CN102328259A - 光学元件超光滑表面的抛光装置 - Google Patents

光学元件超光滑表面的抛光装置 Download PDF

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施春燕
徐清兰
范斌
万勇建
伍凡
张亮
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Abstract

本发明公开一种对光学元件超光滑表面抛光的装置，该装置包括剪切射流抛光盘、数控机床、工件装夹平台、浴法射流抛光平台、抛光头控制装置、射流抛光系统和液体管路，通过采用一个剪切射流抛光盘，安装在浴法数控机床上的抛光头上，通过管路与射流抛光系统相连，抛光液从经射流抛光系统的增压系统加速从剪切射流抛光盘射出，在与剪切射流抛光盘下端面紧贴的光学元件表面产生剪切射流，通过射流的剪切作用力实现光学元件的超光滑表面抛光。本发明用于光学玻璃、微晶玻璃、半导体材料及单晶材料的超精密、超光滑抛光。

Description

光学元件超光滑表面的抛光装置
技术领域
本发明属于先进光学制造技术领域，涉及一种浴法剪切射流超光滑表面抛光装置及方法。
背景技术
随着现代科学技术的迅猛发展，特别是航空、航天、国防、军工、信息、微电子与光电子等尖端科学技术的突飞猛进，现代光学系统(如现代短波光学、强光光学等)以及光电子和薄膜科学领域对器件的表面质量要求越来越高，为了满足其性能，要求器件的表面粗糙度都在0.5nm以下，且加工后的表面要求尽可能小的表面疵病与亚表面损伤；如硅表面微小的表面粗糙度都会影响微电子器件的性能，在下一代超大规模集成电路中要求具有完整晶格结构的超光滑表面，为了提高器件集成度，减少光刻线宽，极限紫外线光刻技术将应用于半导体器件加工中，用于该类波长的非球面光学器件不仅要求具有很高的形状精度，而且要求具有极高表面质量的超光滑表面，甚至要求达到原子级的表面粗糙度(≤0.3nm)。因此，超光滑表面是目前精密超精密加工技术领域所面临的巨大挑战。
目前，现有的超光滑抛光方法有传统的抛光技术、弹性发射加工方法和等离子体化学气化抛光加工方法。传统的抛光技术如浴法抛光、浮法抛光等，可以获得很低的表面粗糙度值，但其加工效率极其低下，而且难以实现非球曲面零件的加工。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明的目的是提出一种对光学元件超光滑表面抛光的装置。
为了实现所述目的，本发明提供的对光学元件超光滑表面抛光的装置，所述抛光装置包括剪切射流抛光盘、数控机床、工件装夹平台、浴法射流抛光平台、抛光头控制装置、射流抛光系统和液体管路，其中：剪切射流抛光盘通过抛光头控制装置固定在数控机床上，通过液体管路与射流抛光系统连接，浴法射流抛光平台安装在数控机床上，通过液体管路与射流抛光系统连接，用于回收和循环抛光液，工件装夹平台安装在浴法射流抛光平台里，待抛光工件通过工件装夹平台固定在数控机床上；通过射流抛光系统的增压系统对混有磨料粒子的抛光液加速从剪切射流抛光盘射出，在与剪切射流抛光盘下端面紧贴的光学元件表面产生剪切射流，通过射流的剪切作用力，对光学元件的超光滑表面抛光；从设有容器壁的工件装夹平台中溢出抛光液并流到浴法射流抛光平台上；然后经浴法射流抛光平台底部的出水口通过液体管路回收射流抛光系统中，进行抛光液的循环抛光。
优选实施例：剪切射流抛光盘下端面设有若干个半圆柱槽，每个槽里端有一个直径为Φ0.5mm-2mm的喷嘴，抛光液从喷嘴喷出，经半圆柱槽从待抛光工件壁面流出。
优选实施例：在剪切射流抛光盘没有半圆柱槽的下端面粘贴一层无纺布，无纺布的厚度为0.5mm-1mm；无纺布与待抛光工件紧贴并进行抛光。
优选实施例：在抛光过程中，待抛光工件和剪切射流抛光盘是浸没在抛光液中抛光。
优选实施例：在抛光过程中，待抛光工件在工件装夹平台上绕中心轴旋转，旋转速度为0-720转/分钟。
优选实施例：抛光过程中，剪切射流抛光盘通过抛光头控制装置的控制绕中心轴旋转，旋转速度为0-720转/分钟，旋转方向与待抛光工件的旋转方向相反。
优选实施例：抛光过程中，抛光液通过射流抛光系统的回收装置进行循环利用。
优选实施例：剪切射流抛光盘的口径大小为待抛光工件口径大小的1/5至4/5倍。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明综合与法抛光技术和射流抛光技术，采用剪切射流抛光盘使冲击射流转化为径向流动，消除了射流抛光过程中射流对工件表面的作用，靠径向流动产生的剪切力实现材料的去除，从而实现待抛光元件的超光滑加工。(2)本发明装置结构简单，易于实现，本发明超光滑抛光方法过程容易控制，加工成本低。本发明用于光学玻璃、微晶玻璃、半导体材料及单晶材料的超精密、超光滑抛光。
附图说明
图1为本发明中提到浴法剪切射流超光滑表面抛光装置图；
图2为本发明中提到的剪切射流抛光盘结构图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
该装置通过采用一个剪切射流抛光盘，在与剪切射流抛光盘下端面紧贴的光学元件表面产生剪切射流，通过射流的剪切作用力实现光学元件的超光滑表面抛光。剪切射流抛光盘使抛光液由冲击射流转化为切向流动，靠切向射流流动的剪切力作用实现材料的去除，把待抛光光学元件表面的高点误差“抹平”，从而实现光学元件的超光滑加工。较一般的射流抛光方法的冲击材料去除，浴法剪切射流抛光方法的剪切作用材料去除能获得更高精度的光滑表面，并且结构简单、制造成本低。
本发明的技术解决方案：浴法剪切射流超光滑表面抛光装置包括剪切射流抛光盘、数控机床、待抛光工件、工件装夹平台、浴法射流抛光平台、抛光头控制装置、射流抛光系统和液体管路。其中射流抛光系统包括增压系统和回收系统，通过增压系统使混有磨料粒子的抛光液加速，经管路流到剪切射流抛光盘出口，并从出口高速射出，通过抛光头控制装置固定在数控机床上的剪切射流抛光盘与待抛光工件表面紧贴，使得射流沿剪切射流抛光盘的半圆柱槽流动，抛光液由冲击射流转化为切向流动，靠切向射流流动的剪切力作用实现材料的去除。通过数控机床控制待抛光工件的转速和剪切射流抛光盘的运动旋转，从而实现待抛光元件全口径的超光滑加工。
实施例一：结合图1说明本实施例，浴法剪切射流超光滑表面抛光装置包括剪切射流抛光盘1、数控机床2、待抛光工件3、工件装夹平台4、浴法射流抛光平台5、抛光头控制装置6、射流抛光系统7和液体管路8。
待抛光工件3定位装卡在工件装夹平台4上，工件装夹平台4安装在浴法射流抛光平台5里面，浴法射流抛光平台5安装在数控机床2上，剪切射流抛光盘1通过抛光头控制装置6安装在数控机床2，通过数控指令可实现剪切射流抛光盘1的旋转和空间范围内的移动，剪切射流抛光盘1一端通过液体管路8与射流抛光系统连接，剪切射流抛光盘1底端紧贴待抛光工件3表面。
实施例二：结合图1说明本实施例，本实施方式的数控机床和数控系统选用中科院光电所研发的CCOS800mm抛光机床和数控系统，射流抛光系统为中科院光电所研发的系统，包括增压系统和液体回收循环系统，增压系统包括增压泵和管路控制装置，增压泵可采用液压隔膜计量泵，如prominent Makro/5M5HaH250562型号的隔膜计量泵，管路监测、控制装置包括安全阀、过滤器、球阀、止回阀、阻尼器、压力传感器、流量传感器等，液体回收循环系统包含一个回收容器和一个回收泵，回收泵可采用气动隔膜泵。
实施例三：结合图2说明本实施例，本实施方式的剪切射流抛光盘如图2所示，它有两部分构成：金属抛光盘和无纺布粘贴层，金属抛光盘有4-12个半圆柱沟槽，每个沟槽的里侧有一个口径为0.5-2mm的喷嘴孔；
实施例四，结合图1说明本实施例，本实施例是通过以下步骤实现的：
步骤S1：按具体实施例一固接好各个部件后，把待抛光工件3定位装卡在工件装夹平台4上，调节抛光头控制装置6，使剪切射流抛光盘1与待抛光工件3表面紧贴，紧贴表面缝隙控制在微米级别；
步骤S2：工件装夹平台4充满抛光液，使待抛光工件3剪切射流抛光盘1浸没在抛光液中，通过数控机床2使待抛光工件3随工件装夹平台4旋转，调节转速；
步骤S3：启动射流抛光系统的7的增压系统和回收系统，形成抛光液射流，通过抛光头控制装置6使剪切射流抛光盘1旋转，旋转方向与使待抛光工件3的旋转方向相反；
步骤S4：通过控制一定的工艺参数，如抛光液浓度、抛光时间、剪切射流抛光盘1摆动范围等，从而实现光学元件的浴法剪切射流超光滑表面抛光。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (8)

1.一种对光学元件超光滑表面抛光的装置，其特征在于：所述抛光装置包括剪切射流抛光盘(1)、数控机床(2)、工件装夹平台(4)、浴法射流抛光平台(5)、抛光头控制装置(6)、射流抛光系统(7)和液体管路(8)，其中：剪切射流抛光盘(1)通过抛光头控制装置(6)固定在数控机床(2)上，通过液体管路(8)与射流抛光系统(7)连接，浴法射流抛光平台(5)安装在数控机床(2)上，通过液体管路(8)与射流抛光系统(7)连接，用于回收和循环抛光液，工件装夹平台(4)安装在浴法射流抛光平台(5)里，待抛光工件(3)通过工件装夹平台(4)固定在数控机床(2)上；通过射流抛光系统(7)的增压系统对混有磨料粒子的抛光液加速从剪切射流抛光盘(1)射出，在与剪切射流抛光盘下端面紧贴的光学元件表面产生剪切射流，通过射流的剪切作用力，对光学元件的超光滑表面抛光；从设有容器壁的工件装夹平台(4)中溢出抛光液并流到浴法射流抛光平台(5)上；然后经浴法射流抛光平台(5)底部的出水口通过液体管路(8)回收射流抛光系统中，进行抛光液的循环抛光。
2.根据权利要求1所述的对光学元件超光滑表面抛光的装置，其特征在于：剪切射流抛光盘(1)下端面设有若干个半圆柱槽，每个槽里端有一个直径为Φ0.5mm-2mm的喷嘴，抛光液从喷嘴喷出，经半圆柱槽从待抛光工件(3)壁面流出。
3.根据权利要求2所述的对光学元件超光滑表面抛光的装置，其特征在于：在剪切射流抛光盘(1)没有半圆柱槽的下端面粘贴一层无纺布，无纺布的厚度为0.5mm-1mm；无纺布与待抛光工件(3)紧贴并进行抛光。
4.根据权利要求1所述的对光学元件超光滑表面抛光的装置，其特征在于：在抛光过程中，待抛光工件(3)和剪切射流抛光盘(1)是浸没在抛光液中抛光。
5.根据权利要求1所述的对光学元件超光滑表面抛光的装置，其特征在于：在抛光过程中，待抛光工件(3)在工件装夹平台(4)上绕中心轴旋转，旋转速度为0-720转/分钟。
6.根据权利要求1所述的对光学元件超光滑表面抛光的装置，其特征在于：抛光过程中，剪切射流抛光盘(1)通过抛光头控制装置(6)的控制绕中心轴旋转，旋转速度为0-720转/分钟，旋转方向与待抛光工件(3)的旋转方向相反。
7.根据权利要求1所述的对光学元件超光滑表面抛光的装置，其特征在于：抛光过程中，抛光液通过射流抛光系统(7)的回收装置进行循环利用。
8.根据权利要求1所述的对光学元件超光滑表面抛光的装置，其特征在于：剪切射流抛光盘(1)的口径大小为待抛光工件口径大小的1/5至4/5倍。
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