CN102672554B

CN102672554B - 一种小口径光学元件抛光方法及装置

Info

Publication number: CN102672554B
Application number: CN201210168034.2A
Authority: CN
Inventors: 陈逢军
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2012-05-28
Filing date: 2012-05-28
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2032-05-28
Also published as: CN102672554A

Abstract

本发明公开了一种小口径光学元件抛光方法及装置，属于超精密光学抛光加工技术领域，工件待加工面上方固定一个和待加工面形状吻合的带有槽路的限流块，工件绕自身回转轴旋转，利用微细磨粒流体在槽路形成柔性循环抛光带并对工件面进行加工。利用压强差与流体吸出的方式，增强微细磨粒流体的流动性、滑擦性；复合轴对称旋转曲面工件的超声振动，增强微细磨粒对工件的撞击与剪切效果，从而加强材料去除率，高效率地获得高质量的表面，实现表面无损伤的微量去除特点。它适用于各种回转对称光学元件的曲面超精密抛光加工，对于自动化加工有较高的实用价值。

Description

一种小口径光学元件抛光方法及装置

技术领域

本发明属于超精密光学抛光加工技术领域，涉及一种适用于加工小口径光学元件曲面的抛光方法及装置。

背景技术

随着光学、电子、汽车、航空航天等学科的迅速发展，微小轴对称旋转曲面光学透镜在数码相机、照相手机、车用摄像装置、内窥镜、武器瞄准系统等产品中需求量急剧增长，其加工表面质量要求也越来越严格。高质量微小轴对称旋转曲面镜及其模具，要求纳米级的表面粗糙度和极低的亚表面损伤。北京理工大学研制了用于小口径光学曲面加工的直流脉冲式双电极研磨抛光方法，湖南大学开发了微小磁性工具头进行磁流变斜轴抛光方法。但是上述微细结构的电流变或磁流变抛光刷对工件材料去除能力比较弱，存在难以加工到的死角，且流变液在微小槽路中因流动性很差导致剪切应力低，而带来效率过低的问题。

综上所述，针对几毫米以下的小口径轴对称旋转曲面透镜及微细模具的传统超精密抛光方法虽有提升和改进，但仍存在以下问题：1）加工空间狭小，普通的抛光工具难以进入，特别是对于微小复杂曲面、高陡度的凹形光学元件及其模具等。2）抛光精度不高。无论是利用弹性抛光头还是手工抛光轴对称旋转曲面等形状的工件时，表面粗糙度可以得到改善，但是表面质量难以保证均匀，且易在工件表面残留破坏层。3）抛光效率低下。

发明内容

针对现抛光技术存在的上述缺陷，本发明旨在提供一种小口径光学元件抛光装置和利用该装置进行的小口径光学元件抛光方法，该方法首先设计出待加工区域两端的压强差，得到压差效应与吸出效应，使分布均匀的微细磨粒抛光流体在其作用下沿着预先设计的待加工区域表面流动，增加其剪切力，从而对待加工区域表面进行高效率的抛光；在抛光的同时，通过给流动的抛光流体下方的小口径光学元件施加一定频率和振幅的可控振动，形成超声波振动辅助的液体抛光方法及装置。超声振动辅助有助于提高流体中微细磨粒的活性能力，从而增强其滑擦、剪切效果，达到高效率抛光的目的。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种小口径光学元件抛光装置，包括一旋转平台，其结构特点是，所述旋转平台上装有用于上下振动轴对称旋转曲面工件的超声波振动系统；所述轴对称旋转曲面工件装在该超声波振动系统的上端，该轴对称旋转曲面工件上方设有限制微细磨粒流体流量的限流块；所述限流块一侧设有负压槽，该限流块另一侧设有高压槽，所述高压槽通过循环管道与储存微细磨粒流体的储液器的一端连通，所述储液器的另一端通过循环管道与负压槽连通；所述高压槽与储液器之间设有压入泵，所述负压槽与储液器之间设有吸出泵；所述限流块和轴对称旋转曲面工件之间设有连通高压槽和负压槽的抛光槽。

一种利用上述小口径光学元件抛光装置进行小口径光学元件抛光的方法，其工艺流程包括以下步骤：

(1). 将小口径轴对称旋转曲面工件用夹具固定在超声波系统的变幅杆上，调节轴对称旋转曲面工件表面和带有抛光槽的限流块中的调节板表面之间的间隙，一般为0.3mm-1mm；

(2). 在储液器内加入含有微细磨粒的流体，启动储液器中的搅拌装置，使微细磨粒均匀，启动压入泵和吸出泵，微细磨粒流体在压入泵的驱动下经由循环管路、高压槽、抛光槽、负压槽，再通过吸出泵吸出，经由循环管路回到储液器中，在整个加工过程中持续循环流动并不断更新以保持其稳定性；

(3). 启动旋转平台，带动超声波振动系统，驱动轴对称旋转曲面工件旋转；

(4). 启动超声波振动系统中的超声发生器，通过换能器带动变幅杆进行单向超声振动，驱动旋转的轴对称旋转曲面工件同时施加可控频率与振幅的上下方向的超声振动；

(5). 当压入泵与吸出泵运行时，负压槽里压强降低，且小于高压槽内的压强，从而在抛光槽两侧形成压强差，同时在负压槽的低压吸出效应下，含有微细磨粒的流体经过抛光槽从高压槽中压入待加工区域，高速流经其表面，并对其表面进行抛光；同时，其下端的旋转轴对称旋转曲面工件，在垂直方向上超声振动的作用下，将超声波振动能传递给流体及其所含的微细磨粒，提高微细磨粒的活动能力，微细磨粒与加工表面的接触机会增多，相对速度增大，增强其剪切能力，并带来空化效应，实现高效率的抛光。

以下对本发明做进一步的描述。

所提供的这种小口径光学元件抛光方法，包括以下步骤：

(1) 将小口径轴对称旋转曲面工件21用夹具固定在超声波系统2的变幅杆22 上，调节工件轴对称旋转曲面和带有槽路的限流块1中的调节板11之间的间隙在0.3mm-1mm 的范围内，限流块1中的前挡块12和后挡块13的外表面与待加工的轴对称旋转曲面形状吻合，使调节板11与轴对称旋转曲面中间形成微小的抛光槽14；

(2) 在储液器34内加入适量的微细磨粒流体37，启动中的储液器搅拌装置，启动压入泵35和吸出泵32 , 微细磨粒流体37在压入泵35的驱动下经由循环管路33、高压槽36、抛光槽14、负压槽31，再通过吸出泵32吸出，经由循环管路3回到储液器34中，在整个加工过程中持续循环流动；

(3) 启动旋转平台4，带动超声波振动系统2，驱动轴对称旋转曲面工件21旋转；

(4) 启动超声波振动系统2中的超声发生器24，通过换能器23能量的转换与激励，带动变幅杆22进行单向超声振动，从而驱动旋转的轴对称旋转曲面工件同时也进行上下超声振动；

(5) 当压入泵35与吸出泵32运行时，负压槽31里压强非常低，且小于高压槽36内的压强，从而在微小抛光槽14两侧形成较高的压强差。同时在负压槽31的低压吸出效应下，微细磨粒流体37以一定速度经过微小的抛光槽14从高压槽36中被压入及吸出到负压槽31中。通过旋转轴对称旋转曲面工件21，并复合垂直方向上超声振动，使微细磨粒37流体与工件21间产生剪切与空化效应，增强抛光槽中流体抛光带的滑擦效果，从而去除工件表面，以获得超光滑的表面，并降低表面/亚表面缺陷。

所述微细磨粒流体由微细超硬磨粒体积分数20-30%、体积分数净洗剂2%-5%、基液体积分数50-60%、抗静电剂体积分数2-5%、稳定剂体积分数2-5%等成分组成。所述基液为水基或油基；所述微细磨粒包括氧化铝磨料、氧化饰磨料、碳化硅磨料和金刚石微粉。

本发明还提供了相应的小口径光学元件抛光装置，其特征是，超声波振动系统2与旋转平台4固定连接；轴对称旋转曲面工件21底部安装在变幅杆22上进行上下振动，轴对称旋转曲面工件21的上端通过下密封装置39与高压槽36及负压槽31连接，工作旋转与振动时保持密封效果；限流块1通过上密封装置38与高压槽36及负压槽31连接，前挡块12与后挡块13的底部曲面与轴对称旋转曲面工件21的曲面配合，通过调整调节板11的上下位置调节抛光槽14的高度；所述轴对称旋转曲面工件21为凹面工件或凸面工件。

所述微细磨粒流体37存于储液器34中，内部装有搅拌器；循环管路33分为四段分别固定连接于负压槽31和吸出泵32之间，吸出泵32和储液器34之间，储液器34和压入泵35之间，压入泵35和高压槽中间。

由轴对称旋转曲面工件21和限流块1的间空隙形成的微小抛光槽14，负压槽31，吸出泵32，循环管路33，储液器34，压入泵35，高压槽36，上密封装置38和下密封装置构成整个微细磨粒流体循环系统3。

所述输送泵8 为变量泵，控制循环管路中的流速和压力。

所述前挡块12和后挡块13下端的外表面与待加工工件表面形状吻合。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用微细磨粒流体形成柔性循环抛光带在工件面进行加工，利用压强差与流体吸出的方式，增强微细磨粒流体的流动性、滑擦性；利用轴对称旋转曲面工件的超声振动，增强微细磨粒对工件的撞击、剪切效果，从而加强材料去除率，高效率地获得高质量的表面，实现表面无损伤的微量去除特点。它适用于各种回转对称光学元件的曲面抛光加工，对于自动化加工有很高的实用价值。解决微小轴对称旋转曲面抛光中存在的工具头或柔性抛光头难以进入加工区、表面/亚表面质量难以保证、抛光效率低下的问题。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

附图说明

图1是本发明所述抛光装置一种实施例的结构示意图；

图2是本发明所述限流块装置的结构示意图；

图3是本发明所述小口径凹面光学元件的示意图；

图4是本发明所述抛光装置另一种实施例的结构示意图。

在图中：

1—限流块， 11—调节板， 12—前挡块， 13—后挡块， 14—抛光槽，

2—超声振动系统， 21—小口径光学元件， 22—变幅杆， 23—换能器，

24—超声波发生器， 3—微细磨粒流体循环装置， 31—负压槽， 32—吸出泵，

33—循环管道， 34—储液器， 35—压入泵， 36—高压槽，

37—微细磨粒流体， 38—上密封装置， 39—下密封装置， 4—旋转平台。

具体实施方式

实施例1

一种小口径光学元件抛光装置，如图1所示，包括由轴对称旋转曲面工件21和限流块1的凹面形成的微小抛光槽14，负压槽31，吸出泵32，循环管路33，储液器34，压入泵35，高压槽36，上密封装置38和下密封装置构成整个微细磨粒流体循环系统3；超声波振动系统2与旋转平台4固定连接；轴对称旋转曲面工件21底部安装在变幅杆22上进行上下振动，轴对称旋转曲面工件21的上端通过下密封装置39与高压槽36及负压槽31连接，工作旋转与振动时保持密封效果；限流块1通过上密封装置38与高压槽36及负压槽31连接，如图2和3所示，所述前挡块12与后挡块13的底部曲面与轴对称旋转曲面工件21的曲面配合，通过调整调节板11的上下位置调节抛光槽14的高度；微细磨粒流体37存于储液器34 中，内部装有搅拌器；循环管路33分为四段分别固定连接于负压槽31和吸出泵32之间，吸出泵32和储液器34之间，储液器34和压入泵35之间，压入泵35和高压槽中间；压入泵35和吸出泵32为变量泵，压入泵压力小于10MPa，吸出泵压力小于0.1MPa，加工过程中管道流速为小于1.5m/s。

实施例所用的微细磨粒流体由体积分数30%的0.5μm径粒的金刚石磨粒、体积分数4%的净洗剂、体积分数60%的水基液、体积分数2%的抗静电剂、体积分数4%稳定剂组成。

利用上述装置对小口径光学元件凹面进行抛光加工的步骤为：

(1) 将小口径轴对称旋转凹面工件21用夹具固定在超声波系统2的变幅杆22上，调节工件轴对称旋转凹面和带有槽路的限流块1中的凸形调节板11之间的间隙在0.3mm-1mm 的范围内，限流块1中的前挡块12和后挡块13的凸表面与待加工的轴对称旋转曲面的凹面形状吻合，使调节板11与轴对称旋转曲面中间形成微小的抛光槽14；

(2) 在储液器34内加入适量的微细金刚石磨粒流体37，启动中的储液器搅拌装置，启动压入泵35和吸出泵32 , 微细磨粒流体37在压入泵35的驱动下经由循环管路33、高压槽36、抛光槽14、负压槽31，再通过吸出泵32吸出，经由循环管路3回到储液器34中，微细磨粒流体在整个加工过程中持续循环流动；

(3) 启动旋转平台4，驱动超声波振动系统2转动，从而带动轴对称旋转曲面工件21旋转。

(4) 启动超声波振动系统2中的超声发生器24，通过换能器23的能量转换与激励，驱动变幅杆22进行单向超声振动，从而驱动旋转的轴对称旋转曲面工件进行上下超声振动；

(5) 当压入泵35与吸出泵32运行时，负压槽31里压强P 1非常低，且小于高压槽36内的压强P2，从而在微小抛光槽14两侧形成较高的压强差（P2-P1）。同时在负压槽31的低压吸出效应下，微细磨粒流体37以一定速度经过微小的抛光槽14从高压槽36中被压入及吸出到负压槽31中。通过旋转轴对称旋转曲面工件21，并复合垂直方向上超声振动，使微细磨粒37流体与工件21间产生剪切与空化效应，增强流体的滑擦效果，从而通过抛光槽14形成的抛光带去除工件表面，以获得超光滑的表面，降低表面/亚表面缺陷。

实施例2

一种小口径光学元件抛光装置，参见附图4，本实施例中，将小口径轴对称旋转凸面工件21用夹具固定在超声波系统2的变幅杆22上，调节工件轴对称旋转凸面和带有槽路的限流块1中的凹形调节板11之间的间隙在0.3mm-1mm 的范围内，限流块1中的前挡块12和后挡块13的凹表面与待加工的轴对称旋转曲面的凸面形状吻合，使调节板11与轴对称旋转曲面中间形成微小的抛光槽14；其它部分的装置结构和加工方法与实施例1 相同。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本中请所附权利要求所限定的范围。

Claims

1. 一种小口径光学元件抛光装置，包括一旋转平台（4），其特征是，所述旋转平台（4）上装有用于上下振动轴对称旋转曲面工件（21）的超声波振动系统（2），所述轴对称旋转曲面工件（21）装在该超声波振动系统（2）的上端，该轴对称旋转曲面工件（21）上方设有限制微细磨粒流体（37）流量的限流块（1）；所述限流块（1）一侧设有负压槽（31），该限流块（1）另一侧设有高压槽（36），所述高压槽（36）通过循环管道（33）与储存微细磨粒流体（37）的储液器（34）的一端连通；所述储液器（34）的另一端通过循环管道（33）与负压槽（31）连通；所述高压槽（36）与储液器（34）之间设有压入泵（35）；所述负压槽（31）与储液器（34）之间设有吸出泵（32）；所述限流块（1）和轴对称旋转曲面工件（21）之间设有连通高压槽（36）和负压槽（31）的抛光槽（14）；

所述超声波振动系统（2）的结构为，固定在旋转平台（4）上的超声波发生器（24）与固定在旋转平台（4）上的换能器（23）相连，所述换能器（23）上端设有变幅杆（22），所述轴对称旋转曲面工件（21）装在该变幅杆（22）上端，所述轴对称旋转曲面工件（21）为凹面工件或凸面工件；

所述限流块（1）包括调节板（11），该调节板（11）一侧为前挡块（12），该调节板（11）另一侧为后挡块（13），该调节板（11）可相对前挡块（12）和后挡块（13）上下移动，该调节板（11）下端与轴对称旋转曲面工件（21）的上端、前挡块（12）、后挡块（13）之间形成所述抛光槽（14）；

所述前挡块（12）与后挡块（13）的底部为曲面，且与轴对称旋转曲面工件（21）的曲面配合；

所述抛光槽（14）、负压槽（31）、吸出泵（32）、循环管路（33）、储液器（34）、压入泵（35）、高压槽（36）构成整个微细磨粒流体循环系统（3）。

2.根据权利要求1所述的小口径光学元件抛光装置，其特征是，所述轴对称旋转曲面工件（21）与高压槽（36）、负压槽（31）之间均设有下密封装置（39）；所述限流块（1）与高压槽（36）、负压槽（31）之间均设有上密封装置（38）。

3.根据权利要求1所述的小口径光学元件抛光装置，其特征是，所述储液器（34）内部装有搅拌器。

4. 一种利用权利要求1~3之一所述的小口径光学元件抛光装置进行小口径光学元件抛光的方法，其特征是，包括以下步骤：

将小口径轴对称旋转曲面工件（21）用夹具固定在超声波系统（2）的变幅杆（22）上，调节轴对称旋转曲面工件（21）的轴对称旋转曲面和带有抛光槽（14）的限流块（1）中的调节板（11）之间的间隙为0.3mm-1mm；

在储液器（34）内加入微细磨粒流体（37），启动储液器（34）中的搅拌装置，启动压入泵（35）和吸出泵（32），微细磨粒流体（37）在压入泵（35）的驱动下经由循环管路（33）、高压槽（36）、抛光槽（14）、负压槽（31），再通过吸出泵（32）吸出，经由循环管路（33）回到储液器（34）中，在整个加工过程中不停循环流动；

启动旋转平台（4），带动超声波振动系统（2），驱动轴对称旋转曲面工件（21）旋转；

启动超声波振动系统（2）中的超声发生器（24），通过换能器（23）带动变幅杆（22）进行单向超声振动，驱动旋转的轴对称旋转曲面工件（21）同时也进行上下超声振动；

当压入泵（35）与吸出泵（32）运行时，负压槽（31）内压强降低，且小于高压槽（36）内的压强，从而在抛光槽（14）两侧形成压强差，同时在负压槽（31）的低压吸出效应下，微细磨粒流体（37）经过抛光槽（14）从高压槽（36）中被压入及吸出到负压槽（31）中，通过旋转轴对称旋转曲面工件（21），并复合垂直方向上的超声振动，使微细磨粒流体（37）与轴对称旋转曲面工件（21）间产生剪切与空化效应，获得光滑的表面，并降低亚表面缺陷。

5.根据权利要求4所述的小口径光学元件抛光方法，其特征是，所述微细磨粒流体（37）由微细超硬磨粒体积分数20%-30%、净洗剂体积分数2%-5%、基液体积分数50%-60%、抗静电剂体积分数2%-5%、稳定剂体积分数2%-5%成分组成，各组分体积百分比之和为100%；所述基液为水基或油基；所述微细超硬磨粒包括氧化铝磨料、氧化铈磨料、碳化硅磨料和金刚石微粉。