CN103707154B - 一种基于动压效应的盘式抛光装置及抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动压效应的盘式抛光装置，抛光头下部为圆盘式结构与抛光垫一同形成抛光盘，盘底部带有动压槽，抛光盘为中间带孔的环形结构，抛光液由抛光盘中心孔通道喷出。本发明还公开了一种基于动压效应的盘式抛光方法，采用上述抛光装置对工件进行加工，抛光盘高速自转同时采用慢速公转运动进行加工或以某加工参考点为圆心且在一定长度范围的圆周上进行有限数量点加工。本发明采用抛光环状盘式结构代替已有抛光球或抛光柱形式，用面接触式加工代替点接触式或线接触式加工，扩大定点加工下的抛光区面积以提高加工效率；在抛光盘底部设计了动压槽，能够使抛光盘在高速旋转时产生更强的动压力，增加了动压膜厚度，保证非接触式加工顺利进行。

Description

一种基于动压效应的盘式抛光装置及抛光方法

技术领域

本发明属于光学加工领域，具体而言，涉及一种基于流体动压效应的抛光装置及方法，特别涉及一种盘式面接触的高效光学元件加工装置及方法。

背景技术

随着信息产业、国防事业以及武器装备等迅速发展，对所需材料的表面质量要求越来越高，特别是强激光系统、软X射线光学系统以及大规模和超大规模集成电路基片等对光学元件表面粗糙度的要求极为苛刻，微米级的加工精度以及纳米级的表面粗糙度均已是常见的生产需求。因此，找出一种高效的、可以加工出具有高表面完整性、极小变质层，且广泛适用于陶瓷、玻璃以及半导体等材料的抛光方法已经成为现代尖端制造业的重点研究方向。

光学抛光仍然是获得最低表面粗糙度的主要方法，早期的加工方法大多是依据塑性变形或破碎去除理论，所以空缺，断层、破碎和裂纹等缺陷存在于被加工工件表层，表面层的精度被塑性变形以及破碎去除的精度限制。而通过不同的能量作用和组合方式，加以精密控制，可以实现对传统加工方法的突破，于是出现了许多应用化学、磁学、流体力学和能量场原理加工得到超光滑表面的新方法。

动压抛光是应用流体力学原理的非接触式微细游离磨粒加工方法，其原理是通过游离磨粒的滑动、滚动和冲击作用切除极薄的材料层，用以提高工件表面粗糙度和工件的表面质量，相比于接触式加工，其最大的特点是加工表面质量好，具有极小的表面变质层，一般无需增加辅助装置，但其缺陷在于相同条件下，加工效率要低于接触式加工。

去除函数是抛光模在单位时间内在确定的抛光区域内的材料去除量，用于描述小工具抛光模在工作区域的去除特征。在工件表面上移动去除函数，将每一区域所去除的材料进行叠加，就可以得到工件表面各区的去除量，在数控抛光技术中，较理想的去除函数应是高斯型去除函数，拥有该去除函数的抛光工艺能够使面型快速收敛以提高加工效率。

目前开发的基于动压效应的非接触抛光方式主要有球状抛光头点接触式动压抛光法和柱状抛光头液流悬浮线接触式动压抛光法，两种方法由于抛光区形状限制，都未出现可以形成高斯型去除函数的介绍，虽然可以加工出表面质量较好的光学表面，但是加工效率没有保障。

综上所述，为了既保证表面加工质量，又不能大幅度降低加工效率，对于日益增长的超光滑光学表面加工需求而言，迫切需要一种能够实现高精度、高效率的抛光方法。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种基于动压效应的盘式抛光装置及抛光方法，解决现有技术中动压抛光方法在保证加工表面精度的前提下加工效率低问题。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种基于动压效应的盘式抛光装置，包括抛光头和粘接在抛光头上的抛光垫，所述抛光头下部为圆盘式结构与抛光垫一同形成抛光盘，盘底部带有动压槽，抛光盘为中间带孔的环形结构，抛光液由抛光盘中心孔通道喷出。所述抛光盘底部动压槽为直槽形式，槽个数为6个，沿圆周平均分布，抛光盘半径为20mm，槽深度为0.4mm，宽度为0.6mm。

一种基于动压效应的盘式抛光方法，采用上述抛光装置对工件进行加工，将含微细磨粒的抛光液加压之后，通过抛光盘的中心通道，射向工件表面，磨粒与工件发生碰撞，实现对工件表面的去除；其中，抛光盘底部带有动压槽，抛光液由抛光盘中心通道喷出，在抛光盘高速自转的带动下在抛光区内横向流动；抛光盘高速自转同时采用慢速公转运动进行加工或以某加工参考点为圆心且在一定长度范围的圆周上进行有限数量点加工。

所述慢速公转运动时，其公转半径与抛光盘半径长度比为0至1连续可控。因为当公转半径长度大于抛光盘半径长度，即公转半径与抛光盘半径长度比大于1时，抛光盘在一个公转周期内无法对中心点形成去除，也就无法形成中心去除量集中的高斯型去除函数。

所述以某加工参考点为圆心且在一定长度范围的圆周上进行有限数量点加工，该圆周半径的长度与抛光盘半径长度比为0至1连续可控。因为当该圆周半径长度大于抛光盘半径长度，即该圆周半径与抛光盘半径长度比大于1时，抛光盘在一个周期内无法对中心点形成去除，也就无法形成中心去除量集中的高斯型去除函数；加工点应绕参考点对称分布，绕参考点（即一个加工周期内的中心点）对称分布，可以提高周期去除函数的旋转对称性。

本发明的有益效果为：（1）本发明采用抛光环状盘式结构代替已有抛光球或抛光柱形式，用面接触式加工代替点接触式或线接触式加工，扩大定点加工下的抛光区面积以提高加工效率；

（2）采用抛光液由抛光盘中心流入的方式而非侧向喷射，能够使本发明提出的抛光方法的去除函数具有更好的旋转对称性，进而提高加工可控性；

（3）在抛光盘底部设计了动压槽，能够使抛光盘在高速旋转时产生更强的动压力，增加了动压膜厚度，保证非接触式加工顺利进行，避免了直接接触式加工容易对工件表面造成划痕等损伤；

（4）采用慢速公转运动进行加工或以某加工参考点为圆心且在一定长度范围的圆周上进行有限数量点加工，是为了将固定点加工状态下的环形去除函数优化为高斯型去除函数，使得面型精度可以快速收敛提高加工效率；

（5）利用抛光液中的微细磨粒对工件表面的冲击作用产生去除，抛光盘的旋转使得进入抛光区的抛光液同样具有较高的水平速度，而抛光液中的磨粒也获得较高水平速度，所以当微细颗粒冲击到工件表面时，在垂直速度下进入工件表层，对表层原子或原子团造成冲击，然后较大的水平速度分量使之迅速离开工件，提高了加工效率。

附图说明

图1为本发明中提出一种基于动压效应的盘式抛光装置结构示意图；

图2为本发明的抛光装置抛光盘底部动压槽结构示意图；

图3为本发明的一个实施例中的抛光瞬时去除函数归一化基本形；

图4为本发明的一个实施例中的抛光平均去除函数归一化基本形；

图5为本发明的一种技术方案下的加工方式示意图；

图6为本发明在该技术方案下的抛光实际去除函数归一化基本形；

图7为本发明的另一种技术方案下的加工方式示意图；

图8为本发明在该技术方案下的抛光实际去除函数归一化基本形；

其中1——抛光头；2——抛光垫；3——抛光液通道；4——工件；5——动压槽。

具体实施方式

下面结合具体实施例与附图对本发明作更进一步的阐述。

本发明的抛光装置包括抛光头1和粘接在抛光头1上的抛光垫2，抛光头1下部为圆盘式结构与抛光垫2一同形成抛光盘。在本实施例中，将含微细磨粒的抛光液加压之后，射向工件4表面，磨粒与工件4发生碰撞，实现对工件4表面的去除。其中，抛光盘底部带有动压槽5，抛光液由抛光盘中心通道3喷出，抛光盘高速自转带动进入抛光区的抛光液横向流动。

特别的，本例中抛光盘动压槽设计为简单直槽形式，槽个数为6个，沿圆周平均分布，抛光盘半径为20mm，槽深度为0.4mm，宽度为0.6mm，如图2所示。抛光盘自身以75rad/s速度旋转的同时进行慢速公转运动，公转速度为0.1rad/s，抛光液以0.2MPa的压力进入抛光区域，控制抛光工具与工件之间间隙为200μm，磨粒粒径远小于膜厚。

利用计算机数值仿真能够得到抛光区域中的压力分布以及速度分布，通过Preston假设方程可以得到定点抛光的瞬时去除函数。Preston假设方程如下：

$\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{KP}(x,y,t)V(x,y,t)$

式中：z为某点去除高度；K为比例常数，由速度和压强以外的因素决定的，如抛光模的材料、工件的材料、以及抛光液的材料、浓度、以及环境温度、湿度等；P(x,y,t)为抛光压强，是关于位置坐标和瞬时时间的函数值；V(x,y,t)为表面某点和瞬时时间的抛光速度。

抛光盘下去除区域内所有点的去除深度z共同构成了去除函数R的形状，由于K值一般为实常数且由实验确定，所以其大小并不影响去除函数的基本形状，因此将不考虑K值大小的去除函数图形称为基本形，图3显示了本实施例中，通过计算机仿真得到的瞬时状态下的去除函数基本形。

由于抛光是一个连续加工的过程，正常情况下，抛光工具在某一位置停留都会超出抛光工具转动一周所需的时间，所以一般仅需考虑实际加工状态下沿圆周方向平均化之后的去除函数基本形，或称工作函数，图4显示了平均化之后的去除函数基本形。

根据第一种技术方案，在本实施例中，抛光盘快速自转的同时，如图5所示，选择慢速公转运动进行加工，公转半径与抛光盘半径长度比为0.2，公转速度为2rad/s。利用数值积分可以得到本实施例在该种技术方案下的实际去除函数基本形，如图6所示。

可以看出，该去除函数基本形类似于高斯型函数，具有中心集中、过渡平稳等优点，通过计算可以得到0.5倍半径范围内的去除量占整体去除量的86%，而传统数控小磨头抛光很难达到80%的水平。可见，从集中性角度来看，本发明提出的方法能够获得更好地去除函数。

根据另一种技术方案，在本实施例中，抛光盘快速自转的同时，选择以某加工参考点为圆心且在一定长度范围的圆周上进行有限数量点加工，如图7所示。其中，该圆周半径的长度与抛光盘半径长度比0.2，加工点绕参考点对称分布，其数量为32个，通过将各个加工点加工量进行累加，可以得到在该种技术方案下的实际去除函数基本形，如图8所示。

可以看出，该去除函数基本形类似于高斯型函数，通过计算可以得到0.5倍半径范围内的去除量占整体去除量的64%，虽低于第一种技术方案说的去除函数，但由于避免了公转运动，能够降低设备的复杂性。

可见，本发明提出的一种基于动压效应的盘式抛光方法不仅因为其非接触式加工的特性可以提高表面质量，而且能够形成接近于理想去除函数——高斯分布函数的实际去除函数，而该类型函数能够使加工面型精度收敛更快是行业内普遍的认识，进而能够有效的提高加工效率。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅是示意性的，而不是限制性的，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均属本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于动压效应的盘式抛光方法，其特征在于，采用盘式抛光装置对工件进行加工，将含微细磨粒的抛光液加压之后，通过抛光盘的中心通道，射向工件表面，磨粒与工件发生碰撞，实现对工件表面的去除；其中，抛光盘底部带有动压槽，抛光液由抛光盘中心通道喷出，在抛光盘高速自转的带动下在抛光区内横向流动；抛光盘高速自转同时采用慢速公转运动进行加工或以某加工参考点为圆心且在一定长度范围的圆周上进行有限数量点加工；所述慢速公转运动时，其公转半径与抛光盘半径长度比为0至1连续可控；所述以某加工参考点为圆心且在一定长度范围的圆周上进行有限数量点加工，该圆周半径的长度与抛光盘半径长度比为0至1连续可控；所述盘式抛光装置包括抛光头和粘接在抛光头上的抛光垫，所述抛光头下部为圆盘式结构与抛光垫一同形成抛光盘，盘底部带有动压槽，抛光盘为中间带孔的环形结构，抛光液由抛光盘中心孔通道喷出；所述抛光盘底部动压槽为直槽形式，槽个数为6个，沿圆周平均分布，抛光盘半径为20mm，槽深度为0.4mm，宽度为0.6mm。