CN102441820A - 一种非接触式超声波面形修抛方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及小口径脆性高硬度材料的高精度非球面超声波抛光方法，公开了一种非接触式超声波面形修抛方法及其装置。本发明利用圆形振子产生的超声简谐振动在液体中的传播特性对脆性硬质合金材料进行抛光，能够获得高斯型分布的、稳定的材料去除函数。设定覆盖整个被加工表面的抛光路径后，依据所得到的材料去除函数和被加工面的残余误差确定工具头在抛光路径上各点的驻留时间，编制加工程序，输入数控机床，进行修抛加工。本发明结合数控技术对表面不同区域实现材料去除量的精确控制，可以对各种平面、球面、非球面等光学表面进行面形修正抛光，获得高面形精度的光学表面。

Description

一种非接触式超声波面形修抛方法及装置

技术领域

本发明涉及小口径脆性高硬度材料的高精度非球面超声波抛光技术，属于精密光学加工技术领域。

背景技术

脆性硬质合金材质的小口径高精度非球面模芯是低熔点玻璃热压成型技术中的关键部件，其面形精度直接影响最终的成型光学零件精度。其光学表面的加工工序首先通过精密铣削加工使表面成形，然后进行抛光获得最终的面形精度和达到光学等级的表面光洁度，最后对光学表面镀类金刚石膜层。抛光工序直接影响最终面形和光洁度，是控制面形最为重要的工序。

目前，对脆性硬质合金的抛光主要有以下几种方式：

1、常规研磨抛光：一般使用金刚石研磨膏作为研磨剂采用传统的接触式抛光盘研磨方法进行抛光，通过抛光工具和工件之间的相对移动实现抛光磨料颗粒对表面材料的划擦去除，并采用边抛边检的方法对面形进行修正。对于小口径的非球面模芯来说，由于受抛光盘尺寸影响，难以精确控制各抛光区域内的材料去除量，尤其是口径为毫米量级的高次非球面模芯，很难获得高精度的表面面形。

2、接触式超声波抛光：同样采用金刚石研磨膏作为研磨剂，通过超声波发生器、换能器、变幅杆把超声振动传递到工具头上，工具头对工件施加一定的抛光压力，磨料颗粒受到工具头的高速高频振动的直接锤击不断撞击工件表面，从而实现表面材料去除的目的。这种抛光模式下由于工具头和工件发生接触，抛光过程中的材料去除量的分布和工具头形状有关，工具头形状会被复制。由于抛光过程中磨料颗粒同样会损耗工具头，因而工具头的形状在抛光过程中一直发生变化，其去除函数也一直在发生变化。这种抛光技术目前常见于对表面面形要求不高的模具模芯制造，对于光学应用的小口径非球面模芯这种抛光方法无法实现高精度抛光。

3、二维流体振动超光滑表面抛光设备及其抛光方法：中国发明专利(CN1618568)公开了一种二维流体振动超光滑表面抛光设备及其抛光方法，适用于低成本实现超光滑平面抛光；其步骤包括：将被抛光工件浸泡在抛光液体内并置于密封容器中，容器中施加一定的压力并通过液体传递到工件表面提高抛光效率。设备工作时由浸入式超声波换能器在液体中产生垂直方向的高频液体振动，由机械装置使密封容器产生低频的水平方向振动从而行成两个方向上的综合振动，在振动作用下实现表面材料的去除。该设备还设计的专门的装置使工件可以在抛光液体中进行自转和公转，以保证抛光的均匀性。该抛光方法将抛光分为两级抛光，第一级抛光抛光液中加入精细磨料和化学物质进行粗抛，第二级抛光采用纯液体抛光进行精抛。该发明主要用于平面的超光滑抛光，抛光时整个光学平面都受到液体振动的作用，同时去除材料，由于设备采用了均化处理，理论上来说整个表面的材料去除量应该是一致的。该设备仅适合对各种材料的平面的均匀超光滑抛光，无法实现对表面的局部修抛，无法修正表面面形，其最终面形精度取决于抛光前的表面面形。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适合于脆性硬质材料的小口径高精度非球面面形加工，能实现数控加工的非接触式超声波面型修抛方法及其装置。

实现本发明目的的技术方案是提供一种非接触式超声波面型修抛方法，包括如下步骤：

(1)对被加工表面进行一定时间的非接触式超声波面型修抛加工，检测修抛区域内的材料去除分布，得到被加工材料单点呈高斯型分布的去除函数；所述的非接触式超声波面型修抛加工为：工具头工作面和被加工表面之间充满抛光液，并保持工具头工作面和被加工表面间的间隔距离恒定；

(2)设定覆盖整个被加工表面的修抛路径；

(3)依据所得到的材料去除函数和被加工面的残余误差，确定工具头在修抛路径上各点的驻留时间；

(4)依据修抛路径及路径上各点的驻留时间，编制加工程序，输入数控加工系统，对被加工表面进行非接触式超声波面型修抛加工；

(5)检测修抛后的面形，若未达到要求，则重复步骤(2)～(4)，直至得到满足要求的面形。

所述的抛光液包括纯水与磨料颗粒混合的悬浮液体；所述的磨料颗粒为氧化铝微粉或碳化硼微粉。

工具头工作面和被加工表面的间隔距离为0.1～1mm。

一种实现上述非接触式超声波面型修抛方法的装置，它包括超声波加工系统、数控加工系统和抛光液供给循环系统；所述的超声波加工系统由超升系统夹持装置固定，换能器将超声波发生器产生的超声波信号转换成相同频率的超声机械振动，再通过变幅杆将振幅放大并传递到工具头，由工具头实现超声波修抛；所述的数控加工系统包括数控转台、数控位移台、数控升降台和夹具，待加工工件由夹具夹持，与数控转台和数控位移台连接，由数控位移台和数控转台的运动控制修抛路径，工具头与数控升降台连接，由数控升降台控制工具头工作面和工件表面的间隔；所述的抛光液供给循环系统，抛光液盛于抛光液槽内，由磁力搅拌器搅拌均匀，经潜水泵吸入输送管，通过万向调节喷嘴将抛光液充满工具头工作面和被加工表面之间，抛光液再经抛光液收集槽、抛光液回流管至抛光液槽，循环使用。

所述的工具头为直径0.2～4mm、长度3～7mm的圆柱型铜棒或铝棒。

本发明的原理是：工具头产生的机械超声振动在液体中继续向下传播时引起的质点高频振动促使被加工工件表面附近的磨料颗粒产生同频率的振动并撞击被加工表面产生材料去除。

本发明基于下述原理，可以获得稳定的高斯型分布的去除函数分布：

1、圆盘形工具头做活塞式的超声简谐振动时，其工作面可视作平面圆形振子，即它延平面法线方向作超声简谐振动时，其表面上各点的振动速度和相位都相同。工具头向抛光液中传递超声振动实质是平面圆形振子向半无限大的空间发射超声波。

2、以圆盘中心为坐标系原点，建立柱面坐标系，z轴正方向为超声波传播的半无限大空间。参见附图1，它是本发明所依据的圆形振子向半无限空间发射超声波的原理示意图；如图1所示，取圆盘振子上某点

其面积

其振动传播到空间某点

处时的超声声压可以用下式表示：

$p_{\mathrm{Ni}}=\frac{p_0\mathrm{ds}}{r^{\′}}\sin (\mathrm{\ωt}-{\mathrm{kr}}^{\′})---\left(1\right)$

其中p₀为N点处的初始振幅，ω为角频率，k为波数，t振动的某一时刻，ds为圆盘振子上N点的面积，r′为M_i点到N点的距离，可表示为：

根据惠更斯原理，空间中某点的振动是振源上各点振动传播到该点时振动的叠加，因此M_i点的振动可以表达为：

将第(1)(2)式带入(3)式，得到

该式是在距离振子z_i处的平面面的声压分布表达，p_i是z_i和R_i的函数。由于圆盘振子超声传播的轴对称性，半无限空间中和振子平行的某一平面的同一圆周上具有相同的声压分布，即声压分布具有轴对称性。将上式中所有定量均以1代入，利用数值方法模拟计算2mm直径的超声振子在声场中不同点处的声压幅值分布情况，得到在距离超声振子一定距离的某一平面上超声声压的分布形态。参见附图2和3，分别是距离工具头0.1mm和0.5mm处平面上声压的分布趋势：超声声压在圆形振子的轴线上具有最大值，到振子直径位置附近迅速下降到零，在振子直径以外也有声压分布，但是其量值非常小，可忽略不计。由附图2和3可以看出，其声压分布形态呈高斯型分布。

3、压痕断裂力学相关理论的研究表明，当抛光液特性、磨料特性和被加工工件特性确定时，单颗磨料颗粒一次冲击对材料的去除量和颗粒所处区域的压力成比例关系，非接触式超声波加工中即与该区域的超声声压有关。因此超声抛光中，材料的去除分布应该和超声声压的分布相对应呈现高斯型分布。

4、非接触超声修抛过程中，工具头工作面的微量损耗不会对声压分布产生明显影响，在修抛过程中可以保证去除函数稳定无变化。

与现有技术相比，本发明具有以下显著的优点：

1、本发明依据修抛去除函数呈高斯形型布的特点，所采用的技术方案有利于同数控技术结合对各种类型的光学表面(平面、球面、非球面)进行高精度面形误差修正；

2、本发明所依据的抛光原理不同于接触式超声波抛光，材料去除函数不是简单的工具头形状复制，因而，在抛光过程中工具头发生损耗也不会对去除函数产生明显影响，去除函数稳定，有利于加工精度的稳定，可实现对毫米量级口径的微小模芯进行面形修抛。

附图说明

图1是本发明所依据的圆形振子向半无限空间发射超声波的原理示意图；

图2是本发明原理中工具头在距离工件0.1mm处产生的声压分布模拟图；

图3是本发明原理中工具头在距离工件0.5mm处产生的声压分布模拟图；

图4是本发明实施例提供的非接触式超声波修抛装置的结构示意图；

图中，1、超声波发生器；2、换能器和变幅杆；3、工具头；4、超声系统夹持装置；5、工件；6、夹具；7、数控转台；8、数控位移台；9、数控升降台；10、步进电机控制器；11、工控机；12、磁力搅拌器；13、潜水泵；14、抛光液槽；15、抛光液输送管及万向调节喷嘴；16、抛光液收集槽；17、抛光液回流管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

参见附图4，它是本实施例提供的非接触式超声波修抛装置的结构示意图；该装置由超声波发生器1、换能器和变幅杆2、工具头3组成超声波加工系统，由超升系统夹持装置4固定，换能器将超声波发生器产生的超声波信号转换成相同频率的超声机械振动，再通过变幅杆将振幅放大并传递到工具头，由工具头实现超声波修抛，工具头为直径2mm，长度5mm的圆柱型铜棒；将依据修抛路径及路径上各点的驻留时间所编制的加工程序输入到数控加工系统中的工控机11，通过步进电机控制器10分别控制数控转台7、数控位移台8和数控升降台9运动，工件5由夹具6夹持，并通过夹具与数控转台和数控位移台连接，数控转台和数控位移台的综合运动实现对修抛路径和驻留时间的控制，工具头与数控升降台连接，由数控升降台的运动控制工具头和被加工表面的间距；由磁力搅拌器12、潜水泵13、抛光液槽14、、抛光液输送管及万向调节喷嘴15、抛光液收集槽16、抛光液回流管17组成抛光液的供给循环系统，抛光液盛于抛光液槽内，由磁力搅拌器搅拌均匀，经潜水泵吸入输送管，通过万向调节喷嘴将抛光液充满工具头工作面和被加工表面之间，抛光液再经抛光液收集槽、抛光液回流管至抛光液槽，循环使用。

进行加工时，首先调整工具头工作面和被加工表面间的距离，调整范围为0.5mm，打开超声波信号发生器并调节其输出功率，在本实施例中，超声波信号发生器产生20Khz左右的超声波振动信号，经过换能器和变幅杆转换成机械超声振动并放大传递到工具头上，工具头工作面和被加工表面保持一定的间隔，该间隔可以进行调整；打开磁力搅拌器和潜水泵控制流速约为0.5M3/min，喷嘴出口直径8～10mm，抛光液流出速度约为0.1m/s。将喷流出的抛光液对准工具头工作面并使抛光液充满工具头工作面和工件之间的间隙。本实施例所使用的抛光液为纯水和一定粒度氧化铝微粉或碳化硼微粉按照一定比例混合的悬浮液体，工作时由磁力搅拌器搅拌均匀。

面形修抛时按照下述步骤实施：

1、确定单点去除函数：在进行面形修抛前，对待加工工件的材料首先进行单点去除函数实验，保持工具头和被加工表面间的相对位置不改变，进行一定时间的修抛。检测修抛区域内的材料去除分布，即为这段时间内的单点去除函数，将其除以修抛时间可得到单位时间的单点去除函数。对于同种加工材料，不同的抛光颗粒成分和粒度、抛光液浓度、超声波功率、工具头直径及工具头工作面与工件间隙，会产生不同的高斯型分布去除函数，调整这些参数以获得理想的去除函数。

2、设定修抛路径：在获得理想的去除函数后设定修抛路径。一般修抛路径常为螺旋线式、折线式和随机路径。根据被加工工件实际情况设计合理的修抛路径，要求工具头按照该路径在工件表面运动可以覆盖整个被加工表面，并保持工具头和被加工表面各区域的间隙保持一致。

3、计算驻留时间：根据设计好的修抛路径和被加工面的残余误差(待去除量)计算工具头在路径上各点的驻留时间。

4、依据修抛路径及路径上各点的驻留时间编制加工程序，输入数控加工系统，执行修抛程序。其中，修抛路径控制由数控位移台和数控转台的综合运动实现；工具头工作面和工件表面间隔控制由数控升降台实现。

5、检测修抛后的面形，如未达到要求，则再次实施步骤2、3和4，直至得到满足要求的面形。

Claims (5)

1. 一种非接触式超声波面型修抛方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)对被加工表面进行非接触式超声波面型修抛加工，检测修抛区域内的材料去除分布，得到被加工材料单点呈高斯型分布的去除函数；所述的非接触式超声波面型修抛加工为：工具头工作面和被加工表面之间充满抛光液，并保持工具头工作面和被加工表面间的间隔距离恒定；

(2)设定覆盖整个被加工表面的修抛路径；

(3)依据所得到的材料去除函数和被加工面的残余误差，确定工具头在修抛路径上各点的驻留时间；

(4)依据修抛路径及路径上各点的驻留时间，编制加工程序，输入数控加工系统，对被加工表面进行非接触式超声波面型修抛加工；

(5)检测修抛后的面形，若未达到要求，则重复步骤(2)～(4)，直至得到满足要求的面形。

2. 根据权利要求1所述的一种非接触式超声波面型修抛方法，其特征在于，所述的抛光液包括纯水与磨料颗粒混合的悬浮液体；所述的磨料颗粒为氧化铝微粉或碳化硼微粉。

3. 根据权利要求1所述的一种非接触式超声波面型修抛方法，其特征在于，工具头工作面和被加工表面的间隔距离为0.1～1mm。

4. 一种实现如权利要求1所述的非接触式超声波面型修抛方法的装置，其特征在于，它包括超声波加工系统、数控加工系统和抛光液供给循环系统；所述的超声波加工系统由超升系统夹持装置固定，换能器将超声波发生器产生的超声波信号转换成相同频率的超声机械振动，再通过变幅杆将振幅放大并传递到工具头，由工具头实现超声波修抛；所述的数控加工系统包括数控转台、数控位移台、数控升降台和夹具，待加工工件由夹具夹持，与数控转台和数控位移台连接，由数控位移台和数控转台的运动控制修抛路径，工具头与数控升降台连接，由数控升降台控制工具头工作面和工件表面的间隔；所述的抛光液供给循环系统，抛光液盛于抛光液槽内，由磁力搅拌器搅拌均匀，经潜水泵吸入输送管，通过万向调节喷嘴将抛光液充满工具头工作面和被加工表面之间，抛光液再经抛光液收集槽、抛光液回流管至抛光液槽，循环使用。

5. 根据权利要求4所述的一种非接触式超声波面型修抛装置，其特征在于，所述的工具头为直径0.2～4mm、长度3～7mm的圆柱型铜棒或铝棒。

Images