CN103317393A - 一种薄层流体式低应力抛光装置 - Google Patents

Abstract

一种薄层流体式低应力抛光装置，属于超精密光学表面加工领域。包括密封工作舱、转台、阳极板、阳极探头、阴极平台、工件、第一导管、升压泵、升降台、第二导管、塑形嘴、液体收集装置等。工作时，将工件固定于转台，阳极板或阳极探头和阴极平台之间产生电场；电流变抛光液经搅拌均匀后由升压泵升压，流经第一、第二导管进入液体收集装置；在压力的作用下，液体流经塑形嘴进入薄层区域，在流动动力和剪切力的作用下，实现表面材料去除。本发明解决了薄型光学元件由于较大正向压力易导致工件破碎的问题，同时改善了小工具加工易导致中高频误差残留的情况，在高精度、无亚表面损伤、中高频可控的光学元件加工中发挥重要的作用。

Description

一种薄层流体式低应力抛光装置

技术领域

本发明涉及一种薄层流体式低应力抛光装置，特别涉及对薄型光学元件的电流变抛光液流动抛光装置，属于超精密光学加工领域。

背景技术

随着科技的发展，现代光学系统对光学元件表面的精度要求越来越高，除了常规的PV，RMS等指标外，还表现在超光滑，无亚表面损伤，全波段（有效口径内波前的各种空间频率成分）误差抑制、轻质薄型等方面。激光惯性约束核聚变装置需要的高精度光学元件对表面上高、中、低各频段误差均有严格要求，一般采用美国LLNL实验室提出的功率谱密度(Power Spectral Density function，PSD)指标进行评价，要求光学元件的功率谱线均处于特征曲线之下。空间光学系统的快速发展受到运载工具的限制，对光学元件提出超轻量化要求，通常用面密度来评价轻量化的程度。高精度、轻质薄型光学元件不仅在空间光学系统中占有重要地位，在消费电子、仪器仪表等领域的需求也越来越多，在仪器小型化、轻便化过程中发挥着重要作用。如超轻超薄镜头已经成为未来相机市场的一个重要分支；同样在微型无人操作的空间仪器和可携带红外望远镜等领域具有实际应用价值。

电流变抛光技术是一种新兴的光学表面加工技术，与小工具头研抛技术相比，具有去除精确度高，可控性强，无明显边缘效应等特点，是一种微量去除技术。1939年，美国学者W.M.Winslow发现了电流变效应，即Winslow效应，并开展了大量的实验。电流变液由分散相（固体粒子）和连续相（基础液）组成。分散相粒子是介电系数较高的物质微粒，在电场的作用下，分散相粒子被极化并互相吸引，在基础液中运动，沿电场线形成首尾相接的链状结构，如果电场进一步增强，粒子链会增粗、交织，甚至形成网状结构；极化粒子之间的吸引力大小会影响到粒子链的强度，因此，电场强度越大，极化粒子之间的吸引力越强，粒子链的强度就越大，直到粒子的极化程度不再增加，此时粒子链的强度达到最大值。这种粒子成链特性在宏观上影响液体的表观黏度，在电场的作用下，液体表面黏度发生改变，从牛顿流体变为Binham流体。当电场强度高于液体的临界值时，液体会瞬间固化，其不仅可以保持自身的形状，具有一定的抗剪切能力，还表现出固体特有的屈服现象。当撤去电场后，电流变液会迅速恢复牛顿流体状态。其固液状态的转化时间在毫秒量级。

1999年，日本东北大学的学者Kuriyagawa首次将电流变效应应用于光学加工领域，称为电流变抛光技术（ElectrorheologicalFinishing，ERF），在电流变液中混入抛光磨料，施加电场时，电流变液在工具电极附近形成具有一定表观黏度和剪切力的柔性抛光模，并跟随工具电极的运动对工件表面产生剪切材料去除，实现对工件的抛光。目前应用这种技术的工具有针状电极和轮状电极；对于针状电极抛光工具，由于其剪切速度小且抛光压力有限，导致去除效率较低；对于轮状电极抛光工具，其增加了抛光的相对速度，但是抛光压力主要还是依赖于液体发生电流变效应后的屈服应力，因此抛光压力的变化范围受到所施加电场的限制。

流体抛光技术包括磨料流抛光技术(Abrasive Flow Machining)，磨料水射流抛光技术（Fluid Jet Finishing）等，主要利用流体的流动性或冲击特性，实现对工件表面的材料去除。磨料流抛光技术是一种常用于内表面平滑和抛光的方法，可以完成常规方法难以完成的内表面抛光问题，但这种方法加工出的工件表面比较粗糙，易产生下表面破坏层，不能加工出精密的光学元件。磨料水射流抛光技术由于喷射出的流束受纵向和横向压力梯度的突然变化导致射流束逐渐推动一致性，并随着射流的速度和离喷嘴距离的显著增加更进一步破坏射流束的稳定性，最终影响去除函数的稳定性和抛光的精度。因而产生了在喷口处利用局部轴向磁场稳定射流束，消除初始扰动的磁射流抛光技术（Magnetorheological Jet Polishing,MJP），其具有射流束一致性良好、去除函数稳定、抛光精度高等优点，其和电流变技术、磨料水射流技术等属小工具抛光范畴，在抛光过程中可以适应工件表面曲率的变化，但也具有材料去除率相对较小，加工效率相对较低，易产生中高频误差的缺点。

发明内容：

本发明的目的针对薄形光学元件的加工设计了一种薄层流体式低应力抛光装置，提供了一种对薄型光学元件表面进行确定性去除的同时，实现全口径平滑的方法，有效的提高了整体的加工效率，同时可以改善光学表面的中高频特性。

本发明提出的解决方案是：将薄型光学元件置于密封容器内的阴极平台上，电流变抛光液以一定的速度流过由阴极平台和阳极板构成的薄层空间；在均匀电场加工模式下对该薄层空间施加均匀电场，抛光液快速流过薄型镜表面，在剪切力和流体动力作用下对整个表面的表面实现平滑作用；在点控电场加工模式下，采用阳级探头电极在薄型镜局部产生一强电场，增大电流变抛光液局部的表观黏度和剪切应力，在流体动力和剪切力等作用下实现局部表面材料的确定性去除，同时液体流动对整个表面也起到平滑作用。电流变抛光液由升压泵升压，被送入抛光液收集装置，再经根据工件形状设计的塑形嘴快速流过处于密封容器内的工件表面；在均匀电场或点控电场的作用下，电流变抛光液的表观黏度增大，微观粒子沿电场线方向形成链状结构；电流变抛光液在流体动力和剪切力的作用下，刮擦元件表面材料，实现表面材料去除；抛光废液经回收分离后，可以循环利用。

本发明的抛光装置包括密封工作舱，阴极平台，阳极板，工件，升降台，抛光废液，废液分离搅拌装置，第一导管，升压泵，电流变抛光液，第二导管，抛光液收集装置，塑形嘴，二维运动平台，阳极探头，抛光液收集器。阴极平台绝缘固定在升降台台面，与高压电源阴极相连；阳极板与阴极平台相对，绝缘固定在密封工作舱顶部，其表面形状与工作表面形状互补；密封工作舱将阴极平台、阳极板和升降台台面密封起来；密封工作舱与废液分离搅拌装置相通；第一导管连接废液分离搅拌装置与升压泵，第二导管连接升压泵与抛光液收集器；抛光液收集装置固定在密封工作舱侧端，塑形嘴固定在抛光液收集装置左侧，处于密封工作舱内部；阳极探头绝缘安装在二维运动平台上，可以随平台运动改变位置，电流变抛光液由升压泵升压进入抛光液收集装置，经过塑形嘴塑形后进入抛光区域，经过抛光区域后电流变抛光液变成抛光废液进入废液分离搅拌装置，经过处理后的抛光废液重新作为电流变抛光液循环使用。

所述抛光装置具有两种工作模式，工作模式一为均匀电场加工模式，阳极板为抗腐蚀金属材料，接外部高压电源正极，二维运动平台与阳极探头不参与工作，此时阳极板和阴极平台间为均匀电场；工作模式二为点控电场加工模式，阳极板为抗腐蚀硬质绝缘材料，阳极探头接外部高压电源阳极，利用二维运动平台的运动，实现对整个工件表面的抛光。

所述阴极平台由抗腐蚀硬质导电材料制成，绝缘固定在升降台台面，与外部高压电源阴极相连。

所述阳极板表面形状与工件表面形状互补，固定在密封容器顶部。

所述升压泵采用低速电机，压力可调。

所述塑形嘴的出水口形状及位置需要根据工件形状订制。

所述密封工作舱、抛光液收集装置、塑形嘴和升降台台面采用抗腐蚀硬质绝缘材料制成。

所述第一导管和第二导管采用抗腐蚀绝缘材料制成。

有益效果：

本发明装置结合了流体抛光的柔性和流变抛光的可控性特点，可以适应不同的工件表面，具有抛光精度高，不产生亚表面破坏层等优点。

本发明装置提出了均匀电场加工模式和点控电场加工模式两种不同的抛光方式，可以在提高加工效率的同时，改善工件的表面频谱特性。

本发明装置适用于薄型光学元件的加工，解决了薄型光学元件受加工应力影响易导致工件损坏的问题，改善了小工具抛光技术易导致中高频误差的情况，可以实现对薄型光学元件的低应力加工。

该发明装置可以灵活调节抛光参数：通过升降台运动改变阴极平台和工件间的距离，改变他们之间电场强度和抛光液流速；通过改变电压调节阴极平台和阳极板之间的电场强度；通过改变升压泵的压力调节抛光液剪切速率。

附图说明

图1为本发明的一种薄层流体式低应力抛光装置的结构示意图。

图2是本发明装置的均匀电场加工模式示意图。

图3是本发明装置的均匀电场加工模式下电场强度矢量图。

图4是本发明装置的点控电场加工模式示意图。

图5是本发明装置的点控电场加工模式下电场强度矢量图。

其中，1-阳极板，2－密封工作舱，3-工件，4-阴极平台，5-升降台，6-抛光废液，7-废液分离搅拌装置，8-第一导管，9-升压泵，10-第二导管，11-抛光液收集装置，12-二维运动平台，13－阳极探头，14－塑形嘴，15－电流变抛光液。

具体实施方案

下面结合附图对本发明装置最进一步的说明。

图1是本发明装置的结构示意图，包括阳极板1，密封工作舱2，工件3，阴极平台4，升降台5，抛光废液6，废液分离搅拌装置7，第一导管8，升压泵9，第二导管10，抛光液收集装置11，二维运动平台12，阳极探头13，塑形嘴14，电流变抛光液15。阴极平台4绝缘固定在升降台5台面，与高压电源阴极相连；阳极板1与阴极平台4相对，绝缘固定在密封工作舱2顶部；密封工作舱2将阴极平台4、阳极板1和升降台5台面密封起来；密封工作舱2与废液分离搅拌装置7相通；第一导管8连接废液分离搅拌装置7与升压泵9，第二导管10连接升压泵9与抛光液收集装置11；抛光液收集装置11固定在密封工作舱2侧端，塑形嘴14固定在抛光液收集装置11右侧，处于密封工作舱2内部；电流变抛光液15由升压泵9升压进入抛光液收集装置11，经过塑形嘴14塑形后进入抛光区域；在抛光区域的电场作用下，变成具有一定表观黏度和剪切应力的Bingham流体，在流体动压力和剪切力的作用下，实现对表面材料的去除；经过抛光区域后电流变抛光液变成抛光废液6进入废液分离搅拌装置7，经过处理后的抛光废液6重新作为电流变抛光液循环使用，阳极探头13连接在二维运动平台12上，随二维运动平台12的运动改变位置。工作时，将配置好的电流变抛光液充入废液分离搅拌装置7的搅拌箱，使液体混合均匀。

图2是本发明装置的均匀电场加工模式示意图，包括阳极板1，工件3和阴极平台4。阳极板接外部高压电源的阳极，工件3固定在阴极平台4上，阴极平台接外部高压电源阴极。

图3是本发明装置的均匀电场加工模式下电场强度矢量图。

图4是本发明装置的点控电场加工模式示意图，包括阳极板1，工件3，阴极平台4，二维运动平台12和阳极探头13。阳极探头13接外部高压电源阳极，阳极探头13绝缘安装于二维运动平台12，工件3固定在阴极平台4上，阴极平台接外部高压电源阴极，密封工作舱2将阴极平台4、阳极板1和工件3密封起来。

图5为本发明装置的点控电场加工模式下电场强度矢量图。

Claims (7)

1.一种薄层流体式低应力抛光装置，包括阳极板，密封工作舱，工件，阴极平台，升降台，抛光废液，废液分离搅拌装置，第一导管，升压泵，第二导管，抛光液收集装置，二维运动平台，阳极探头，塑形嘴，电流变抛光液； 

上述组成部分的连接关系为： 

工件固定于阴极平台上；阴极平台绝缘安装在升降台台面上，与高压电源阴极相连；阳极板与阴极平台相对，绝缘固定在密封工作舱顶部；密封工作舱将阴极平台、阳极板和升降台台面密封起来；密封工作舱与废液分离搅拌装置相通；第一导管连接废液分离搅拌装置与升压泵；第二导管连接升压泵与抛光液收集装置；抛光液收集装置固定在密封工作舱外侧；塑形嘴固定在抛光液收集装置左侧，处于密封工作舱内部；阳极探头绝缘连接在二维运动平台上，随二维运动平台的运动改变位置；二维运动平台由数控系统控制； 

本发明的一种薄层流体式低应力抛光装置的工作过程如下： 

工作时，将配置好的电流变抛光液充入废液分离搅拌装置的搅拌箱，使液体混合均匀；电流变抛光液经第一导管由升压泵升压后进入抛光液收集装置，经过塑形嘴塑形后进入抛光区域；在抛光区域的电场作用下，变成具有一定表观黏度和剪切应力的Bingham流体，在流体动压力和剪切力的作用下，实现对表面材料的去除；经过抛光区域后电流变抛光液变成抛光废液进入废液分离搅拌装置，经过处理后的抛光废液重新作为电流变抛光液循环使用。 

2.根据权利要求1所述的一种薄层流体式低应力抛光装置，其特征在于：所述发明装置有两种工件模式，均匀电场工作模式和点控电场工作模式；均匀电场工作模式下，阳极板为抗腐蚀硬质导电材料，接高压电源的阳极，阳极探头和二维运动平台不参与工作；点控电场加工模式下，阳极板为抗腐蚀硬质绝缘材料，阳极探头接高压电源的阳极，随二维运动平台在数控系统控制下运动。 

3.根据权利要求1所述的一种薄层流体式低应力抛光装置，其特征在于：所述阳极板表面形状，在两种工作模式下，与工件表面形 状精确互补，或者阳极板表面曲率半径为工件表面最小二乘拟合圆的曲率半径。 

4.根据权利要求1所述的一种薄层流体式低应力抛光装置，其特征在于：所述密封工作舱将阳极板，工件，阴极平台和塑形嘴密封起来，所述密封工作舱与阳极板之间安装方式为绝缘安装。 

5.根据权利要求1所述的一种薄层流体式低应力抛光装置，其特征在于：所述阴极平台绝缘固定在升降台台面，可以随升降台升降，改变阳极板和工件之间的电场强度。 

6.根据权利要求1所述的一种薄层流体式低应力抛光装置，其特征在于：所述密封工作舱、抛光液收集装置、塑形嘴和升降台台面采用抗腐蚀硬质绝缘材料制成；所述第一导管和第二导管采用抗腐蚀绝缘材料制成。 

7.根据权利要求1所述的一种薄层流体式低应力抛光装置，其特征在于：所述塑形嘴的出水口形状及位置需要根据工件形状订制。 

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