CN101559571A - 用于光学元件的磁场辅助柔性旋转刷抛光方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于精密光学抛光加工技术领域，特别涉及一种用于光学元件的磁场辅助柔性旋转刷抛光方法及装置。本发明由一个可高速旋转的铁磁性主轴带动可以循环更新的磁流变液在磁场的作用下，以一定压力吸附在加工表面上，形成一个柔性旋转抛光磨头，在自身转动和工件转动的复合运动形式下，完成对整个内凹面的抛光加工。本发明装置适用于共形光学元件内凹面抛光；本发明方法具有柔性精加工特点，抛光去除特性稳定，可以采用计算机控制抛光去除分布，具备抛光面形控制能力，兼有高精度高表面质量的优点，适用于薄壁高陡度非球面和自由曲面元件抛光。
Description
技术领域
本发明属于精密光学抛光加工技术领域，特别涉及一种用于光学元件的磁场辅助柔性旋转刷抛光方法及装置。
背景技术
非球面及自由曲面光学元件随着光学设计及加工技术的发展应用的越来越广泛，比较典型的有共形光学整流罩，共形红外探测窗口，显像管校正透镜等。这类光学元件具有高陡度非球面或者自由曲面性质，使得在承担光学系统作用的同时满足空气动力学或结构上的特殊要求。但是，共形光学元件在带来性能上的优势之外，在加工方面带来了许多问题和挑战。传统的光学整流罩和窗口多采用同心球面或者是平面拼接的形式，其加工方法和普通光学球面镜的加工相似，在抛光内外表面阶段都是采用球面或平面沥青模进行，由于抛光模和工件的接触面为球面或平面，所以能够方便的实现摆动和旋转的复合抛光运动，而共形元件的高陡度非球面或是自由曲面特征使得传统的抛光方式无法施加，因此需要研究专门的加工方法和工艺。国外自二十世纪90年代开始展开了针对共形光学的一系列研究工作，美国曾于1996年由国防部高级研究计划局出资1230万美元，联合了罗切斯特大学光学制造中心、得克萨斯仪器公司、波音公司、以及Sinclair光学公司等著名科研院校和企业开展了共形光学设计和制造方法的研究，其中包括针对不同材料的共形光学元件的成型、研磨及抛光方法和工艺的研究。但至今为止，在内凹面抛光加工上，还没有出现较为成熟的自动化加工方法。
在各种抛光加工技术中，比较有发展潜力的是带有确定性去除的柔性磁流变抛光加工工艺。磁流变抛光是美国罗彻斯特(Rochester)大学的COM(光学制造中心)发明，并且近年来由美国QED公司推向商业化应用的精密抛光技术。磁流变液由载液、铁磁微粒、研磨抛光剂和辅助添加剂组成，磁流变液具有流变性，在磁场中能够形成一种具有粘塑性的Bingham体，在合适的外部磁场梯度下，可以使固化的磁流变液形成一个具有剪切应力的柔性抛光模，借助抛光轮的辅助转动，使得该抛光模在工件的被加工区域形成抛光所需的相对运动和压力分布，可以在加工区产生抛光去除分布。由于磁流变在形成柔性抛光模的过程中是不断循环更新的，所以在一定的时间范围内不存在常规磨头的磨损问题，同时在磁场分布和与工件相对位置关系不变的情况下，该抛光模的压力、剪切力和形状等性质也保持相对稳定，所以能够产生稳定的去除分布。通过计算机控制磨光模在加工表面不同位置的驻留时间，便可以对整个加工工件的面形进行控制。
但是这种商用磁流变抛光方法在抛光内凹面时存在局限性。它采用抛光轮固定，工件自转并且摆动的方式进行加工，适用于轴对称光学元件凸面的加工，很难适应曲率半径小的深凹面特别是共形光学整流罩内凹面的加工，其抛光轮无法伸入腔内，或者工件摆动范围有限，无法满足整个内凹面的加工。
除磁流变抛光外，磁力研磨技术也是一种在磁场的辅助下的光整加工技术，磁场使磁性混合研磨料吸附于加工表面，并由于工件的转动产生抛光运动，多用于管状材料内壁光整加工以及铁磁性材料的表面光整加工。该方法目前仅局限于研磨加工阶段，其加工表面质量和去除函数的稳定性及计算机控制能力都达不到高精度光学加工的要求。同时其目前能够见到的作用形式也不能满足共形光学内凹面的加工需求。
发明内容
本发明提供了一种针对薄壁光学元件，特别是共形内凹面加工的磁流变旋转刷抛光方法，该方法的特征在于，包括以下步骤：
(1)工件3由工件夹具11固定于抛光转台12上；抛光主轴1的直径为3～8mm，相应产生的磁流变抛光刷2的工作面覆盖直径为5～15mm；抛光主轴1在加工过程中带动磁流变抛光刷2旋转，实现主抛光运动，通过调节转速来调节加工去除率，转速为60～3000转/分；
(2)抛光主轴1和工件3加工表面之间的区域为磁场强化区，磁场由位于工件3加工表面另一侧的激励磁极4提供；在激励磁极4的磁场激励下，抛光主轴1被磁化，使得抛光主轴1和工件3加工表面之间的空间区域内产生梯度磁场，磁场强度范围为200～3000高斯；
(3)磁流变液进入磁场强化区后产生流变作用，形成类固体状的磁流变抛光刷2并由抛光主轴1带动转动；磁流变抛光刷2内部成链状结构，由磁流变液中的铁粉颗粒在磁场中排列聚集成链而形成，磁流变液中的磨料颗粒受到链化铁粉颗粒的挤压并聚集到加工表面处，同时被磁流变刷的旋转带动在加工表面形成剪切抛光运动；
(4)磁流变液在整个加工过程中保持循环更新，磁流变液从磁流变液注入口15进入抛光主轴1，在磁场强化区形成磁流变抛光刷2，同时由于加工过程中工件的运动，多余的磁流变液从抛光磨头中带出并回收至储液槽7中，储液槽7中的磁流变液再通过蠕动泵重新注入抛光主轴1，参与循环。
所述磁流变液为水基型或油基型；水基磁流变液包含水、羰基铁粉、研磨抛光剂和添加剂，其中水的体积分数为50～60％，羰基铁粉的体积分数为30～40％，研磨抛光剂的体积分数为2～15％，添加剂的体积分数不超过5％；油基磁流变液包含硅油、羰基铁粉、研磨抛光剂和添加剂，其中硅油的体积分数为40～60％，羰基铁粉的体积分数为30～50％，研磨抛光剂的体积分数为2～20％，添加剂的体积分数不超过5％。
所述磁流变液中羰基铁粉的粒度范围为3～10μm。
所述研磨抛光剂包括氧化铝磨料、氧化铈磨料、碳化硅磨料和金刚石微粉。
所述添加剂为聚乙二醇或油酸。
本发明还提供了一种用于光学元件的磁场辅助柔性旋转刷抛光装置，其特征在于，抛光转台底座13与数控XY工作台14固定连接，具有中心孔的抛光转台12安装于抛光转台底座13上；激励磁极4穿过抛光转台12中心孔与数控XY工作台14固定连接，工件3倒置安装固定在工件夹具11上，工件夹具11与抛光转台12固定连接，并保持工件3的对称轴和抛光转台12的转动中心重合；抛光主轴1由主轴驱动器16驱动转动，抛光主轴1具有中心通孔，磁流变液从磁流变液注入口15进入抛光主轴1并在另一端受磁场作用形成磁流变抛光刷2；摆动电机9固定在数控Z向工作台8上，并连接同步轮传动装置10，抛光主轴1与主轴驱动器16一同固定在同步轮传动装置10上，在加工过程中由摆动电机9驱动进行摆动。
所述激励磁极4为永磁铁或电磁铁形式，其表面与工件3外表面保持0.5～10mm间隙，使得抛光主轴1和加工表面之间的空间区域内产生梯度磁场，磁场强度为200～3000高斯。
所述抛光主轴1采用铁磁性材料制成，包括：碳素钢、铁、钴、镍及其合金材料；加工过程中保持与加工表面垂直并保持2～10mm的间隙。
所述抛光主轴1和磁流变抛光刷2相接的端面为锯齿状，以增大旋转时对磁流变抛光刷2磨头的附着力。
所述主轴驱动器16由微型直流电机或传动软轴来驱动主轴，采用齿轮传动，使得主轴转速在60转/分～3000转/分之间变化。
所述磁流变液的循环路径中采用蠕动泵驱动磁流变液的循环过程，其流量在50mL/min以下连续可调。
所述抛光转台12由伺服系统控制，转速范围为5～300转/分。
所述摆动电机9为伺服控制电机或高细分步进电机，摆动范围≤180度。
所述抛光装置的运动方式为工件3由抛光转台11驱动带动工件3绕自身对称轴转动，同时转动台可以在数控XY工作台14的驱动下在X或Y方向上移动。抛光主轴1在摆动控制和Z向工作台8的带动下配合转台的移动运动，在多自由度联动控制下完成与加工内表面垂直和保持固定间隙的往复摆动，再结合工件的自转覆盖整个内凹面的抛光加工。
本发明的有益效果为：利用磁场辅助及磁流变效应，设计了能够形成柔性吸附磨头的旋转磁流变刷抛光方法和装置。与常规磁流变抛光相比，它具有更加小巧的结构，能够伸入共形光学元件内腔；主轴带动的转动刷式设计能够使柔性小磨头获得高达3000转/分的转速，从而得到较高的去除效率；它能够适用于共形内凹面及薄壁自由曲面抛光加工，同时也能胜任传统的薄壁球面、平面光学元件加工。该方法可以通过采用计算机控制抛光去除量和面形精度，磁流变液循环更新可以得到稳定一致的去除函数特性，能够获得确定性的抛光去除分布，对于实现自动化加工有重要意义；该方法针对光学玻璃(K9)可以获得纳米级的表面粗糙度，通过对磁流变液中磨料的选配，同样也适用整流罩红外材料(MgF2等材料)的抛光加工。
附图说明
图1本发明抛光方法示意图；
图2本发明内凹面抛光装置结构示意图；
图3为主轴头端面结构示意图；
图中标号：
1-抛光主轴；2-磁流变抛光刷；3-工件；4-激励磁极；5-溢出磁流变液；6-循环路径；7-储液槽；8-数控Z向工作台；9-摆动电机；10-同步轮传动装置；11-工件夹具；12-抛光转台；13-转台底座；14-数控XY工作台；15-磁流变液注入口；16-主轴驱动器。
具体实施方式
本发明提供了一种用于光学元件的磁场辅助柔性旋转刷抛光方法及装置，下面通过附图说明及具体实施方式对本发明做进一步说明。
实施例1
图2为本发明光学元件内凹面抛光装置结构示意图。抛光转台底座13与数控XY工作台14固定连接，抛光转台12安装于抛光转台底座13上，且具有中心孔；采用永磁铁形式的激励磁极4穿过转台中心孔与数控XY工作台14固定连接，工件3倒置安装固定在工件夹具11上，工件夹具11与抛光转台12固定连接，并保持工件3对称轴和抛光转台12的转动中心重合；抛光主轴1采用碳素钢材料制成，直径为5mm，并由主轴驱动器16驱动转动；主轴驱动器16为微型直流电机，采用齿轮传动；抛光主轴1具有中心通孔，磁流变液从磁流变液注入口15进入主轴并在另一端受磁场作用形成工作面覆盖直径为10mm的磁流变抛光刷2，抛光主轴1和磁流变抛光刷2相接的端面为锯齿状，以增大旋转时对磁流变抛光刷2磨头的附着力；采用伺服控制电机的摆动电机9固定在数控Z向工作台8上，并连接同步轮传动装置10，抛光主轴1与主轴驱动器16一同固定在同步轮传动装置10上，在加工过程中由摆动电机9驱动进行摆动。
采用的磁流变液为水基型磁流变液，包含体积分数为50％的水、体积分数为40％的羰基铁粉、体积分数为8％的氧化铝磨料和体积分数为2％的聚乙二醇。其中，羰基铁粉的粒度为3～8μm。
使用所述装置对光学元件内凹面进行抛光加工的步骤为：
(1)将共形光学工件3倒置安装固定在夹具11上，保持工件3的对称轴和抛光转台12转动中心重合；激励磁极4表面与工件外表面保持5mm的间隙，使得抛光主轴和加工表面之间的空间区域内产生磁场强度为200～3000高斯的梯度磁场；
(2)调整数控XY工作台14、数控Z向工作台8和摆动电机9使抛光主轴1位于设定的加工起始位置；从磁流变液注入孔15注入磁流变液，使得加工区域形成磁流变抛光刷2，接通采用微电机驱动的主轴驱动器16启动抛光主轴1转动，转速为60～3000转/分；
(3)启动数控和伺服系统，工件3由抛光转台12驱动，绕自身对称轴转动，转速为5～300转/分，同时抛光转台12在数控XY工作台14的驱动下在X或Y方向上移动；抛光主轴1在摆动电机9控制和数控Z向工作台8的带动下配合抛光转台12的移动运动，在多自由度联动控制下完成与加工内表面垂直和保持5mm间隙的往复摆动，再结合工件3的自转覆盖和完成整个内凹面的抛光加工；
(4)在启动数控和伺服系统的同时启动磁流变液循环系统，溢出磁流变液5经过循环路径6进入储液槽7，再由磁流变液注入口15进入抛光主轴1，完成循环；其中，循环路径6中采用蠕动泵驱动磁流变液的循环过程，其流量在50mL/min以下连续可调。
实施例2
本实施例中，激励磁极4采用电磁铁形式，可以进一步通过电流控制加工区磁场强度，其它部分的装置结构和加工方法与实施例1相同。
实施例3
本实施例中，主轴驱动器16采用软轴驱动，软轴由外部电机带动以获得较高的转速和驱动力矩。其它部分的装置结构和加工方法与实施例1相同。
Claims (14)
1.用于光学元件的磁场辅助柔性旋转刷抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)工件(3)由工件夹具(11)固定于抛光转台(12)上；抛光主轴(1)的直径为3～8mm，相应产生的磁流变抛光刷(2)的工作面覆盖直径为5～15mm；抛光主轴(1)在加工过程中带动磁流变抛光刷(2)旋转，实现主抛光运动，通过调节转速来调节加工去除率，转速为60～3000转/分；
(2)抛光主轴(1)和工件(3)加工表面之间的区域为磁场强化区，磁场由位于工件(3)加工表面另一侧的激励磁极(4)提供；在激励磁极(4)的磁场激励下，抛光主轴(1)被磁化，使得抛光主轴(1)和工件(3)加工表面之间的空间区域内产生梯度磁场，磁场强度范围为200～3000高斯；
(3)磁流变液进入磁场强化区后产生流变作用，形成类固体状的磁流变抛光刷(2)并由抛光主轴(1)带动转动；磁流变抛光刷(2)内部成链状结构，由磁流变液中的铁粉颗粒在磁场中排列聚集成链而形成，磁流变液中的磨料颗粒受到链化铁粉颗粒的挤压并聚集到加工表面处，同时被磁流变刷的旋转带动在加工表面形成剪切抛光运动；
(4)磁流变液在整个加工过程中保持循环更新，磁流变液从磁流变液注入口(17)进入抛光主轴(1)，在磁场强化区形成磁流变抛光刷(2)，同时由于加工过程中工件的运动，多余的磁流变液从抛光磨头中带出并回收至储液槽(7)中，储液槽(7)中的磁流变液再通过蠕动泵重新注入抛光主轴(1)，参与循环。
2.根据权利要求1所述的用于光学元件的磁场辅助柔性旋转刷抛光方法，其特征在于，所述磁流变液为水基型或油基型；水基磁流变液包含水、羰基铁粉、研磨抛光剂和添加剂，其中水的体积分数为50～60％，羰基铁粉的体积分数为30～40％，研磨抛光剂的体积分数为2～15％，添加剂的体积分数不超过5％；油基磁流变液包含硅油、羰基铁粉、研磨抛光剂和添加剂，其中硅油的体积分数为40～60％，羰基铁粉的体积分数为30～50％，研磨抛光剂的体积分数为2～20％，添加剂的体积分数不超过5％。
3.根据权利要求2所述的用于光学元件的磁场辅助柔性旋转刷抛光方法，其特征在于，所述磁流变液中羰基铁粉的粒度范围为3～10μm。
4.根据权利要求2所述的用于光学元件的磁场辅助柔性旋转刷抛光方法，其特征在于，所述研磨抛光剂包括氧化铝磨料、氧化铈磨料、碳化硅磨料和金刚石微粉。
5.根据权利要求2所述的一种光学元件抛光方法，其特征在于，所述添加剂为聚乙二醇或油酸。
6.用于光学元件的磁场辅助柔性旋转刷抛光装置，其特征在于，抛光转台底座(13)与数控XY工作台(14)固定连接，具有中心孔的抛光转台(12)安装于抛光转台底座(13)上；激励磁极(4)穿过抛光转台(12)中心孔与数控XY工作台(14)固定连接，工件(3)倒置安装固定在工件夹具(11)上，工件夹具(11)与抛光转台(12)固定连接，并保持工件(3)的对称轴和抛光转台(12)的转动中心重合；抛光主轴(1)由主轴驱动器(16)驱动转动，抛光主轴(1)具有中心通孔，磁流变液从磁流变液注入口(15)进入抛光主轴(1)并在另一端受磁场作用形成磁流变抛光刷(2)；摆动电机(9)固定在数控Z向工作台(8)上，并连接同步轮传动装置(10)，抛光主轴(1)与主轴驱动器(16)一同固定在同步轮传动装置(10)上，在加工过程中由摆动电机(9)驱动进行摆动。
7.根据权利要求6所述的用于光学元件的磁场辅助柔性旋转刷抛光装置，其特征在于，所述激励磁极(4)为永磁铁或电磁铁形式，其表面与工件(3)外表面保持0.5～10mm间隙，使得抛光主轴(1)和加工表面之间的空间区域内产生梯度磁场，磁场强度为200～3000高斯。
8.根据权利要求6所述的用于光学元件的磁场辅助柔性旋转刷抛光装置，其特征在于，所述抛光主轴(1)采用铁磁性材料制成，包括：碳素钢、铁、钴、镍及其合金材料；加工过程中保持与加工表面垂直并保持2～10mm的间隙。
9.根据权利要求6所述的用于光学元件的磁场辅助柔性旋转刷抛光装置，其特征在于，所述抛光主轴(1)和磁流变抛光刷(2)相接的端面为锯齿状，以增大旋转时对磁流变抛光刷(2)磨头的附着力。
10.根据权利要求6所述的用于光学元件的磁场辅助柔性旋转刷抛光装置，其特征在于，所述主轴驱动器(16)由微型直流电机或传动软轴来驱动主轴，采用齿轮传动，使得主轴转速在60转/分～3000转/分之间变化。
11.根据权利要求6所述的用于光学元件的磁场辅助柔性旋转刷抛光装置，其特征在于，所述磁流变液的循环路径中采用蠕动泵驱动磁流变液的循环过程，其流量在50mL/min以下连续可调。
12.根据权利要求6所述的用于光学元件的磁场辅助柔性旋转刷抛光装置，其特征在于，所述抛光转台(12)由伺服系统控制，转速范围为5～300转/分。
13.根据权利要求6所述的用于光学元件的磁场辅助柔性旋转刷抛光装置，其特征在于，所述摆动电机(9)为伺服控制电机或高细分步进电机，摆动范围≤180度。
14.根据权利要求6所述的用于光学元件的磁场辅助柔性旋转刷抛光装置，其特征在于，所述抛光装置的运动方式为工件(3)由抛光转台(11)驱动带动工件(3)绕自身对称轴转动，同时转动台可以在数控XY工作台(14)的驱动下在X或Y方向上移动；抛光主轴(1)在摆动控制和Z向工作台(8)的带动下配合转台的移动运动，在多自由度联动控制下完成与加工内表面垂直和保持固定间隙的往复摆动，再结合工件的自转覆盖整个内凹面的抛光加工。
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