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CN110757255A - 适用于薄壁环形非球面光学零件的抛光方法及系统 - Google Patents

适用于薄壁环形非球面光学零件的抛光方法及系统 Download PDF

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CN110757255A CN201910968384.9A CN201910968384A CN110757255A CN 110757255 A CN110757255 A CN 110757255A CN 201910968384 A CN201910968384 A CN 201910968384A CN 110757255 A CN110757255 A CN 110757255A
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墨洪磊
周如好
兰洁
陈勰
申振丰
朱力敏
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Abstract

本发明提供了一种适用于薄壁环形非球面光学零件的抛光方法及系统，上盘工装粘接步骤：将铣磨完毕的零件粘接在上盘工装上；零件最接近球面计算步骤：获取零件最接近球曲率半径信息；抛光垫选择步骤：设置抛光垫厚度为预定厚度，设置抛光垫形状为设定形状，获取抛光垫厚度信息；磨具加工步骤：根据抛光垫厚度信息、零件最接近球曲率半径信息，计算模具曲率半径，加工设定曲率半径的磨具；光顺加工步骤：使用设定曲率半径的磨具，对零件进行光顺加工，获取预定表面粗糙度、预定面形精度的零件。本发明可高效率的加工非球面光学零件，大大降低非球面光学零件的加工时间，节约成本。

Description

适用于薄壁环形非球面光学零件的抛光方法及系统
技术领域
本发明涉及光学零件抛光领域，具体地，涉及一种适用于薄壁环形非球面光学零件的抛光方法及系统，尤其涉及一种薄壁环形非球面光学零件的高效抛光方法。
背景技术
非球面光学零件是表面形状偏离球面的光学元件，比传统平面、球面光学元件具有更大的自由度和灵活性，且形状多样。因而能有效地校正各种像差，改善像质，并减少系统所需光学元件的数量，减小系统外形尺寸，减轻系统重量等。非球面光学零件的加工一般经过铣磨、研磨、抛光加工，其加工流程依次包括：(1)加工准备；(2)铣磨；(3)研磨；(4)抛光；(5)清洗；(6)检查。
准备工序是为准备非球面光学零件加工中所需的毛坯料、砂轮、工装、辅料等；铣磨工序是为将毛坯铣磨成所需的非球面，在此工序中将产生较大的亚表面损伤层，零件表面粗糙度较大；研磨工序是为将铣磨工序中产生的损伤层去除，并进一步提高零件面形精度和表面质量，该工序一般采用数控机床采用循轨法加工，所采用的辅料可选择为金刚石微粉、碳化硅、氧化铝等；抛光工序是在研磨工序的基础上进一步降低零件损伤层，以及进一步提高零件面形精度和表面质量，该工序主要是采用多轴数控加工设备完成，采用的抛光微粉可选择为金刚石、碳化硅、氧化铝、氧化铈、氧化锆、氧化铁等；清洗工序是为去除抛光加工过程中零件附着的污染物等；检验工序是为检验零件面形精度和表面质量是否达到设计要求。在非球面常规加工方法中，零件的研磨加工需采用精度较高的多轴联动的数控加工设备加工，造成加工成本升高。为降低设备成本，一般是将研磨工序与抛光工序合并为一道工序，铣磨成型后直接进行抛光加工，该种加工模式将大大增加加工时间，降低非球面光学零件的加工效率。为此探索出一种操作方便、可实现非球面尤其是薄壁环形光学非球面零件加工效率的方法是必要的。
专利文献CN108927713A公开了一种一种光学零件的抛光方法，本发明光学零件的抛光方法采用PET胶带代替现有技术中的保护漆，PET胶带简单易得，不仅保护了保护面，使得光学零件与胶模固定连接，抛光结束后，PET胶带又易撕离而不留残胶，可以避免涂抹保护漆带来的诸多技术问题。该专利在改善非球面光学零件的加工效率仍有提升的空间。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于薄壁环形非球面光学零件的抛光方法及系统。
根据本发明提供的一种适用于薄壁环形非球面光学零件的抛光方法，包括：上盘工装粘接步骤：将铣磨完毕的零件粘接在上盘工装上；零件最接近球面计算步骤：计算出零件最接近球曲率半径，获取零件最接近球曲率半径信息；抛光垫选择步骤：设置抛光垫厚度为预定厚度，设置抛光垫形状为设定形状，获取抛光垫厚度信息；磨具加工步骤：根据抛光垫厚度信息、零件最接近球曲率半径信息，计算模具曲率半径，加工设定曲率半径的磨具；光顺加工步骤：使用设定曲率半径的磨具，通过抛光垫对零件进行光顺加工，获取预定表面粗糙度、预定面形精度的零件。
优选地，抛光垫选择步骤包括：具体厚度选择步骤：选择厚度为0.2mm-3mm的聚氨酯作为抛光垫；具体形状选择步骤：设置抛光垫形状为以下任一种形状：-五角星形状；-玫瑰花形状。
优选地，还包括：抛光液配置步骤：抛光液采用以下任一种原料配制：-氧化铈；-氧化铝；-氧化锆；-金刚石；-氧化铁；配制抛光液浓度为2％-10％。
优选地，还包括：误差快速收敛步骤：采用以下任一种或者任多种设备快速实现零件面形误差快速收敛：-古典二轴机；-四轴机；-弧摆机；-高速研磨抛光机。
优选地，所述光顺加工步骤包括：加工压力设定步骤：设定加工压力的取值范围为0.05MPa-1MPa；主轴转速设定步骤：设定抛光盘转速的取值范围为150rpm-600rpm；抛光液流量设定步骤：设定抛光液流量的取值范围为0.2L/min-2L/min；光顺时间设定步骤：设定光顺时间的取值范围为5min-40min。
根据本发明提供的一种适用于薄壁环形非球面光学零件的抛光系统，包括：上盘工装粘接模块：将铣磨完毕的零件粘接在上盘工装上；零件最接近球面计算模块：计算出零件最接近球曲率半径，获取零件最接近球曲率半径信息；抛光垫选择模块：设置抛光垫厚度为预定厚度，设置抛光垫形状为设定形状，获取抛光垫厚度信息；磨具加工模块：根据抛光垫厚度信息、零件最接近球曲率半径信息，计算模具曲率半径，加工设定曲率半径的磨具；光顺加工模块：使用设定曲率半径的磨具，通过抛光垫对零件进行光顺加工，获取预定表面粗糙度、预定面形精度的零件。
优选地，抛光垫选择模块包括：具体厚度选择模块：选择厚度为0.2mm-3mm的聚氨酯作为抛光垫；具体形状选择模块：设置抛光垫形状为以下任一种形状：-五角星形状；-玫瑰花形状。
优选地，还包括：抛光液配置模块：抛光液采用以下任一种原料配制：-氧化铈；-氧化铝；-氧化锆；-金刚石；-氧化铁；配制抛光液浓度为2％-10％。
优选地，还包括：误差快速收敛模块：采用以下任一种或者任多种设备快速实现零件面形误差快速收敛：-古典二轴机；-四轴机；-弧摆机；-高速研磨抛光机。
优选地，所述光顺加工模块包括：加工压力设定模块：设定加工压力的取值范围为0.05MPa-1MPa；主轴转速设定模块：设定抛光盘转速的取值范围为150rpm-600rpm；抛光液流量设定模块：设定抛光液流量的取值范围为0.2L/min-2L/min；光顺时间设定模块：设定光顺时间的取值范围为5min-40min。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明可高效率的加工非球面光学零件，大大降低非球面光学零件的加工时间，节约成本；
2、本发明能够大幅度提高薄壁环形非球面光学零件的加工效率，大大减少采用常规加工方面所带来的磨头易损耗影响面形精度；
3、本发明优化了传统光学非球面零件加工方法的方法，通过在传统加工流程中增加光顺这道工序获得了很好的技术效果。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明所涉及方法的流程示意图。
图2为本发明所涉及系统的框架示意图。
图3为本发明实施例中未光顺加工工艺示意图。
图4为本发明实施例中光顺加工工艺示意图。
图中：
上盘工装1 磨具4
零件2 工件盘5
抛光垫3 抛光盘6
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种适用于薄壁环形非球面光学零件的抛光方法，包括：上盘工装粘接步骤：将铣磨完毕的零件粘接在上盘工装上；零件最接近球面计算步骤：计算出零件最接近球曲率半径，获取零件最接近球曲率半径信息；抛光垫选择步骤：设置抛光垫厚度为预定厚度，设置抛光垫形状为设定形状，获取抛光垫厚度信息；磨具加工步骤：根据抛光垫厚度信息、零件最接近球曲率半径信息，计算模具曲率半径，加工设定曲率半径的磨具；光顺加工步骤：使用设定曲率半径的磨具，通过抛光垫对零件进行光顺加工，获取预定表面粗糙度、预定面形精度的零件。
优选地，抛光垫选择步骤包括：具体厚度选择步骤：选择厚度为0.2mm-3mm的聚氨酯作为抛光垫；具体形状选择步骤：设置抛光垫形状为以下任一种形状：-五角星形状；-玫瑰花形状。
优选地，还包括：抛光液配置步骤：抛光液采用以下任一种原料配制：-氧化铈；-氧化铝；-氧化锆；-金刚石；-氧化铁；配制抛光液浓度为2％-10％。
优选地，还包括：误差快速收敛步骤：采用以下任一种或者任多种设备快速实现零件面形误差快速收敛：-古典二轴机；-四轴机；-弧摆机；-高速研磨抛光机。
优选地，所述光顺加工步骤包括：加工压力设定步骤：设定加工压力的取值范围为0.05MPa-1MPa；主轴转速设定步骤：设定抛光盘转速的取值范围为150rpm-600rpm；抛光液流量设定步骤：设定抛光液流量的取值范围为0.2L/min-2L/min；光顺时间设定步骤：设定光顺时间的取值范围为5min-40min。
具体地，在一个实施例中，如图3、图4所示，一种适用于薄壁环形非球面光学零件的抛光系统采用适用于薄壁环形非球面光学零件的抛光方法，包括：上盘工装1、零件2、抛光垫3、磨具4、工件盘5、抛光盘6。在加工前，将铣磨完毕的非球面光学零件粘接在上盘工装上，粘接剂可选择为蜡、胶水等。抛光垫粘接在磨具上。抛光垫具有一定的形状结构，以保证加工过程中增加切削力，提高加工效率。抛光垫厚度为0.2～3mm的聚氨酯，抛光液采用氧化铈配制，其浓度在2％～10％。采用本发明的方法加工镁铝尖晶石材质的非球面光学零件。在采用该方法时，首先将铣磨加工好的镁铝尖晶石光学零件粘接在上盘工装上，待其冷却后备用。其次，根据镁铝尖晶石光学零件的非球面数学方程表达式，最接近球曲率半径公式如下：
Figure BDA0002231272330000051
式中，r0是最佳比较球面；R0为非球面顶点曲率半径；e为二项系数；h为非球面口径的一半。
计算出其最接近球的曲率半径；第三选择一定厚度且硬度合适的聚氨酯作为抛光垫，厚度可选为0.2～3mm，采用非球面度公式指导抛光垫软硬度、厚度选择；
Figure BDA0002231272330000052
式中：h为非球面口径一半；D为非球面零件口径；R0为非球面顶点曲率半径；A为相对孔径，其值为
Figure BDA0002231272330000053
f为非球面的焦距，δmax为最大非球面度。
并将抛光垫修剪为所需的形状，一般为五角星、玫瑰花形等样式；第四，根据所选的聚氨酯厚度，计算出磨具曲率半径，并加工出磨具；第五，将第三步中制作好的聚氨酯抛光垫粘贴在第四步中加工出的磨具上，备用。在镁铝尖晶石光学零件光顺加工中，首先将抛光盘安装在机床上，将工件盘安放在抛光盘上，然后添加抛光液：由金刚石、氧化铈。碳化硅、氧化铝等与水混合而成。加工压力位0.05MPa-1MPa，主轴转速(抛光盘转速)150rpm-600rpm，抛光液流量为0.2L/min-2L/min，光顺5-40min后经检测，工件表面粗糙度Ra为10nm-100nm，面形精度PV为0.8-2.5μm。
本领域技术人员可以将本发明提供的适用于薄壁环形非球面光学零件的抛光方法，理解为本发明提供的适用于薄壁环形非球面光学零件的抛光系统的一个实施例。即，所述适用于薄壁环形非球面光学零件的抛光系统可以通过执行所述适用于薄壁环形非球面光学零件的抛光方法的步骤流程实现。
根据本发明提供的一种适用于薄壁环形非球面光学零件的抛光系统，包括：上盘工装粘接模块：将铣磨完毕的零件粘接在上盘工装上；零件最接近球面计算模块：计算出零件最接近球曲率半径，获取零件最接近球曲率半径信息；抛光垫选择模块：设置抛光垫厚度为预定厚度，设置抛光垫形状为设定形状，获取抛光垫厚度信息；磨具加工模块：根据抛光垫厚度信息、零件最接近球曲率半径信息，计算模具曲率半径，加工设定曲率半径的磨具；光顺加工模块：使用设定曲率半径的磨具，通过抛光垫对零件进行光顺加工，获取预定表面粗糙度、预定面形精度的零件。
优选地，抛光垫选择模块包括：具体厚度选择模块：选择厚度为0.2mm-3mm的聚氨酯作为抛光垫；具体形状选择模块：设置抛光垫形状为以下任一种形状：-五角星形状；-玫瑰花形状。
优选地，还包括：抛光液配置模块：抛光液采用以下任一种原料配制：-氧化铈；-氧化铝；-氧化锆；-金刚石；-氧化铁；配制抛光液浓度为2％-10％。
优选地，还包括：误差快速收敛模块：采用以下任一种或者任多种设备快速实现零件面形误差快速收敛：-古典二轴机；-四轴机；-弧摆机；-高速研磨抛光机。
优选地，所述光顺加工模块包括：加工压力设定模块：设定加工压力的取值范围为0.05MPa-1MPa；主轴转速设定模块：设定抛光盘转速的取值范围为150rpm-600rpm；抛光液流量设定模块：设定抛光液流量的取值范围为0.2L/min-2L/min；光顺时间设定模块：设定光顺时间的取值范围为5min-40min。
本发明可高效率的加工非球面光学零件，大大降低非球面光学零件的加工时间，节约成本；本发明能够大幅度提高薄壁环形非球面光学零件的加工效率，大大减少采用常规加工方面所带来的磨头易损耗影响面形精度；本发明优化了传统光学非球面零件加工方法的方法。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种适用于薄壁环形非球面光学零件的抛光方法，其特征在于，包括：
上盘工装粘接步骤：将铣磨完毕的零件粘接在上盘工装上；
零件最接近球面计算步骤：计算出零件最接近球曲率半径，获取零件最接近球曲率半径信息；
抛光垫选择步骤：设置抛光垫厚度为预定厚度，设置抛光垫形状为设定形状，获取抛光垫厚度信息；
磨具加工步骤：根据抛光垫厚度信息、零件最接近球曲率半径信息，计算模具曲率半径，加工设定曲率半径的磨具；
光顺加工步骤：使用设定曲率半径的磨具，通过抛光垫对零件进行光顺加工，获取预定表面粗糙度、预定面形精度的零件。
2.根据权利要求1所述的适用于薄壁环形非球面光学零件的抛光方法，其特征在于，抛光垫选择步骤包括：
具体厚度选择步骤：选择厚度为0.2mm-3mm的聚氨酯作为抛光垫；
具体形状选择步骤：设置抛光垫形状为以下任一种形状：
-五角星形状；
-玫瑰花形状。
3.根据权利要求1所述的适用于薄壁环形非球面光学零件的抛光方法，其特征在于，还包括：
抛光液配置步骤：抛光液采用以下任一种原料配制：
-氧化铈；
-氧化铝；
-氧化锆；
-金刚石；
-氧化铁；
配制抛光液浓度为2％-10％。
4.根据权利要求1所述的适用于薄壁环形非球面光学零件的抛光方法，其特征在于，还包括：
误差快速收敛步骤：采用以下任一种或者任多种设备快速实现零件面形误差快速收敛：
-古典二轴机；
-四轴机；
-弧摆机；
-高速研磨抛光机。
5.根据权利要求1所述的适用于薄壁环形非球面光学零件的抛光方法，其特征在于，所述光顺加工步骤包括：
加工压力设定步骤：设定加工压力的取值范围为0.05MPa-1MPa；
主轴转速设定步骤：设定抛光盘转速的取值范围为150rpm-600rpm；
抛光液流量设定步骤：设定抛光液流量的取值范围为0.2L/min-2L/min；
光顺时间设定步骤：设定光顺时间的取值范围为5min-40min。
6.一种适用于薄壁环形非球面光学零件的抛光系统，其特征在于，包括：
上盘工装粘接模块：将铣磨完毕的零件粘接在上盘工装上；
零件最接近球面计算模块：计算出零件最接近球曲率半径，获取零件最接近球曲率半径信息；
抛光垫选择模块：设置抛光垫厚度为预定厚度，设置抛光垫形状为设定形状，获取抛光垫厚度信息；
磨具加工模块：根据抛光垫厚度信息、零件最接近球曲率半径信息，计算模具曲率半径，加工设定曲率半径的磨具；
光顺加工模块：使用设定曲率半径的磨具，通过抛光垫对零件进行光顺加工，获取预定表面粗糙度、预定面形精度的零件。
7.根据权利要求6所述的适用于薄壁环形非球面光学零件的抛光系统，其特征在于，抛光垫选择模块包括：
具体厚度选择模块：选择厚度为0.2mm-3mm的聚氨酯作为抛光垫；
具体形状选择模块：设置抛光垫形状为以下任一种形状：
-五角星形状；
-玫瑰花形状。
8.根据权利要求6所述的适用于薄壁环形非球面光学零件的抛光系统，其特征在于，还包括：
抛光液配置模块：抛光液采用以下任一种原料配制：
-氧化铈；
-氧化铝；
-氧化锆；
-金刚石；
-氧化铁；
配制抛光液浓度为2％-10％。
9.根据权利要求6所述的适用于薄壁环形非球面光学零件的抛光系统，其特征在于，还包括：
误差快速收敛模块：采用以下任一种或者任多种设备快速实现零件面形误差快速收敛：
-古典二轴机；
-四轴机；
-弧摆机；
-高速研磨抛光机。
10.根据权利要求6所述的适用于薄壁环形非球面光学零件的抛光系统，其特征在于，所述光顺加工模块包括：
加工压力设定模块：设定加工压力的取值范围为0.05MPa-1MPa；
主轴转速设定模块：设定抛光盘转速的取值范围为150rpm-600rpm；
抛光液流量设定模块：设定抛光液流量的取值范围为0.2L/min-2L/min；
光顺时间设定模块：设定光顺时间的取值范围为5min-40min。
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