CN110480497A - 一种螺旋形流体动压抛光垫及其抛光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种螺旋形流体动压抛光垫及其抛光方法，改变传统球形工具和柱形工具的切点和切线抛光作用方式，将工具与工件之间的作用区域扩展到面接触方式，以提高抛光效率。本发明在抛光垫基体上的中心设置中心供液孔和中行储液区，在表面上设置螺旋形动压槽，且螺旋形动压槽均匀分布于抛光垫基体的表面上，在抛光加工过程中，将预先混合有抛光颗粒的抛光液以一压力从中心供液孔注入抛光垫与工件表面之间的液膜间隙中，同时抛光垫高速旋转，以增强液膜间隙内抛光液的动压效应，根据流体动力学理论，液膜间隙内流体动压力以及流体剪切力能够显著提高抛光液中颗粒冲蚀光学元件表面的效应，去除元件表面材料的，实现抛光的目的。
Description
技术领域
本发明涉及光学加工技术，具体来说是一种基于小磨头抛光工具的盘式流体动压抛光垫及抛光方法，特别是一种涉及流体动压超精密抛光方法。
背景技术
随着现代光学技术的发展，大口径非球面光学元件、离轴非球面光学元件广泛应用于遥感卫星、空基太空望远镜、地基太空望远镜以及惯性约束核聚变等领域。以光学成像系统为例，光学元件的口径越大，其最终分辨率越高，能量收集能力越强，因此，大口径也成为现代非球面光学元件发展的一个趋势。然而，非球面光学元件口径的增大往往会导致加工难度的提高。传统的大口径非球面光学元件的制造通常需要经过铣磨、粗研、精研、粗抛、精抛几道工序，计算机控制光学表面成形技术是目前广泛使用的大口径非球面光学元件加工方法，它通过控制抛光工具在光学元件不同位置驻留时间来实现材料的定量去除，制造过程中加工与检测交替进行，直到光学元件表面精度满足要求。根据所使用的抛光工具不同，抛光方法具体又可以分为应力盘抛光、传统小磨头抛光、磁流变抛光、离子束抛光、射流抛光、流体动压抛光等。各种抛光方法都有自己的适用范围。在实际加工过程中，每一道工序对加工精度和去除效率的要求都有所不同，为兼顾效率和精度，通常需要结合使用多种抛光方法，单一抛光方法难以独立支撑整个加工流程。例如，传统小磨头抛光结构简单，并且具有较高的材料去除效率，既可以被用于研磨阶段，也可以被用于粗抛阶段。然而，工具磨损和磨料分布不均等因素又会导致传统小磨头抛光去除效率的不稳定，这也限制了该方法在精抛面形控制阶段的应用。离子束抛光以其原子级的去除精度和极强的面形控制能力被誉为金字塔尖上的光学加工技术，通常在磁流变抛光工序之后作为精抛的最后一道抛光方法使用。但是，离子束抛光在去除材料的过程中难以改善工件的表面粗糙度，这在一定程度上会影响光学元件的最终性能。所以有必要探索和研究新的抛光方法，优化光学元件加工工艺，这对补充和完善现有光学元件加工体系有着重要的意义。
流体动压抛光技术起源于上世纪90年代，主要特征是将抛光工具与工件完全侵入抛光液中，随着抛光工具的高速运动，抛光工具与工件之间半接触或非接触式相互作用，工具和工件之间形成动压液膜，并通过动压液膜流体的高速运动带动抛光液中磨粒冲蚀工件表面形成材料去除。流体动压原理的抛光技术是一种非接触式抛光工艺，被认为是一种“原子级”抛光工艺，能够实现样件表面无损及纳米级抛光工艺。在以球形工具加工中，加工区域在球形工具与工件表面的切点位置，可以认为是基于切点加工的球式流体动压抛光。在以柱形工具的加工中，加工区域在圆柱形工具与工件表面的切线位置，可以认为是基于切线加工的圆柱式流体动压抛光。然而基于切点和切线方式的动压抛光加工工艺中，工具的作用区域十分有限，难以满足大口径非球面光学元件表面的加工需求。
发明内容
本发明的目的是针对大口径非球面光学元件的超精密、高效的加工需求，基于流体动压抛光原理，提供一种螺旋形流体动压抛光垫及抛光方法。本发明的抛光垫，改变传统球形工具和柱形工具的切点和切线抛光作用方式，将工具与工件之间的作用区域扩展到面接触方式，以提高抛光效率。在抛光垫上设计出具有中心供液孔、中行储液区以及螺旋形凹形动压槽，且螺旋线形动压槽均匀分布于抛光垫表面上。在抛光加工过程中，将预先混合有抛光颗粒的抛光液以一定压力从抛光垫中心孔注入抛光垫与工件表面之间的液膜间隙中；同时抛光垫高速旋转，以增强液膜间隙内抛光液的动压效应。根据流体动力学理论，液膜间隙内流体动压力以及流体剪切力能够显著提高抛光液中颗粒冲蚀光学元件表面的效应，去除元件表面材料的，实现抛光的目的。同时，在螺旋形流体动压抛光垫上，设计的具有特殊倾角的动压槽，以提高抛光过程中液膜间隙内动压力的均匀、稳定分布。在应用螺旋形流体动压抛光垫抛光工艺过程中，可通过控制抛光垫的转速、中心孔的供液压力以及施加在抛光垫上压力来综合控制加工区域材料去除量及表面加工精度，实现光学元件表面的超精密加工。
本发明所采用的技术方案是：一种螺旋形流体动压抛光垫，包括：
抛光垫基体，所述抛光垫基体固定在具有中心供液功能的抛光盘上，并能在所述抛光盘的驱动下做旋转运动；
中心供液孔，所述中心供液孔设置在所述抛光垫基体的中心，在抛光过程中，抛光液注入在所述中心供液孔内；
中心储液区，所述中心储液区设置在所述中心供液孔的边缘处；以及，
螺旋形动压槽，所述螺旋形动压槽均匀设置于所述抛光垫基体的表面，所述螺旋形动压槽的内端部与所述中心储液区相连通、外端部延伸至所述抛光垫基体的边缘处，所述螺旋形动压槽将所述抛光液均匀分布在抛光垫与加工工件表面之间，随着抛光垫的旋转使得抛光垫与加工工件表面之间形成流体动压液膜。
进一步地，所述抛光垫基体的材质为金属、橡胶、聚氨酯或抛光沥青的其中一种。
进一步地，所述抛光垫基体的直径尺为10mm～200mm，厚度为2mm～5mm。
进一步地，所述螺旋形动压槽的螺旋线形状为指数型螺旋线、阿基米德型螺旋线或自由曲线螺旋线的其中一种。
进一步地，所述螺旋形动压槽的数目为2个～15个。
进一步地，所述螺旋形动压槽的深度为0.1mm～2mm。
进一步地，所述螺旋形动压槽为垂直型螺旋形动压槽或具有倾角的螺旋形动压槽的其中一种。
进一步地，所述具有倾角的螺旋形动压槽的螺旋槽倾斜面与水平面的夹角为0.5°～10°。
本发明所采用的另一技术方案是：一种基于上述螺旋形流体动压抛光垫的抛光方法，包括以下步骤：
步骤1，将抛光垫固定在具有中心供液功能的抛光盘上；
步骤2，移动所述抛光垫，将所述抛光垫的表面与待加工工件表面接触；
步骤3，将预先混合有抛光颗粒的所述抛光液进行增压，将增加后的所述抛光液通过所述中心供液孔注入所述抛光盘与待加工工件表面的间隙中；
步骤4，开启所述抛光盘，所述抛光垫在所述抛光盘的驱动下旋转，且旋转方向与所述螺旋形动压槽的螺旋线旋向一致，同时，给所述抛光垫施加一垂直载荷，在所述螺旋形动压槽的作用下，使所述抛光垫与加工工件表面形成动压液膜；
步骤5，动压液膜将所述抛光垫与加工工件表面分离，利用所述抛光垫与加工工件之间液膜间隙内的流体动压力和流体剪切力带动所述抛光液中的颗粒冲蚀加工工件表面，实现加工工件表面材料的去除。
进一步地，步骤2中，所述抛光液中所混合的颗粒为氧化铈颗粒、氧化铝颗粒、氧化硅颗粒、纳米金刚石颗粒的其中一种或所述氧化铈颗粒、氧化铝颗粒、氧化硅颗粒、纳米金刚石颗粒的两种或两种以上混合组成；所述抛光液的浓度范围为0.5％～20％，增压后的所述抛光液的压力范围为0.1Mpa～10Mpa。
与现有的技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的一种螺旋形流体动压抛光垫及抛光方法，抛光垫可直接安装在可中心供液的圆形抛光盘上，利用抛光盘带动抛光垫的高速旋转，抛光液从中心孔注入抛光垫与工件表面之间的间隙，随着抛光垫的高速旋转，抛光垫与工件表面之间将形成稳定的动压液膜，在液膜内部的流体动压力和剪切力作用下，抛光液中颗粒冲蚀工件表面，去除工件表面材料，由于流体动压效应下颗粒冲蚀工件表面材料去除量较小，属于“原子级”去除，但是盘形抛光垫与工件表面的抛光区域较大，从而能够实现较高的去除效率；
(2)本发明中的螺旋形流体动压抛光垫上的具有螺旋倾角斜面的压槽，相比于垂直型凹槽，在加工过程中更易形成流体动压效应，提高抛光垫的抛光效率；
(3)应用本发明的抛光垫在抛光加工过程中通过控制抛光盘的转速、抛光垫上施加的载荷、抛光液浓度、抛光液供给压力、加工点的驻留时间及运动轨迹来控制加工区域材料去除量及表面加工精度，达到超精密光滑表面抛光的目的。
附图说明
图1：本发明螺旋形动压槽为垂直型的螺旋形流体动压抛光垫结构示意图；
图2：本发明的垂直型螺旋形动压槽截面示意图；
图3：本发明螺旋形动压槽具有倾角的螺旋形流体动压抛光垫结构示意图；
图4：本发明的具有倾角的螺旋形动压槽截面示意图。
附图标注：1、抛光垫基体；2、中心供液孔；3、中心储液区；4、垂直型螺旋形动压槽；5、具有倾角的螺旋形动压槽；501、螺旋槽倾斜面。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如附图1至图4所示，一种螺旋形流体动压抛光垫，包括抛光垫基体1，所述抛光垫基体1可通过夹具或者直接粘接的方法固定在具有中心供液功能的抛光盘上，并能在所述抛光盘的驱动下做高速旋转运动。所述抛光垫基体1的中心设置有中心供液孔2和中心储液区3，所述中心储液区3设置在所述中心供液孔2的边缘处；所述抛光垫基体1的表面上均匀设置有螺旋形动压槽，所述螺旋形动压槽的内端部与所述中心储液区3相连通、外端部延伸至所述抛光垫基体1的边缘处，所述螺旋形动压槽将所述抛光液均匀分布在抛光垫与加工工件表面之间，并随着抛光垫的旋转，使得抛光垫与加工工件表面之间形成流体动压液膜。
所述抛光垫基体1的材质可为金属、橡胶、聚氨酯、沥青等光学抛光材料。所述抛光垫基体1的直径尺寸可根据实际的光学元件口径及表面曲率的特点设计，所述抛光垫基体1的直径尺为10mm～200mm，厚度为2mm～5mm。
所述螺旋形动压槽的螺旋线形状可为指数型螺旋线、阿基米德型螺旋线或其它自由曲线螺旋线。所述螺旋形动压槽的数目可根据抛光盘需要设计，一般为2个～15个。所述螺旋形动压槽是由相同螺旋角的螺旋线形成的凹槽，螺旋槽宽度由内向外(即由所述中心储液区3指向所述抛光垫基体1的边缘)逐渐增大，深度为0.1mm～2mm。所述螺旋形动压槽为垂直型螺旋形动压槽4(如图1和图2所示)或具有倾角的螺旋形动压槽5(如图3和图4所示)。当所述螺旋形动压槽为具有倾角的螺旋形动压槽5时，如图3和图4所示，所述具有倾角的螺旋形动压槽5由依次连接的竖直面、水平面和螺旋槽倾斜面501组成，所述螺旋槽倾斜面501与所述水平面的夹角为0.5°～10°。
基于上述螺旋形流体动压抛光垫的抛光方法，包括以下步骤：
步骤1，在抛光过程中，将本发明抛光垫的背面使用夹具或者直接粘接于具有中心供液功能的抛光盘上，抛光盘可通过数控机床或者其他运动机构进行精确的位置控制；
步骤2，移动所述抛光垫，将所述抛光垫的表面与待加工工件表面接触；
步骤3，将含有抛光颗粒的抛光液以一定压力注入抛光垫的中心供液孔2，即，利用压力泵对预先混合有颗粒的所述抛光液进行增压，将增加后的所述抛光液通过所述中心供液孔2注入所述抛光盘与待加工工件表面的间隙中；其中，所述抛光液中所混合的颗粒为氧化铈颗粒、氧化铝颗粒、氧化硅颗粒、纳米金刚石颗粒的其中一种或所述氧化铈颗粒、氧化铝颗粒、氧化硅颗粒、纳米金刚石颗粒的两种或两种以上混合组成；所述抛光液的浓度范围为0.5％～20％，增压后的所述抛光液的压力范围为0.1Mpa～10Mpa；
步骤4，开启所述抛光盘，所述抛光垫在所述抛光盘的驱动下高速旋转(一般转速为1000rpm～10000rpm)，且旋转方向与螺旋形动压槽的螺旋线旋向一致；同时，给所述抛光垫施加一定的垂直载荷(一般垂直载荷的大小为0.001-0.1MPa)，此时在螺旋形动压槽的作用下，使所述抛光垫与加工工件表面形成动压液膜；
步骤5，动压液膜将所述抛光垫与加工工件表面分离，由于动压液膜的稳定存在，高速旋转的抛光垫与加工工件之间形成流体动压力和流体剪切力带动抛光液中抛光颗粒冲蚀加工工件表面，实现加工工件表面材料的去除，以达到表面超精密抛光的目的。
根据流体动压理论，动压力越大，液膜间隙内的流体剪切力也将越大，抛光颗粒冲蚀工件表面去除工件表面材料的效率也将越高。
在抛光过程中，可通过控制抛光盘的转速、抛光垫上施加的载荷、抛光液浓度、抛光液供给压力来控制抛光垫与加工工件之间的液膜间隙，通过控制抛光垫在加工工件表面加工点的驻留时间及运动轨迹来控制加工区域材料去除量及表面加工精度，实现工件表面的超精密抛光工艺。实际操作中，首先根据加工工件的初始面型误差计算驻留时间和最优化的加工轨迹，生成数控加工程序，应用数控加工程序实现机床对抛光盘的运动轨迹控制工件表面进行精确的抛光。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种螺旋形流体动压抛光垫，其特征在于，包括：
抛光垫基体(1)，所述抛光垫基体(1)固定在具有中心供液功能的抛光盘上，并能在所述抛光盘的驱动下做旋转运动；
中心供液孔(2)，所述中心供液孔(2)设置在所述抛光垫基体(1)的中心，在抛光过程中，抛光液注入在所述中心供液孔(2)内；
中心储液区(3)，所述中心储液区(3)设置在所述中心供液孔(2)的边缘处；以及，
螺旋形动压槽，所述螺旋形动压槽均匀设置于所述抛光垫基体(1)的表面，所述螺旋形动压槽的内端部与所述中心储液区(3)相连通、外端部延伸至所述抛光垫基体(1)的边缘处，所述螺旋形动压槽将所述抛光液均匀分布在抛光垫与加工工件表面之间，随着抛光垫的旋转使得抛光垫与加工工件表面之间形成流体动压液膜。
2.根据权利要求1所述的一种螺旋形流体动压抛光垫，其特征在于，所述抛光垫基体(1)的材质为金属、橡胶、聚氨酯或抛光沥青的其中一种。
3.根据权利要求1所述的一种螺旋形流体动压抛光垫，其特征在于，所述抛光垫基体(1)的直径尺为10mm～200mm，厚度为2mm～5mm。
4.根据权利要求1所述的一种螺旋形流体动压抛光垫，其特征在于，所述螺旋形动压槽的螺旋线形状为指数型螺旋线、阿基米德型螺旋线或自由曲线螺旋线的其中一种。
5.根据权利要求1所述的一种螺旋形流体动压抛光垫，其特征在于，所述螺旋形动压槽的数目为2个～15个。
6.根据权利要求1所述的一种螺旋形流体动压抛光垫，其特征在于，所述螺旋形动压槽的深度为0.1mm～2mm。
7.根据权利要求1所述的一种螺旋形流体动压抛光垫，其特征在于，所述螺旋形动压槽为垂直型螺旋形动压槽(4)或具有倾角的螺旋形动压槽(5)的其中一种。
8.根据权利要求7所述的一种螺旋形流体动压抛光垫，其特征在于，所述具有倾角的螺旋形动压槽(5)的螺旋槽倾斜面(501)与水平面的夹角为0.5°～10°。
9.一种基于上述权利要求1至8任一项所述的一种螺旋形流体动压抛光垫的抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将抛光垫固定在具有中心供液功能的抛光盘上；
步骤2，移动所述抛光垫，将所述抛光垫的表面与待加工工件表面接触；
步骤3，将预先混合有抛光颗粒的所述抛光液进行增压，将增加后的所述抛光液通过所述中心供液孔(2)注入所述抛光盘与待加工工件表面的间隙中；
步骤4，开启所述抛光盘，所述抛光垫在所述抛光盘的驱动下旋转，且旋转方向与所述螺旋形动压槽的螺旋线旋向一致，同时，给所述抛光垫施加一垂直载荷，在所述螺旋形动压槽的作用下，使所述抛光垫与加工工件表面形成动压液膜；
步骤5，动压液膜将所述抛光垫与加工工件表面分离，利用所述抛光垫与加工工件之间液膜间隙内的流体动压力和流体剪切力带动所述抛光液中的颗粒冲蚀加工工件表面，实现加工工件表面材料的去除。
10.根据权利要求9所述的一种基于螺旋形流体动压抛光垫的抛光方法，其特征在于，步骤2中，所述抛光液中所混合的颗粒为氧化铈颗粒、氧化铝颗粒、氧化硅颗粒、纳米金刚石颗粒的其中一种或所述氧化铈颗粒、氧化铝颗粒、氧化硅颗粒、纳米金刚石颗粒的两种或两种以上混合组成；所述抛光液的浓度范围为0.5％～20％，增压后的所述抛光液的压力范围为0.1Mpa～10Mpa。
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