CN102689246A - 大尺度超精密光学玻璃可控式混合磨料射流抛光装备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种大尺度超精密光学玻璃可控式混合磨料射流抛光设备，其特征在于，包括射流发生与传输系统和机器人可控磨料流体抛光系统。本发明提高了加工精度和加工效率，显著的改善了大玻璃形状精度和粗糙度，去除了亚表面损伤，实现了自由曲面的加工。
Description
技术领域
本发明提供了一种大尺度超精密光学玻璃可控式混合磨料射流抛光设备。
背景技术
随着科学技术的发展，直径或对角线直径1m以上、在1m的范围内，其表面形状精度达到0.8μm，表面粗糙度达到Ra 10nm的大尺度超精密光学玻璃元件(以下简称“大玻璃”)在航空航天、天文和核能源等行业使用更加广泛。为实现上述精度，目前国际主流加工工艺流程为：超精密磨削，可达到平面度1～2μm、表面粗糙度Ra 50-150nm；流体粒子微米级抛光，可达到平面度0.5～1μm、表面粗糙度Ra 20-50nm；纳米级抛光，可达到平面度10～15nm、表面粗糙度Ra 0.5-1nm。在上述几道工序中，处于中间工序的流体粒子微米级抛光效率低、耗时长、又必不可少，是整个工艺过程的瓶颈。
现有的流体粒子微米级抛光方法包括研磨抛光，液体磨料抛光，珩磨抛光，化学机械抛光和水射流抛光。以上方法中，研磨抛光效率低，不适用大批量生产；液体磨料抛光和珩磨抛光只起擦光作用，不易提高表面形状精度，效率低，设备昂贵，成本高；化学机械抛光材料去除率高，但腐蚀设备和环境，耗材消耗快，成本高；水射流成本低，可加工自由曲面，但是不可控，能量损失快，溅射严重，效率低；因此，目前亟需一种高精度、高效率、低成本的流体粒子微米级抛光方法以满足大玻璃加工的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过高速旋转的抛光工具和混合磨料高压射流弹性喷射共同实现对大玻璃的超精密加工的装置，以解决现有的流体粒子微米级抛光设备不能满足大玻璃加工高精度、高效率、低成本要求的问题。
为了达到上述目的，本发明提供了一种大尺度超精密光学玻璃可控式混合磨料射流抛光设备，其特征在于，包括射流发生与传输系统和机器人可控磨料流体抛光系统，所述的射流发生与传输系统包括液压油箱，液压油箱连接第一隔膜泵的吸口，第一隔膜泵的出口连接三位四通电磁阀的P端，三位四通电磁阀的A端、B端分别连接第二高压容器和第一高压容器，第二高压容器内设有第一柔性密封皮囊，第一高压容器内设有第二柔性密封皮囊，第二柔性密封皮囊通过管路与第一二位二通换向阀连接，第一柔性密封皮囊通过管路与第三二位二通换向阀连接，第一二位二通换向阀和第三二位二通换向阀连接第二隔膜泵的出口，第二隔膜泵的吸口连接混合磨料抛光液箱，混合磨料抛光液箱内设有搅拌器，搅拌器连接电机，第一柔性密封皮囊通过管路连接第四二位二通换向阀，第二柔性密封皮囊通过管路连接第二二位二通换向阀，第四二位二通换向阀和第二二位二通换向阀连接节流截止阀，节流截止阀连接喷嘴；所述的机器人可控磨料流体抛光系统包括混合磨料抛光液收集槽，混合磨料抛光液收集槽内设有第一轴向导轨，第一轴向导轨上设有第二轴向导轨，第二轴向导轨上设有转台，转台上设有工作台，工作台上方设有砂轮架以及设于砂轮架内的聚氨酯限控轮，聚氨酯限控轮连接电主轴，电主轴连接六自由度机器人的端部；所述的射流发生与传输系统的喷嘴设于聚氨酯限控轮的一侧。
优选地，所述的混合磨料抛光液收集槽内设有深入其底部的管路，该管路与泵的吸口相连，泵的出口与过滤器连接，过滤器与混合磨料抛光液箱相连。
本发明中使用的混合磨料抛光液可为二氧化铈或金刚石微粒混合磨料抛光液。抛光液配置方法如下：包含磨料，表面活性剂，pH值调节剂以及基载液(去离子水)，各种成分所占质量百分比为磨料10％，表面活性剂0.02-0.05％，pH调节剂2-6％，去离子水为余量。其中：磨料为二氧化铈颗粒或金刚石微粒，粒度根据加工需求选择；表面活性剂为非离子型表面活性剂，脂肪醇聚氧乙烯醚或者烷基醇酰胺等；pH调节剂为氢氧化钾、氢氧化钠或其组合。将上述物质混合搅拌均匀即可。
本发明采用的射流发生与传输方法为：通过液压油挤压柔性密封皮囊中的混合磨料抛光液，通过喷嘴形成高速射流；并且通过两组高压容器、柔性密封皮囊的组合装置差动实现射流的连续稳定；具体阐述即：第一，在其中一罐柔性密封皮囊内充入混合磨料抛光液；第二，在对应高压容器中充入液压油；第三，在压力达到预定值时开启电磁阀，混合磨料抛光液在液压油挤压下从喷嘴喷出，形成射流。同时，混合磨料抛光液被充入到另一罐柔性密封皮囊中备用，待上一罐柔性密封皮囊中混合磨料抛光液即将用尽时，向此次序对应高压容器内充入液压油，此过程通过差动循环依次进行。
本发明采用的机器人控制磨料流体抛光方法为：在稳定射流发生的同时，机器人控制聚氨酯限控轮、喷嘴实现对流体形态的控制与按设定路径运行，达到快速抛光工件的目的。
本发明的加工原理是：如图1所示，本发明在利用混合磨料射流高速冲蚀工件表面，引起材料局部表面形成高度应力集中，产生冲蚀、剪切作用，使材料失效被去除的基础之上，与弹性发射相结合，将流体约束在聚氨酯限控轮与大玻璃表面间微小空间中，在聚氨酯限控轮的驱动及局部流体动压力作用下，形成高能流体速度场，有效的补充和保持材料去除必需的径向剪切力；同时，聚氨酯限控轮与流体及磨粒频繁进行弹性碰撞，充分的利用了磨粒初始动能。混合磨料流体从喷嘴喷出后在一定区域内发生扩散，之后与大玻璃表面发生碰撞，进入聚氨酯限控轮与大玻璃间的高能流体速度场内，磨料颗粒在与聚氨酯限控轮弹性碰撞速度转向时，同时得到了聚氨酯轮旋转驱动及后续流体的推动带来的径向剪切力的补充，再次冲蚀大玻璃表面，之后频繁多次循环进行这一过程，直至脱离聚氨酯限控轮的控制；另有少部分磨料流体仍然按照自由射流形态对大玻璃进行加工，进行一次接触之后便飞溅离开大玻璃表面，这部分流体对加工影响较小。
本发明提出了全新的抛光机理，将混合磨料流体去除材料和弹性发射相结合，极大的提高了抛光效率。通过调整喷射压力、限控轮与大玻璃间距、抛光驻留时间、机器人加工路径等参数提高了表面形状精度；利用微磨料加工提高了大玻璃表面粗糙度；利用射流非接触加工的特征去除前工序产生的亚表面损伤并避免新的亚表面损伤产生；利用计算机控制六自由度机器人，结合电主轴实现了大尺度的自由曲面的抛光。
附图说明
图1为本发明的原理图；
图2为大尺度超精密光学玻璃可控式混合磨料射流抛光设备示意图。
具体实施方式
下面结合实施例来具体说明本发明。
实施例1
如图2所示，为大尺度超精密光学玻璃可控式混合磨料射流抛光设备示意图，所述的大尺度超精密光学玻璃可控式混合磨料射流抛光设备包括射流发生与传输系统和机器人可控磨料流体抛光系统。
所述的射流发生与传输系统包括液压油箱1，液压油箱1固定在平整地面上，液压油箱1连接第一隔膜泵2的吸口，第一隔膜泵2的出口连接三位四通电磁阀4的P端，三位四通电磁阀4的A端、B端分别连接第二高压容器6和第一高压容器5，第二高压容器6内设有第一柔性密封皮囊7，第一高压容器5内设有第二柔性密封皮囊8，第二柔性密封皮囊8通过管路与第一二位二通换向阀9连接，第一柔性密封皮囊7通过管路与第三二位二通换向阀11连接，第一二位二通换向阀9和第三二位二通换向阀11连接第二隔膜泵14的出口，第二隔膜泵14的吸口连接混合磨料抛光液箱13，混合磨料抛光液箱13固定于平整地面，混合磨料抛光液箱13内设有搅拌器26，搅拌器26连接电机27，电机27位于混合磨料抛光液箱13上部，第一柔性密封皮囊7通过管路连接第四二位二通换向阀12，第二柔性密封皮囊8通过管路连接第二二位二通换向阀10，第四二位二通换向阀12和第二二位二通换向阀10连接节流截止阀，节流截止阀之后沿管路接有流量计通向喷嘴15。第一隔膜泵2、三位四通电磁阀4、第一二位二通换向阀9、第二二位二通换向阀10、第三二位二通换向阀11、第四二位二通换向阀12、第一高压容器5、第二高压容器6集成于集成支座上。
射流发生与传输系统的工作原理为：
液压油箱1贮存液压油，第一隔膜泵2提供动力输送液压油，蓄能器3起到稳压作用，三位四通电磁阀4控制油进出第一高压容器5和第二高压容器6，混合磨料抛光液箱13贮存混合磨料抛光液，第二隔膜泵14提供动力输送混合磨料抛光液，第一二位二通换向阀9与第三二位二通换向阀11分别控制流体进入第二柔性密封皮囊8和第一柔性密封皮囊7，第四二位二通换向阀12和第二二位二通换向阀10分别控制第一柔性密封皮囊7和第二柔性密封皮囊8中的混合磨料抛光液流向喷嘴15。集成支座将系统中的装置模块化，便于使用。电机27用来驱动搅拌器26，保持混合磨料抛光液密度均匀、温度不变，喷嘴15是射流的输出端。
所述的机器人可控磨料流体抛光系统包括混合磨料抛光液收集槽23，混合磨料抛光液收集槽23固定于六自由度机器人旁边平整地面上，混合磨料抛光液收集槽23内中心位置基座上设有第一轴向导轨22，第一轴向导轨22上设有第二轴向导轨21，第二轴向导轨21上设有转台18，转台18上设有工作台17，工作台17上方设有砂轮架25以及设于砂轮架25内的聚氨酯限控轮24，砂轮架25与聚氨酯限控轮24安装于电主轴上，聚氨酯限控轮24由电主轴控制运动，电主轴连接六自由度机器人16的端部，六自由度机器人16安装于机器人支座上；所述的射流发生与传输系统的喷嘴15固定于砂轮架25上并设于聚氨酯限控轮24的一侧。所述的混合磨料抛光液收集槽23内设有深入其底部的管路，所述的深入混合磨料抛光液收集槽23底部的管路与泵29的吸口相连，泵29的出口经管路与过滤器21连接，过滤器21通过管路与混合磨料抛光液箱13接口相连。
机器人可控磨料流体抛光系统的工作原理为：
砂轮架25用于保护聚氨酯限控轮24，电主轴驱动聚氨酯限控轮24，六自由度机器人16驱动电主轴等移动，机器人支座放置六自由度机器人16，第一轴向导轨22、第二轴向导轨21分别用于使转台18在水平面内X轴、Y轴方向移动，转台18用于安放工作台17及旋转，工作台17安装大玻璃28，混合磨料抛光液收集槽23收集磨料抛光液，泵29将收集到的混合磨料抛光液抽出经过滤器20过滤后回收到混合磨料抛光液箱13中。
使用上述设备对大玻璃表面按设定路径进行连续抛光时，打开第一二位二通换向阀9，关闭第二二位二通换向阀10，、第三二位二通换向阀11和第四二位二通换向阀12，启动第二隔膜泵14，向第一高压容器5中的第二柔性密封皮囊8中输送混合磨料抛光液，待混合磨料抛光液充满第二柔性密封皮囊8时，关闭第一二位二通换向阀9，同时接通三位四通电磁阀4的P和B，启动第一隔膜泵2，液压油经蓄能器3稳压后从三位四通电磁阀4中进入第一高压容器5中，当第一高压容器5中的压力达到目标压力时，打开第二二位二通换向阀10，混合磨料抛光液经过第二二位二通换向阀10进入喷嘴15，从喷嘴15射向大玻璃28，同时装在六自由度机器人16上的电主轴19带动聚氨酯限控轮24转动，并且六自由度机器人16根据计算机设定的轨迹运动，同时工作台17在第一轴向导轨22和第二轴向导轨21以及转台18的控制下按照计算机设定的轨迹运动，第二柔性密封皮囊8中的混合磨料抛光液进行抛光的同时，第三二位二通换向阀11打开，启动第二隔膜泵14，向第二高压容器6中的第一柔性密封皮囊7中输送混合磨料抛光液，待混合磨料抛光液充满第一柔性密封皮囊7的时候，关闭第三二位二通换向阀11，同时关闭第二隔膜泵14，第一柔性密封皮囊7待用。当第二柔性密封皮囊8中的混合磨料抛光液即将用完的时候，接通P和A，同时关闭第二二位二通换向阀10，打开第一二位二通换向阀9，启动第二隔膜泵14，向第一高压容器5中的第二柔性密封皮囊8中输送混合磨料抛光液，第一高压容器5中多余的液压油通过三位四通电磁阀4的B和T回流到液压油箱1中，待混合磨料抛光液充满第二柔性密封皮囊8时，关闭第一二位二通换向阀9，同时关闭第二隔膜泵14，第二柔性密封皮囊8待用。当第二高压容器6中的压力达到目的值时，打开第四二位二通换向阀12，混合磨料抛光液经过第四二位二通换向阀12进入喷嘴15，从喷嘴15射向大玻璃28。如此循环，在整个工作过程中，混合磨料抛光液收集槽23中的混合磨料抛光液由泵29抽取经过过滤器20过滤后回收到混合磨料抛光液箱13中供循环使用，搅拌器26在电机27的驱动下对混合磨料抛光液箱13中的混合磨料抛光液进行搅拌及冷却。
使用上述方法对大尺寸BK7玻璃样品依次进行粗抛光、半精密抛光和精密抛光。使用的混合磨料抛光液的配制方法为：将磨料10％(质量百分比)、表面活性剂0.03％(质量百分比)，pH值调节剂4％(质量百分比)以及余量的基载液(去离子水)混合搅拌均匀，其中，磨料为二氧化铈颗粒，粒度根据加工需求选择，表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚，pH调节剂为氢氧化钾。聚氨酯限控轮直径400毫米，主轴转速1910r/min，射流喷出压力1Mpa，射流速度40m/s。粗抛光使用粒度为20μm的磨料颗粒配置的抛光液，后测得表面形状精度达到P-V 1μm，表面粗糙度达到Ra 80nm，材料去除率达到5mm3/min。半精密抛光使用粒度为5μm的磨料颗粒配置的抛光液，后测得表面形状精度达到P-V 80nm，表面粗糙度达到Ra 40nm，材料去除率达到2mm3/min。精密抛光使用粒度为80nm的磨料颗粒配置的抛光液，后测得表面形状精度达到P-V 20nm，表面粗糙度达到Ra 3nm，材料去除率达到1mm3/min。
实施例2
如图2所示，为大尺度超精密光学玻璃可控式混合磨料射流抛光设备示意图，所述的大尺度超精密光学玻璃可控式混合磨料射流抛光设备与实施例1相同。
使用上述设备对大玻璃表面的分离高点进行点动式抛光时，打开第一二位二通换向阀9，关闭第二二位二通换向阀10、第三二位二通换向阀11和第四二位二通换向阀12，启动第二隔膜泵14，向第一高压容器5中的第二柔性密封皮囊8中输送混合磨料抛光液，待混合磨料抛光液充满第二柔性密封皮囊8时，关闭第一二位二通换向阀9，同时接通三位四通电磁阀4的P和B，启动第一隔膜泵2，液压油经蓄能器3稳压后从三位四通电磁阀4中进入第一高压容器5中，当第一高压容器5中的压力达到目标压力时，关闭三位四通电磁阀4的P和B，第一轴向导轨22、第二轴向导轨21、工作台17、转台18保持静止，移动六自由度机器人16至指定位置，开启电主轴19带动聚氨酯限控轮24转动，打开三位四通电磁阀4的P和B，打开第二二位二通换向阀10，混合磨料抛光液经过第二二位二通换向阀10进入喷嘴15，从喷嘴15射向被加工高点，加工一定时间后，关闭第二二位二通换向阀10，关闭三位四通电磁阀4的P和B，关闭电主轴19，移动六自由度机器人16至下一指定位置，开启电主轴19带动聚氨酯限控轮24转动，打开三位四通电磁阀4的P和B，打开第二二位二通换向阀10，混合磨料抛光液经过第二二位二通换向阀10进入喷嘴15，从喷嘴15射向被加工高点，依次循环上述程序至各高点，同时开启第三二位二通换向阀11打开，启动第二隔膜泵14，向第二高压容器6中的第一柔性密封皮囊7中输送混合磨料抛光液，待混合磨料抛光液充满第一柔性密封皮囊7的时候，关闭第三二位二通换向阀11，同时关闭第二隔膜泵14，第一柔性密封皮囊7待用，循环此抛光液抽取备用动作。
实施例3
如图2所示，为大尺度超精密光学玻璃可控式混合磨料射流抛光设备示意图，所述的大尺度超精密光学玻璃可控式混合磨料射流抛光设备与实施例1相同。
使用上述设备对大玻璃表面进行整体抛光时，类似于对大玻璃表面按设定路径进行连续抛光，区别在于第一轴向导轨22、第二轴向导轨21固定不动，转台18保持转动，六自由度机器人16带动电主轴19和聚氨酯限控轮24沿大玻璃表面半径方向来回匀速移动。
实施例4
如图2所示，为大尺度超精密光学玻璃可控式混合磨料射流抛光设备示意图，所述的大尺度超精密光学玻璃可控式混合磨料射流抛光设备与实施例1相同。
使用上述设备对大玻璃表面进行沿特定路径抛光时，类似于对大玻璃表面按设定路径进行连续抛光，区别在于：第一轴向导轨22、第二轴向导轨21、转台18保持静止。六自由度机器人16带动电主轴19和聚氨酯限控轮24按照设定路径移动。
实施例5
如图2所示，为大尺度超精密光学玻璃可控式混合磨料射流抛光设备示意图，所述的大尺度超精密光学玻璃可控式混合磨料射流抛光设备与实施例1相同。
使用上述设备对大玻璃表面进行沿特定路径抛光和点动抛光相结合时，将上述的大玻璃表面的分离高点进行点动式抛光方法与对大玻璃表面进行沿特定路径抛光的方法交替实施。
Claims (2)
1.一种大尺度超精密光学玻璃可控式混合磨料射流抛光设备，其特征在于，包括射流发生与传输系统和机器人可控磨料流体抛光系统，所述的射流发生与传输系统包括液压油箱(1)，液压油箱(1)连接第一隔膜泵(2)的吸口，第一隔膜泵(2)的出口连接三位四通电磁阀(4)的P端，三位四通电磁阀(4)的A端、B端分别连接第二高压容器(6)和第一高压容器(5)，第二高压容器(6)内设有第一柔性密封皮囊(7)，第一高压容器(5)内设有第二柔性密封皮囊(8)，第二柔性密封皮囊(8)通过管路与第一二位二通换向阀(9)连接，第一柔性密封皮囊(7)通过管路与第三二位二通换向阀(11)连接，第一二位二通换向阀(9)和第三二位二通换向阀(11)连接第二隔膜泵(14)的出口，第二隔膜泵(14)的吸口连接混合磨料抛光液箱(13)，混合磨料抛光液箱(13)内设有搅拌器(26)，搅拌器(26)连接电机(27)，第一柔性密封皮囊(7)通过管路连接第四二位二通换向阀(12)，第二柔性密封皮囊(8)通过管路连接第二二位二通换向阀(10)，第四二位二通换向阀(12)和第二二位二通换向阀(10)连接节流截止阀，节流截止阀连接喷嘴(15)；所述的机器人可控磨料流体抛光系统包括混合磨料抛光液收集槽(23)，混合磨料抛光液收集槽(23)内设有第一轴向导轨(22)，第一轴向导轨(22)上设有第二轴向导轨(21)，第二轴向导轨(21)上设有转台(18)，转台(18)上设有工作台(17)，工作台(17)上方设有砂轮架(25)以及设于砂轮架(25)内的聚氨酯限控轮(24)，聚氨酯限控轮(24)连接电主轴，电主轴连接六自由度机器人(16)的端部；所述的射流发生与传输系统的喷嘴(15)设于聚氨酯限控轮(24)的一侧。
2.如权利要求1所述的大尺度超精密光学玻璃可控式混合磨料射流抛光设备，其特征在于，所述的混合磨料抛光液收集槽(23)内设有深入其底部的管路，该管路与泵(29)的吸口相连，泵(29)的出口与过滤器(21)连接，过滤器(21)与混合磨料抛光液箱(13)相连。
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