括刚性保持架12和环绕刚性保持架12的柔性套环13,刚性保持架12具有横向端面14,并且套环13具有与刚性保持架12的横向端面14位于同一侧的横向端面15;
-可弹性压缩接口16,所述可弹性压缩接口包括第一横向端面17、第二横向端面18和从第一横向端面17的周边延伸到第二横向端面18的周边的侧表面19,可压缩弹性接口16的第一横向端面17附接到刚性保持架12的横向端面14和套环13的横向端面15;以及
-柔性压模20,所述柔性压模具有第一横向端面21和第二横向端面22,所述第一横向端面附接到可弹性压缩接口12的第二横向端面18,所述第二横向端面被构造成抵靠在待加工表面23(图3)上,压模20包括中央部分24和周边部分25,所述中央部分与刚性保持架12的横向端面14垂直地定位,所述周边部分横向地位于此横向端面14之外。
在基部11中,柔性套环13横向地超出位于中央的刚性保持架12。
柔性套环13具有类似于接口16和压模20的外径的外径(大直径)。
柔性套环13的内径(小直径)对应于保持架12的外径,套环13侧向地合并到保持架12。
刚性保持架12和柔性周边套环13由模制成单个部件的塑料制成,保持架12至少在表面14附近体积较大,以便具有所需的刚度,而套环13具有小的壁厚以具有柔性。
套环13具有径向地定向并且等角度地分布的八个缝隙26,使得套环13被细分为八个瓣27,每个瓣具有截头角扇形的整体形状。
将套环13细分成多个瓣有助于使这个套环具有柔性,以与待抛光的表面的不同曲率一致。
保持架12的表面14与套环13的位于同一侧的表面15齐平。
在另一侧,保持架12具有突出的凸耳28,所述凸耳用于将工具10连接到表面处理机29的主轴,表面处理机在图3中由箭头30和31以简化的方式示出,所述箭头表示表面处理机29施加到工具10的驱动力,下文中将就此进行描述。
凸耳28具有用于容纳主轴头的腔32。腔32具有球形段33和环形肋34,所述球形段具有四分之三球体的整体形状。
设置成容纳在腔32中的主轴头包括形状类似于段33的球形段端部和直径小于肋34的圆柱形段。
凸耳28和机器的主轴通过简单的卡扣紧固进行装配,凸耳28的壁厚足够小,以便能够变形以将主轴头的球形部分容置在段33中。
当主轴头接合在腔32中时,工具10通过球窝型连接与主轴相互作用。
如上所指示的,接口16和压模20的直径对应于套环13的外径。
通过接口16的表面17与基部11的表面14和15的粘接来附接接口16和基部11。
在所示的实例中,可弹性压缩接口16是厚度约为9mm的泡沫,柔性压模20的厚度约为1mm。
接口16和压模20的直径约为55mm。
当基部11静止时,即在没有外部应力的情况下,套环13的表面15(如上所指示与表面14齐平)位于表面14的延伸部中。这里,表面14和15的形状是同一个部分球体的形状。
在图1至图3所示的实例中,当工具10处于静止位置时,保持架12的端面14和套环13的端面15具有部分球体的形状,部分球体具有约110mm的曲率半径。
借助于套环13,接口16和基部11之间的接触面积特别大,因为这个接触面积对应于表面14和表面15的面积。
图3示出了眼科镜片35,其光学表面23处于用工具10进行表面处理以降低其粗糙度的过程中。
机器29使工具10经由压模20的表面22与表面23接触。通过利用工具10施加力31,机器29在表面23上保持足够的压力,以通过接口16的变形迫使压模20与光学表面23的形状相匹配。
在通过流体喷射光学表面23的同时,驱动镜片35旋转,如箭头36所示,对工具10的摩擦足以驱动工具10旋转。
借助于往复驱动力30,操作期间的可变偏心度确保了相对移动和扫描。
表面处理操作需要可以包含在压模20中或流体中的磨料。
在表面处理期间,可弹性压缩接口16允许补偿工具的保持架12的端面14与光学表面23之间的曲率差。
压模20的周边部分25仅通过接口16和套环13连接到保持架12。
例如,与尤其是美国专利申请2008/0171502所对应的法国专利申请2900356中已知的表面处理工具相反,不存在比如将压模的周边部分连接到保持架的星形部件等弹性复位装置。
具体地,套环13被构造成是足够可弹性变形的,使得不需要这种弹性复位装置。
基部11不仅必须在端面14附近是刚性的,而且凸耳28具有柔性水平以便允许机器的主轴被卡扣紧固,并且套环13具有弹性水平,所述基部有利地由PA11、POM、PA66、PUR或制成。
例如,PA11的形式所具有的弹性模量E(杨氏模量)为1320N/mm2,拉伸弹性极限为σMAX35N/mm2;1164D的弹性模量EY为300N/mm2,拉伸弹性极限为σMAX40N/mm2。
应注意,这些材料具有相对高的σMAX/E比,这使得它们特别适用于套环13,如下所述。
另一种有利的材料是例如PA66,其中一种形式的弹性模量为2500N/mm2。
套环13被构造成使得工具10在没有受力时采取的静止位置(图1和图2)与一个或更多个参考位置之间可弹性变形,在参考位置上,表面22完全压靠在凹面参考表面或者不同凹面参考表面上,如图3所示,其中工具10的整个表面22压靠在表面23上。
工具10在这里能够以特别宽范围的曲率弹性变形,因为它被构造成不仅从静止位置弹性变形到:
-第一凹形参考位置,在所述位置上,柔性压模20的第二横向端面22完全压靠在球面、凹面且半径为1500mm的第一凹面参考表面37(图6)上;
-而且也变形到第二凹形参考位置,在所述位置上,柔性压模20的第二横向端面22完全压靠在球面、凹面且半径为40mm的第二凹面参考表面40(图5)上。
第一凹面参考表面37形成试验保持架38的一部分。第二参考表面40形成试验保持架41的一部分。
工具在第一参考位置与第二参考位置中的每一个与静止位置之间的变形的弹性特征是指工具不会永久变形,即,当工具压靠在参考表面37或40上的动作停止时,工具可能在延迟几秒后返回到静止位置。
工具10的这种弹性特征由接口16和套环13提供,这里借助于套环已经细分成多个瓣和瓣的几何形状,所述瓣被相应地设计,为如下所述。
借助于工具10在这种程度的曲率范围内弹性变形的能力,通过机器29和工具10形成的组件可以对最常见的眼科镜片进行表面处理。
在这方面将注意,对于已知的工具,通常需要在静止位置具有不同曲率的三种不同型号的工具能够对相同的曲率范围进行表面处理。
除了在静止位置,保持架12的横向端面14和套环13的横向端面15是平面的,图4和图5中所示的工具10的实施例与图1至图3中所示的实施例相同。
图5示出了在第二凹面参考表面40上处于静止位置的这个工具10。
如上所指示的,凹面参考表面40具有40mm的半径。
参考表面40所属于的保持架41形成试验装置42的一部分,所述试验装置在表面处理工具10的开发期间使用,以选择通过各种尺寸和各种材料生产的样品(原型工具)中的最佳候选者。
试验装置42包括用于施加由箭头43表示的线性力的动态构件。这个构件在其远端包括与表面处理机的接合在凸耳28的腔32中的主轴的头部类似的头部。
当工具10与表面40同轴时,构件43的头部与工具10同轴地以预设的受控速度(例如25mm/s)移动。因此,当工具10与表面40同轴时,大小为F的力与工具10同轴地施加到保持架12。
在构件43的移动期间测量并记录力F的大小。当达到预设阈值(例如,160N)时,构件43停止被驱动。
图7是示出以25mm/s的速度执行直至达到160N力值的这种试验结果的图。
构件43的移动z在x轴上示出,力F在y轴上示出。
曲线C1至C10各自对应于不同的样品。
奇数下标的曲线(例如,C1和C3)与具有第一性质的相同接口16的样品相关。偶数下标的曲线(例如,C2和C4)与具有比第一性质的接口16更柔性的第二性质的相同接口16的样品相关。
具有两个连续下标的曲线(其中,第一下标是奇数,第二下标是偶数,例如,C1和C2)与具有相同基部11的样品相关,例如曲线C1和C2与具有第一性质的基部11的样品相关,而曲线C3和C4与具有第二性质的相同基部11的样品相关。各种性质的基部11仅在瓣27的平均厚度上彼此不同,平均厚度随着曲线的下标而减小(曲线C1和C2与具有平均厚度最大的瓣27的样品相关,而曲线C9和C10与具有平均厚度最小的瓣27的样品相关)。
所有样品具有相同的柔性压模20。
假设压模20的表面22的中心与表面40的中心之间的距离d(图5)不为零,即,假设表面22没有完全压靠在表面40上,则距离d随着移动z而变化。随后,移动z对应于接口16的压缩。
可以看出,对于最柔性的工具,从表面22完全压靠在表面40上的力开始,曲线(例如,C9和C10)展现出非常明显的斜率变化。
图8是类似于图7的曲线图,但是仅示出了曲线C1和C10以及对应于由机器29施加在工具10上的固定预设大小的力31(约80N的大小)的水平线以及当工具10处于静止位置时对应于距离d(约12mm的距离)的竖直线。
如双箭头44所示,与曲线C1相关的工具在力31下没有充分弯曲以完全压靠在表面40上:对于这个大小的力31,移动z远小于工具静止位置时的距离d。
结果是,通过力31,与曲线C1相关的工具在表面40上施加过于局限于边缘处的接触压力。
如双箭头45所示,与曲线C10相关的工具以远低于力31的大小的力压靠在表面40上。
结果是,通过力31,与曲线C10相关的工具在表面40上施加过于局限于中心处的压力。
应当理解,曲线穿过图8的两条线之间的交叉点的工具在表面40上施加相对均匀的压力。
这是与曲线C6相关的工具的情况。
应注意的是,能够在待加工表面上施加均匀压力的工具将具有优异的表面处理性能,这将确保在获得的加工表面的外观质量还有执行快速性方面实现优异的性能,压力的均匀性有利于迅速实现从所有加工表面上充分去除材料。
通常,实际上有利的是构造被提供用于加工凹面表面的工具10,使得当工具10与类似于表面40(半径40mm)的凹面参考表面同轴时与工具10同轴地施加到保持架12的力的值包含在30N与180N之间。
在图3所示的组件中(其中机器29被构造为向工具10的保持架12施加恒定值的预设机器力31),有利的是,工具10被构造为使得,当工具10与比如表面40等参考表面同轴时,与工具10同轴地施加到保持架12以使工具从静止位置移动到工具压靠在这个表面上的位置的力的值包含在所述机器力的85%与100%之间。
从图7的图中可以清楚地看出,有利的是,套环13被构造成使得,一方面当工具10与表面40同轴时,与工具10同轴地施加到保持架12以使工具从静止位置移动到表面22压靠在表面40上的位置的力F的值与另一方面使保持架位于静止位置与表面22压靠在表面40上的位置之间的移动z的值之间的力与运动比率在3N/mm和15N/mm之间,且设定移动速度为25mm/s。
从图7的图中还可以清楚地看出,这个比率的特别有利的值包含在5N/mm与8N/mm之间,且设定移动速度为25mm/s。
当然,上面参考图5、图7和图8描述的试验是在室温下进行的。
现在将描述如何布置瓣27以使工具10产生上述弹性变形能力。
每个瓣27的厚度根据到其远端的距离x而变化,厚度在每个距离x处是恒定的。
在实践中,每个瓣的厚度在其远端与其根部之间增加,每个瓣经由所述根部侧向连接到刚性保持架12。
现在将描述确定瓣27的几何结构的实例。
如图9所示,假设图4所示的基部11施加到由点划线表示的表面40(当工具10静止时基部11的位置被用虚线示出)。
刚性保持架12的端面14不可变形,因此不与表面40一致。
假设套环13的柔性使得套环13的表面15与表面40一致,即表面15完全压靠在表面40上。
因此,对于每个瓣27,表面15采用与表面40相同的曲率,即对于每个瓣27,表面15采用40mm的半径。
在这些条件下,寻求如何使瓣27的厚度根据到其远端的距离x而变化,使得每个瓣27施加在表面40上的压力是均匀的。
可以证明,当在每个距离x处,瓣的厚度h(x)由下式得出时,可以实现这一点:
其中b(x)是在距离x处的瓣宽度,且K为常数。
可以证明,常数K等于其中R是表面40的半径(这里是40mm);Qsp是瓣27的每单位面积的载荷,假设它是恒定的;E是瓣27的材料的弹性模量(杨氏模量)。
这里在认为表面14远离表面40(表面14没有变形并因此保持平面状)时,瓣27的每单位面积的载荷Qsp是提供给保持架12的力(例如,力31的大小,约80N)与表面15的面积之间的比率。
如果根据到瓣远端的距离x而变的瓣27的宽度能以多项式的形式表示:
则在每个距离x处,瓣的厚度由下式得出:
这里,瓣具有截头角扇形的形状。通过做出每个瓣具有梯形形状的(非常精确的)近似,根据至瓣远端的距离x而变化的瓣宽度可以多项式的形式表达:
b(x)=a0+a1x
因此,在每个距离x处,瓣的厚度由下式得出:
关于a0和a1的值,对于每个瓣,远端形状描述的弧的弦在这里是18mm,近端形状所描述的弧的弦在这里是5.4mm,并且这两个弧之间的距离在这里是19mm。结果是,a0等于18mm(在远端,x等于0)并且a1等于-0.663(在远端,x等于19并且b等于5.4)。
关于常数K,为了达到安全裕度,其在此被选择为设定比上述条件更严格的条件。
将回顾(见上文)K等于其中R是表面40的半径;Qsp是瓣27的每单位面积的载荷,这里被认为是恒定的并且等于所提供的施加到保持架12的力与表面15的面积之间的比率;E是瓣的材料的弹性模量。
为安全起见,R设定为35mm(而不是40mm),并且施加到保持架12的力设定为100N(而不是80N)。对于八个瓣27,表面15的面积总共为1780mm2。瓣的材料的弹性模量为2500N/mm2。然后常数K等于0.0094。
因此,获得以下公式:
下表给出了根据x(以mm为单位)而变的h(以mm为单位)的值:
通过瓣27的这种几何结构(与瓣轮廓相关的厚度变化规律),当瓣27根据计算假设受力变形时,瓣27将在它们所压靠在的表面上施加(恒定值的)均匀压力。在这方面将回想起计算假设之一:每单位面积的载荷Qsp是恒定的。
如果瓣27压靠在的球面表面具有与计算中使用的半径不同的半径R(例如40mm而不是35mm),则由瓣27施加在这个表面上的压力保持均匀,但显然是不同大小的压力(半径R越小,压力越高)。
同样地,如果施加到保持架12的力的大小不同(例如80N而不是100N),则由瓣27施加的压力保持均匀但是大小不同。
在实践中,在工具10中,柔性压模20和可弹性压缩接口16位于待加工表面与套环13的表面15之间。
应当理解,如果压模20的表面22通过在工具与待加工表面同轴时与工具同轴地施加在保持架12上的力而完全压靠在球面表面,则套环13的表面15将采用球面或近似球面的构造,因此由瓣27施加在可弹性压缩接口上的压力将是均匀的或近似均匀的。因此,与套环13垂直,工具10(经由压模20的表面22)施加在待加工表面上的压力将是均匀的或近似均匀的。
在实践中,基部11还经由保持架12的横向端面14在可弹性压缩接口16上施加压力。因此,工具10还(经由压模20的表面22)在待加工表面上施加与保持架12垂直的压力。
由于保持架12不在接口16上施加由于其变形而产生的任何力(其被构造为不变形),保持架12施加在接口16上的压力(接口经由压模20将所述压力传递到待加工表面)原则上等于施加到保持架12的力的大小与表面14的面积之间的比率。
为了考虑由保持架12施加在接口16上的压力,可以通过以下假设来构造瓣27的几何结构:对于具有预设曲率半径(例如,上述35mm)的待加工表面,由表面14和15施加的每单位面积的载荷是均匀的,即,瓣27的表面15的每单位面积的载荷Qsp等于保持架12的表面14的每单位面积的载荷。
例如,如果上述施加在保持架12上的力的大小等于100N并且表面15的总面积(对于八个瓣27)等于1780mm2,并且表面14的面积等于201mm2,则表面15的每单位面积的载荷Qsp将设定为等于100/(1780+201)=0.050N/mm2。
对于选择用于构造瓣27的几何结构的半径R(例如,上述35mm),工具10(经由压模20的表面22)施加在待加工表面上的压力将是相同的,即,与保持架21垂直的压力和与套环13垂直的压力将是相同的。
将回顾(见上文),由工具施加在待加工表面上的压力的均匀特征允许待加工表面被快速表面处理并且可以快速获得给定的外观质量。
对于与所选半径R不同的半径,由工具10(经由压模20的表面22)施加在待加工表面上的压力将是不同的,即,与保持架21垂直的压力和与套环13垂直的压力将是不同的。例如,对于大于所选半径R的半径,与套环13垂直的压力将小于与保持架12垂直的压力。
在实践中,工具相对于待加工表面是偏心的,并且对于非球面的待加工表面而言是相对常见的;然而,如刚刚说明过那样构造瓣的工具的表现仍然极好。
在这方面将注意到,工具10能够进行表面处理的表面不限于当工具10和待加工表面相对于彼此居中时压模20的表面22可以完全压靠在的表面。相比之下,工具10能够对表面22可以大部分压靠但不是完全压靠在的许多表面进行表面处理。
除了上面所说明的之外,为了使瓣弯曲而不妨碍彼此并且确保接口16与基部11之间足够的粘合面积,瓣的表面15的总面积与相应环形表面的面积的比率在30%至80%之间。
除了上面说明的内容之外,还建议瓣27的材料的变形保持在弹性域内。
可以证明,这个条件在以下情况下被满足:在距离瓣远端的每个距离x处瓣的厚度小于:
其中,σMAX是瓣的材料的拉伸弹性极限,E是瓣的材料的弹性模量(杨氏模量),R是上述半径。
例如,如果套环13(以及基部11)的材料是1164D(如上所指示的,其弹性模量E为300N/mm2,拉伸弹性极限σMAX为40N/mm2),对于曲率半径R为35mm,最大厚度hMAX为2.33mm。
可以看出,比率σMAX/E越高,瓣的最大可能厚度越高,如果要获得所寻求的工具表现,这是重要的,如上面参考图7和8所说明的。
在上面的实例中,所选择的半径R表示工具的最严苛使用条件,这里是凹面表面的最小半径。
然后,所述工具还能够在不太严苛的条件下工作。
例如可以看出,如果半径R越大,则瓣的最大厚度hMAX越大,因此被构造为最小半径的瓣将适合于其他半径。
应当注意,上面给出的公式也适用于在静止时瓣的表面15是弯曲的情况,条件是R是表面15在静止位置和要实现的弯曲位置之间的曲率差的倒数。
例如,如果套环13的横向端面15在静止时具有400mm的半径并且在要实现的弯曲位置具有40mm的半径,则R=1/(1/40-1/400)=1/(9/400)=400/9=44.44mm。
图10和图11中所示的工具10的实施例类似于图1至图3以及图4和图5中所示的实施例,除了在静止位置时保持架12的横向端面14和套环13的端面15是凹面的(并非图1至图3中的凸面或者图4和图5中的平面)。
这里,表面14和表面15具有部分球体的形状,所述部分球体的曲率半径约为110mm。
图1至图3中所示的工具10的实施例与图4和图5中所示的实施例旨在用于加工凹面表面,而图10和图11中所示的实施例旨在用于加工凸面表面。
这里,套环13被构造成使得工具10在没有受力时采取的静止位置(图10和图11)和一个或多个参考位置之间可弹性变形,在参考位置,表面22完全压靠在凸面参考表面或不同凸面参考表面上。
这里,图10和图11中所示的工具10能够以特别宽的曲率范围弹性变形,因为它被构造成从静止位置不仅到第一凸形参考位置而且到第二凸形参考位置弹性变形:
-在第一凸形参考位置,柔性压模20的第二横向端面22完全压靠在球面、凸面并且半径为40mm的第一凸面参考表面46(图12)上;
-在第二凸形参考位置,柔性压模20的第二横向端面22完全压靠球面、凸面且半径为1500mm的第二凸面参考表面47(图11)上。
第一凸面参考表面46形成试验保持架48的一部分。第二凸面参考表面47形成试验保持架49的一部分。
通常,上面针对图1至图3中所示的工具10的实施例以及针对图4和图5中所示的实施例给出的描述适用于图10和图11中所示的工具10的实施例,条件是考虑到曲率反转。
在工具10的这些各种实施例中或在类似布置的其他实施例中,采用具有以下特征的套环13(或更一般地基部11)是有利的:
-套环13(以及因此基部11)材料的弹性模量E在200N/mm2与5000N/mm2之间;
-套环13(以及因此基部11)的外径包含在20mm与90mm之间;
-在静止位置时横向端面15的曲率半径包含在30mm与500mm之间;
-瓣的数量包含在6个到16个之间;
-每个瓣的长度包含在10mm到30mm之间;和/或
-每个瓣的厚度包含在0.5mm到5mm之间。
在类似的实施例中,上式中的常数K至少部分地通过实验选择,例如图7和图8所示。
在工具10的变型中,在参考位置,压模20的表面22没有完全压靠在比如37、40、46或47等参考表面上,而是仅部分地压靠在这些参考表面上,表面22的压靠在待加工表面上的部分的半径例如等于表面22的半径的至少一半(如果被压下的部分包括表面20的中心),或(如果被压下的部分是环形的)内径和外径之间的差例如等于表面22的半径的至少一半。例如,如果表面22的半径为55mm并且被压下的部分包括表面20的中心,则被压下的部分的半径至少为27.5mm;如果被压下的部分是环形的,则被压下的部分的外径和内径之间的差至少为27.5mm。
图11至图15示出了基部11的各种变型,其中,瓣具有不同的形状。
在图13所示的变型中,瓣27之间的缝隙26具有较大的角度大小并且瓣的数量较多。
在图14所示的变型中,每个瓣27在凸耳28的侧面上(并且因此在与横向端面15相反的一侧)包括径向定向的突起肋50。
在图15所示的变型中,每个瓣27是Y形的并且通过其基部附接到刚性保持架12。
在图16所示的变型中,瓣27由弯曲的缝隙26细分。
在图17所示的变型中,每个瓣27合并到横向于这个瓣放置的U形截面的臂51的一端,所述臂的另一端合并到刚性保持架12。
作为变型(未展示):
-界定瓣27的缝隙26具有不同的形状,例如具有起伏形状;和/或
-在基部11中,套环13由弹性且柔性但不能细分成瓣的套环代替。
许多其他的变型根据情况是可能的,并且在此方面将再提起的是,本发明不局限于所描述和所示的实例。
Claims (16)
1.一种光学级表面处理工具,包括:
-基部(11),所述基部包括刚性保持架(12)和环绕所述刚性保持架(12)的柔性套环(13),所述刚性保持架(12)具有横向端面(14),并且所述套环(13)具有与所述刚性保持架(12)的横向端面(14)位于同一侧的横向端面(15);
-可弹性压缩接口(16),所述可弹性压缩接口包括第一横向端面(17)、第二横向端面(18)和从所述第一横向端面(17)的周边延伸到所述第二横向端面(18)的周边的侧表面(19),所述可弹性压缩接口(16)的第一横向端面(17)附接到所述刚性保持架(12)的横向端面(14)和所述套环(13)的横向端面(15);以及
-柔性压模(20),所述柔性压模具有附接到所述可弹性压缩接口(16)的第二横向端面(18)上的第一横向端面(21)和被构造为抵靠在待加工表面(23)上的第二横向端面(22),所述压模(20)包括与所述刚性保持架(12)的横向端面(14)垂直定位的中央部分(24)和横向地位于此横向端面(14)之外的周边部分(25);
其特征在于,所述周边部分(25)仅通过所述接口(16)和所述套环(13)连接到所述保持架(12),所述套环(13)被构造为使得所述工具(10)在没有受力时采取的静止位置与参考位置之间可弹性变形,在所述参考位置,所述柔性压模(20)的第二横向端面(22)压靠在球面的且半径包含在40mm与1500mm之间的参考表面(37,40,46,47)上。
2.如权利要求1所述的工具,其特征在于,所述套环(13)被构造为使得所述工具(10)在没有受力时采取的所述静止位置与在以下情况下不仅第一凸形参考位置还有第二凹形参考位置之间可弹性变形:
-所述待加工表面是凹面的情况,在所述第一凹形参考位置,所述柔性压模的第二横向端面(22)压靠在球面、凹面且半径为1500mm的第一凹面参考表面(37)上,在所述第二凹形参考位置,所述柔性压模的第二横向端面(22)压靠在球面、凹面且半径为40mm的第二凹面参考表面(40)上;或
-所述待加工表面是凸面的情况,在所述第一凸形参考位置,所述柔性压模的第二横向端面(22)压靠在球面、凸面且半径为40mm的第一凸面参考表面(46)上,在所述第二凸形参考位置,所述柔性压模的第二横向端面(22)压靠在球面、凸面且半径为1500mm的第二凸面参考表面(47)上。
3.如权利要求1和2中任一项所述的工具,其特征在于,当所述工具(10)与所述参考表面(40,47)同轴时与所述工具(10)同轴地施加到所述保持架(12)上以使所述工具(10)从所述静止位置移动到所述参考位置的力的值包含在30N与180N之间。
4.如权利要求1至3中任一项所述的工具,其特征在于,所述套环(13)被构造为使得一方面当所述工具(10)与所述参考表面(40,47)同轴时与所述工具同轴地施加到所述保持架(12)上以使所述工具(10)从所述静止位置移动到所述参考位置的力的值与另一方面使所述保持架(12)在所述静止位置与所述参考位置之间移动的值之间的力与运动比率包含在3N/mm与15N/mm之间,其中设定移动速度为25mm/s。
5.如权利要求4所述的工具,其特征在于,所述力与移动比率包含在5N/mm与8N/mm之间,其中设定移动速度为25mm/s。
6.如权利要求1至5中任一项所述的工具,其特征在于,所述套环(13)的横向端面(15)与所述保持架(12)的横向端面(14)齐平。
7.如权利要求1至6中任一项所述的工具,其特征在于,所述套环(13)被细分为多个瓣(27)。
8.如权利要求7所述的工具,其特征在于,所述瓣(27)被径向定向的缝隙(26)细分。
9.如权利要求8所述的工具,其特征在于,每个瓣(27)侧向合并到所述刚性保持架(12)。
10.如权利要求9所述的工具,其特征在于,每个瓣(27)具有根据到其远端的距离x而变化的厚度,所述厚度在每个距离x处是恒定的。
11.如权利要求10所述的工具,其特征在于,在每个距离x处,所述瓣(27)的厚度h(x)由下式得出:
其中b(x)是在距离x处的瓣宽度,且K为常数。
12.如权利要求11所述的工具,其特征在于,根据到所述瓣的远端的距离x而变的所述瓣(27)的宽度能以多项式的形式表示:
使得在每个距离x处,所述瓣的厚度由下式得出:
13.如权利要求12所述的工具,其特征在于,所述瓣(27)具有截头角扇形的形状,使得根据到所述瓣的远端的距离x而变的所述瓣的宽度能以多项式的形式表示:
b(x)=a0+a1x
使得在每个距离x处,所述瓣的厚度由下式得出:
14.如权利要求10至13中任一项所述的工具,其特征在于,在距所述瓣(27)的远端的每个距离x处,所述瓣的厚度小于:
其中,σMAX是所述瓣的材料的拉伸极限,E是所述瓣的材料的弹性模量,R是所述工具在所述静止位置与所述参考位置之间的曲率差的倒数。
15.如权利要求7至14中任一项所述的工具,其特征在于,所述套环(13)的横向端面(15)的面积、即所述瓣(27)的表面的总面积与相应的环形表面的面积之间的比率在30%与80%之间。
16.一种组件,包括抛光机(29)和如权利要求1至15中任一项所述的工具,其中,所述抛光机(29)被构造为将恒定值的预设机器力(31)施加到所述工具(10)的保持架(12),并且所述工具(10)被构造为使得当所述工具与所述参考表面(40)同轴时与所述工具(10)同轴地施加到所述保持架(12)上以使所述工具(10)从所述静止位置移动到所述参考位置的力(31)的值包含在所述机器力(31)的所述恒定值的85%与100%之间。
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