CN102765012A - 基于电流变液的柔性可控气囊抛光工具 - Google Patents

Abstract

本发明为基于电流变液的柔性可控气囊抛光工具，基底为具有一凹形空腔且下端开口的刚性圆柱体结构；其外上部通过连接件和转轴相连获得驱动力；中空气囊粘接于基底外侧壁上；凹形空腔内壁上绝缘固接两电极板且呈八字形排布并由转轴内的导线提供电源；中空气囊内填充电流变液；被抛光工件的上表面置于中空气囊下表面且紧密贴合；本发明抛光方法：当抛光层和工件上表面紧密接触时，不对电极板通电，电流变液呈现液态，抛光层产生变形并与所述工件的面形吻合；对电极板通电，电流变液将从液态变为粘稠状或固态，则抛光层表面形状被固定下来，实现抛光层对所述工件局部面形的记录，保证抛光曲率半径恒定区域的面形精度，控制所述工件的材料去除量。

Description

基于电流变液的柔性可控气囊抛光工具

技术领域

本发明属于先进光学制造领域，具体涉及的是一种电流变式柔性可控气囊抛光工具。

背景技术

现代光学系统对光学元件表面质量提出了极其严格的要求，武器装备、空间观测、激光核聚变、极紫外光刻等不仅要求光学元件具有极高的面形精度，同时也要对全频段误差分布做出严格的控制。目前的计算机控制光学表面成形技术(CCOS)与传统技术相比能大大提高加工效率，且具有设备简单、造价低廉等优势，逐渐成为加工非球面的主要方法。但是由于其采用的刚性小磨头与被加工零件表面不吻合及其子口径修磨加工特性等原因，导致CCOS技术加工出的光学元件表面通常带有明显的中频误差(波纹度误差)。这种误差会使光线发生小角度散射，从而使成像产生耀斑，严重影响像的对比度。因此研究抑制CCOS技术产生的中高频误差的方法便成为光学加工界普遍关注的课题。

20世纪70年代初，Itek公司的W.J.Rupp率先提出CCOS技术思想，并由R.A.Jones设计完成了世界上第一台计算机控制抛光机。这种技术采用比被加工元件尺寸小得多的柔性抛光工具(一般是工件的1/8-1/15)，根据干涉仪等光学表面面形检测仪器测得的面形数据，建立加工过程的控制模型，选择合适的抛光参数，在计算机控制下按照一定的路径和相应的磨头驻留时间来加工工件表面，使其面形向理想形状收敛。正是在这种技术思想的引导下，世界各个发达国家开始研究不同形式的CCOS技术，目前主要有气囊抛光(air sac polishing)、射流抛光(fluent jet polishing)、磁流变抛光(magnetorheological finishing)、离子束抛光(ion beam finishing)。在实际加工非球面光学元件的过程中，这几种加工技术能大大提高加工效率，但同时也存在中高频误差，以刚性小磨具抛光最为严重。

自CCOS技术诞生之初，研究人员就已经意识到该技术在抛光加工中带来的中高频误差。1990年Pravin K.Mehta等发表文章提出flexiblepolishing tools(柔性抛光工具)，以弹性力学为理论基础分析了柔性抛光工具的受力分布和弹性变形情况，拟解决传统刚性小磨头与抛光工件面形不吻合及受力不均匀等问题。其论文中大量的理论分析、有限元仿真为研究新型抛光小磨具做了开创性的工作。基于Pravin K.Mehta等人的研究，亚利桑那大学的Michael T.Tuell和James H.Burge等人进一步提出semi-flexible tool(被动半刚性盘)。这种被动半刚性盘由刚性基底、变形层、金属薄板以及抛光层构成，之所以采用这种特殊的夹层式结构，是为了使磨盘在具有足够的刚度的同时，又能按照工件的面形被动变形，这样才能在尽量不破坏原有面形的同时，尽可能去除中频误差。在被动半刚性磨盘中，刚性基底用于传递外加载荷，变形层则保证了金属薄板被动变形的可达性。利用这种抛光盘对镜面进行平滑处理，对中频误差有一定抑制作用。但磨盘本身无法主动控制变形、弹性模量等参数，限制了其进一步广泛应用。近年来，亚利桑那大学的Dae Wook Kim等在前人工作基础上，从材料力学角度出发采用一种非牛顿流体材料，设计出一种新型抛光工具visco-elastic polishing tool(粘弹性抛光工具)。这种抛光工具采用和被动半刚性磨盘类似的结构，只是将变形层的材料改为非牛顿流体。该非牛顿流体对作用时间长的力可以保持其流体的柔性，而对于作用时间短的力则表现出类似薄板一样的刚性。以此非牛顿流体为变形层，抛光盘能对中高频误差保持较高的刚性，从而实现特定频率误差去除，对于低频面形抛光盘又具有很好的变形能力，从而保持镜面原有面形不变。

以上所述的各种不同小磨具抛光磨盘设计方法，旨在小磨具的柔性和刚性之间寻求一个平衡点，以达到去除镜面中频误差的同时又能很好的保持其原始面形不变。然而无论是采用被动半刚性盘或是使用非牛顿流体，小磨具磨盘自身的刚性都不是可控变化的，从而降低了小磨具对各种不同面形的适应能力，限制了其抑制中频误差能力。本发明在上述各种抛光盘的设计基础之上，结合材料力学、电磁学和现有的几种CCOS加工方法，设计出一种以电流变液为可控变形层的柔性可控气囊抛光工具。

发明内容

为了解决小磨具抛光时与工件表面不吻合、受力不均匀的问题，有效抑制传统刚性小磨具抛光带来的严重的中频误差或称波纹度误差，本发明提供一种基于电流变液的柔性可控气囊抛光工具及实现抛光的方法。

为实现本发明的目的，本发明的第一方面是提供基于电流变液的柔性可控气囊抛光工具包括：

一基底，其是设有下部开口的中空柱体，其上具有外壁、轴孔、内壁，在基底上部的中心位置处设置轴孔；

一连接件，具有一连接轴孔，连接件置于基底的上部且固定连接；

一转轴，其一端安置在连接件的连接轴孔和基底的轴孔中并形成上端封闭、下部开口的一凹形空腔；转轴的另一端连接机床的动力轴，用于驱动转轴旋转；

两个电极板，其对称并绝缘固接于凹形空腔的内壁上，并通过转轴内部的通电导线提供电源；

一中空气囊部件，其设有上部开口、中空气囊、加强层和抛光层，基底的外壁紧密嵌设于中空气囊部件的加强层中，基底的上部与中空气囊部件的上部开口对齐，中空气囊底部位于加强层的表面上，且中空气囊的上部边缘粘接于基底的下部开口上，使中空气囊的上部与凹形空腔形成一密封空腔；抛光层在转轴的压力控制下与被抛光工件上表面的A位置紧密接触，并对被抛光工件进行抛光；

电流变液，密封于中空气囊部件的中空气囊的空腔中，两个电极板产生的电场，用于使电流变液从液态到固态连续变化形成可控变形层；

一外围电路，与两个电极板连接，控制两个电极板间电场的大小，调节控制电流变液的弹性模量。

为实现本发明的目的，本发明的第二方面是提供一种基于电流变液的柔性可控气囊抛光工具的抛光方法，其步骤包括如下：

步骤S1：柔性可控气囊抛光工具接触被抛光工件表面A位置时，转轴夹持在机床的动力转轴上获得驱动力，驱动基底旋转；

步骤S2：由外围电路控制两个电极板间电场E₀的大小，调节电流变液的弹性模量即刚度G；所述电流变液的弹性模量与临界电场E_c及外加电场强度E₀的电场关系为：

G＝90φε_f(Γ/Ac)^0.1(E_c/E₀)^0.9E₀ ²

其中φ为电流变液导电颗粒的体积含量，ε_f为电流变液载液的介电常数，Γ＝σ_ρ/σ_f(0)，Γ为导电颗粒和载液的电导率之比，σ_ρ为导电颗粒的电导率，σ_f(0)为载液未加电场时的导电率，Ac＝0.007为常数，E_c为电流变液发生流变现象的临界电场，E0为外加电场强度；

步骤S3：利用中空气囊部件的抛光层在转轴的压力控制下与被抛光工件上表面的A位置处紧密接触，并对被抛光工件上表面的A处进行抛光；A位置处的材料去除量满足如下方程：

$\mathrm{\Δz}(x,y)=k{\∫}_0^{\∞}P(x,y,t)V(x,y,t)\mathrm{dt}$

以被抛光工件上中心点或对称点为原点建立直角坐标系，其中x，y表示A位置在被抛光工件表面的坐标，Δz(x，y)为材料去除量，k是除了压力、速度因素影响外的加工过程的比例常数，P(x，y，t)表示抛光层与被抛光工件间的相对压力，V(x，y，t)表示抛光层与被抛光工件之间的相对运动速度，t表示时间；

步骤S4：对两个电极板不通电，电流变液呈现液态，电流变液则产生变形并与被抛光工件上表面的A位置处的面形吻合；

步骤S5：对两个电极板通电，电流变液将从液态变为粘稠状或固态，则电流变液形状被固定下来，实现电流变液对被抛光工件局部区域面形的记录，利用电流变液的仿形记录功能对被抛光工件的多个局部区域进行抛光，保证抛光曲率半径恒定区域的面形精度；而通过在线控制电流大小调节电流变液的弹性模量(刚度)能灵活控制被抛光工件的材料去除量，材料去除量满足步骤3中方程；所述柔性可控气囊抛光工具继续移动到被抛光工件表面B位置处重复执行步骤S1，直至所述柔性可控气囊抛光工具按照N个位置的抛光轨迹移动，实现对整个被抛光工件的抛光。

本发明与现有技术相比的优势表现在：

1)通过控制电极板上电压大小改变电流变液弹性模量(柔性)的方式实现了气囊抛光工具的柔性智能可控；

2)调节电极板上电压，可以控制中空气囊的抛光层的柔度，抛光层与被抛光工件接触面积大小可控，抛光效率高；

3)通过控制电极板上电压，可以精确控制局部抛光的材料去除量，进行局部面形精确修正。

4)调节电极板上电压，可以保证整个抛光接触区域的受力分布均匀且稳定，有效解决了机床扫描抛光时由于压力分布不均匀及不稳定带来被抛光工件的材料去除量的不稳定性。

附图说明

图1是本发明电流变式柔性可控气囊抛光工具的主视图。

图2是本发明中电极板的俯视图。

图3是本发明中空气囊的结构立体图。

图4是本发明抛光方法的流程图。

部件标号说明：

转轴1，                    连接件2，

基底3，                    外壁31，

轴孔32，                   内壁33，

凹形空腔34，               电极板4、5，

电极板上端点41、51，       电极板下端点42、52，

中空气囊部件6，            中空气囊61，

加强层62，                 抛光层63，

电流变液7，                被抛光工件8。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1示出一种基于电流变液的柔性可控气囊抛光工具，包括转轴1、连接件2、刚性金属或合金基底3、电极板4和5、中空气囊部件6、电流变液7及被抛光工件8，其中：

一基底3，其是设有下部开口的中空柱体，其上具有外壁31、轴孔32、内壁33，在基底3上部的中心位置处设置轴孔32；

一连接件2，具有一连接轴孔，连接件2置于基底3的上部且固定连接；

一转轴1，其一端安置在连接件2的连接轴孔和基底的轴孔32中并形成上端封闭、下部开口的一凹形空腔；转轴1的另一端连接机床的动力轴，用于驱动转轴1旋转；

两个电极板4和5，其对称并绝缘固接于凹形空腔的内壁上，并通过转轴1内部的通电导线提供电源；

一中空气囊部件6，其设有上部开口、中空气囊61、加强层62和抛光层63，基底的外壁31紧密嵌设于中空气囊部件6的加强层62中，基底3的上部与中空气囊部件6的上部开口对齐，中空气囊61底部位于加强层的表面上，且中空气囊61的上部边缘粘接于基底3的下部开口上，使中空气囊61的上部与凹形空腔34形成一密封空腔；抛光层63在转轴1的压力控制下与被抛光工件8上表面的A位置紧密接触，并对被抛光工件8进行抛光；

电流变液7，密封于中空气囊部件6的中空气囊61的空腔中，两个电极板4和5产生的电场，用于使电流变液从液态到固态连续变化形成可控变形层；

一外围电路，与两个电极板4和5连接，控制两个电极板4和5间电场的大小，调节控制电流变液7的弹性模量。

所述基底3为金属或合金材质的刚性基底。

如图1及图3示出本发明中空气囊部件6的结构，中空气囊61为半球状囊体。所述中空气囊部件6为多层复合材料的部件，其中中空气囊61的材料为橡胶、加强层为62高韧性纤维布、抛光层63为聚氨酯抛光垫。

所述两个电极板4和5为金属电极板且呈八字形排布，用于得到弧形电场分布。

所述密封空腔，用于调节中空气囊的压强。

所述中空气囊61，用于密封电流变液。

图1中及图2示出本发明中电极板4，电极板4具有一上端点41、电极板5具有一上端点51，分别绝缘固接于转轴1两侧的凹形空腔34的内壁33的顶部；电极板4具有一下端点42、电极板5具有一下端点52，分别绝缘固接于凹形空腔34的内壁33两侧的底部。

如图4示出本发明基于电流变液的柔性可控气囊抛光工具的实现方法的流程图，其步骤包括如下：

步骤S1：柔性可控气囊抛光工具接触被抛光工件表面A位置时，转轴1夹持在机床的动力转轴上获得驱动力，用于驱动基底3旋转；

步骤S2：由外围电路控制电极板4、5间电场E₀的大小，调节电流变液7的弹性模量即刚度G；电流变液7的弹性模量量与临界电场E_c及外加电场强度E₀的关系为：

G＝90φε_f(Γ/Ac)^0.1(E_c/E₀)^0.9E₀ ²

其中φ为电流变液7导电颗粒的体积含量，ε_f为电流变液7载液的介电常数，Γ＝σ_ρ/σ_f(0)，Γ为导电颗粒和载液的电导率之比，σ_ρ为导电颗粒的电导率，σ_f(0)为载液未加电场时的导电率，Ac＝0.007为常数，E_c为电流变液发生流变现象的临界电场，E₀为外加电场强度。

步骤S3：利用中空气囊部件6的抛光层63在转轴1的压力控制下与被抛光工件8上表面的A位置处紧密接触，并对被抛光工件8上表面的A位置处进行抛光；A位置处的材料去除量满足如下方程：

$\mathrm{\Δz}(x,y)=k{\∫}_0^{\∞}P(x,y,t)V(x,y,t)\mathrm{dt}$

以被抛光工件8上中心点或对称点为原点建立直角坐标系，其中x，y表示A位置在被抛光工件表面的坐标，Δz(x，y)为材料去除量，k是除了压力、速度因素影响外的加工过程的比例常数，P(x，y，t)表示抛光层63与被抛光工件8间的相对压力，V(x，y，t)表示抛光层63与被抛光工件8之间的相对运动速度，t表示时间；

步骤S4：对电极板4、5不通电，电流变液7呈现液态，电流变液7则产生变形并与被抛光工件8上表面的A位置处的面形吻合；

步骤S5：对电极板4、5通电，电流变液7将从液态变为粘稠状或固态，则电流变液7表面形状被固定下来，实现电流变液7对被抛光工件8局部区域面形的记录，利用电流变液7的仿形记录功能对被抛光工件8的多个局部区域进行抛光，保证被抛光工件8抛光曲率半径恒定区域的面形精度。而通过在线控制电流大小调节电流变液7弹性模量即刚度，可以灵活控制被抛光工件8的材料去除量，材料去除量满足步骤3中方程；进行局部面形精确修正。所述柔性可控气囊抛光工具位置继续移动到被抛光工件8表面的B位置处重复执行步骤S1，直至柔性可控气囊抛光工具按照N个位置的抛光轨迹移动，实现对整个被抛光工件8的抛光。

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 (9)

1.一种基于电流变液的柔性可控气囊抛光工具，其特征在于包括：

一基底，其是设有下部开口的中空柱体，其上具有外壁、轴孔、内壁，在基底上部的中心位置处设置轴孔；

一连接件，具有一连接轴孔，连接件置于基底的上部且固定连接；

一转轴，其一端安置在连接件的连接轴孔和基底的轴孔中并形成上端封闭、下部开口的一凹形空腔；转轴的另一端连接机床的动力轴，用于驱动转轴旋转；

两个电极板，其对称并绝缘固接于凹形空腔的内壁上，并通过转轴内部的通电导线提供电源；

一中空气囊部件，其设有上部开口、中空气囊、加强层和抛光层，基底的外壁紧密嵌设于中空气囊部件的加强层中，基底的上部与中空气囊部件的上部开口对齐，中空气囊底部位于加强层的表面上，且中空气囊的上部边缘粘接于基底的下部开口上，使中空气囊的上部与凹形空腔形成一密封空腔；抛光层在转轴的压力控制下与被抛光工件上表面的A位置紧密接触，并对被抛光工件进行抛光；

电流变液，密封于中空气囊部件的中空气囊的空腔中，两个电极板产生的电场，用于使电流变液从液态到固态连续变化形成可控变形层；

一外围电路，与两个电极板连接，控制两个电极板间电场的大小，调节控制电流变液的弹性模量。

2.如权利要求1所述的基于电流变液的柔性可控气囊抛光工具，其特征在于，所述基底为金属或合金材质的刚性基底。

3.如权利要求1所述的基于电流变液的柔性可控气囊抛光工具，其特征在于，中空气囊部件为半球状囊体。

4.如权利要求1所述的基于电流变液的柔性可控气囊抛光工具，其特征在于，所述中空气囊部件为多层复合材料的部件，其中中空气囊的材料为橡胶、加强层为高韧性纤维布、抛光层为聚氨酯抛光垫。

5.如权利要求1所述的基于电流变液的柔性可控气囊抛光工具，其特征在于，所述两个电极板为金属电极板且呈八字形排布，用于得到弧形电场分布。

6.如权利要求1所述的基于电流变液的柔性可控气囊抛光工具，其特征在于，所述密封空腔，用于调节中空气囊的压强。

7.如权利要求1所述的基于电流变液的柔性可控气囊抛光工具，其特征在于，所述中空气囊，用于密封电流变液。

8.如权利要求1所述的基于电流变液的柔性可控气囊抛光工具，其特征在于，所述电流变液弹性模量G与临界电场E_c及外加电场强度E₀的关系为：

G＝90φε_f(Γ/Ac)^0.1(E_c/E₀)^0.9E₀ ²

其中φ为电流变液导电颗粒的体积含量，ε_f为电流变液载液的介电常数，Γ＝σ_ρ/σ_f(0)，Γ为导电颗粒和载液的电导率之比，σ_ρ为导电颗粒的电导率，σ_f(0)为载液未加电场时的导电率，Ac＝0.007为常数，E_c为电流变液发生流变现象的临界电场，E₀为外加电场强度。

9.一种使用权利要求1所述基于电流变液的柔性可控气囊抛光工具的抛光方法，其步骤包括如下：

步骤S1：柔性可控气囊抛光工具接触被抛光工件表面A位置时，转轴夹持在机床的动力转轴上获得驱动力，驱动基底旋转；

步骤S2：由外围电路控制两个电极板间电场E₀的大小，调节电流变液的弹性模量即刚度G；所述电流变液的弹性模量与临界电场E_c及外加电场强度E₀的电场关系为：

G＝90φε_f(Γ/Ac)^0.1(E_c/E₀)^0.9E₀ ²

其中φ为电流变液导电颗粒的体积含量，ε_f为电流变液载液的介电常数，Γ＝σ_ρ/σ_f(0)，Γ为导电颗粒和载液的电导率之比，σ_ρ为导电颗粒的电导率，σ_f(0)为载液未加电场时的导电率，Ac＝0.007为常数，E_c为电流变液发生流变现象的临界电场，E₀为外加电场强度；

步骤S3：利用中空气囊部件的抛光层在转轴的压力控制下与被抛光工件上表面的A位置处紧密接触，并对被抛光工件上表面的A处进行抛光；A位置处的材料去除量满足如下方程：

$\mathrm{\Δz}(x,y)=k{\∫}_0^{\∞}P(x,y,t)V(x,y,t)\mathrm{dt}$

以被抛光工件上中心点或对称点为原点建立直角坐标系，其中x，y表示A位置在被抛光工件表面的坐标，Δz(x，y)为材料去除量，k是除了压力、速度因素影响外的加工过程的比例常数，P(x，y，t)表示抛光层与被抛光工件间的相对压力，V(x，y，t)表示抛光层与被抛光工件之间的相对运动速度，t表示时间；

步骤S4：对两个电极板不通电时，电流变液呈现液态，电流变液则产生变形并与被抛光工件上表面的A位置处的面形吻合；

步骤S5：对两个电极板通电时，电流变液将从液态变为粘稠状或固态，则电流变液形状被固定下来，实现电流变液对被抛光工件局部区域面形的记录，利用电流变液的仿形记录功能对被抛光工件的多个局部区域进行抛光，保证抛光曲率半径恒定区域的面形精度；而通过在线控制电流大小调节电流变液的弹性模量(刚度)能灵活控制被抛光工件的材料去除量，材料去除量满足步骤3中方程；所述柔性可控气囊抛光工具位置继续移动到被抛光工件表面B位置处重复执行步骤S1，直至所述柔性可控气囊抛光工具按照N个位置的抛光轨迹移动，实现对整个被抛光工件的抛光。

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