CN103934757B - 一种多束交替水射流抛光盘及抛光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种多束交替水射流抛光盘，该抛光盘包括：多组喷口和底座，在底座的轴心处设有一喷口，以该一喷口的轴心设置不同半径的第一同心圆和第二同心圆，并在第一同心圆和第二同心圆的圆周上布设通透于底座的多组喷口，每个喷口与底座的射流供料系统相连，供料系统为各喷口提供抛光磨料，使得交替水射流抛光零件表面时保证冲击区域内零件表面均匀的去除；每组喷口按照设定的不同时间段对加工工件表面进行加工，使得各个喷口水射流稳定独立，零件表面的去除函数稳定，去除量可控，去除分布均匀；再加工过程中产生的亚表面损伤层小，用于提高射流抛光的加工效率。本发明还提供一种使用多束交替水射流抛光盘的多束交替水射流抛光方法。
Description
技术领域
本发明属于光学技术加工领域，涉及一种多束交替水射流抛光盘及多束交替水射流抛光方法。
背景技术
随着技术的进步，越来越多的高功率激光系统被设计制造，而高功率激光系统对光学零件表面质量要求很高，光学零件表面的瑕疵、加工表面的残余误差和亚表面损伤等都会影响系统的损伤阈值。当激光入射到尖锐的突起或凹坑边缘时，这类高频缺陷会导致强光散射，如果强光散射发生在零件表面的破坏层或亚表面损伤层，由于零件表面破坏层和亚表面损伤层抗损伤能力较低，强光散射的能量加深零件表面的损伤层，最终导致零件的损坏，并且系统中强光散射的能量越大，系统的性能将会减弱。因而对光学零件表面的高频误差以及表面破坏层和亚表面损伤层的控制是为了满足高功率激光的需求。
荷兰TNO应用物理研究所的0.w.Faehnle和H.vanBrug等人首先将磨料水射流技术引入光学加工领域。该技术利用混有磨料粒子的抛光液经液压系统泵的作用从喷口喷出，高速作用于工件表面，借助于磨料粒子的高速碰撞和剪切作用达到材料去除的目的。磨料水射流抛光技术具有应用范围广、去除斑点小、无亚表面损伤以及成本低等特点。由于磨料水射流抛光的抛光头是一段细长的液体射流束，并且冲击压力一般均在1MPa以下，因此加工过程中抛光面质量不受“抛光盘”变形的影响，不会改变材料的力学和物理性能及产生磨料硬、热损伤等优点，可用来对多种材料进行高频误差以及表面破坏层和亚表面损伤层处理。另外磁射流抛光和磁流变等抛光方式也可对元件进行表面处理而几乎不引入亚表面损伤，但磨料水射流相对于他们成本低，大规模应用更有经济优势。
而磨料水射流本身由于喷口较小，冲击范围有限，单喷口的加工效率较低，用来对整个被加工零件表面进行高频误差以及破坏层或亚表面层的处理会耗时较长，特别是加工大口径零件，如采用单喷口水射流模式，加工时间则更长，加工时间太长不但对机床的稳定性要求高，同时水射流时磨料的浓度、酸缄性等工艺参数都很难保证一致，这些误差导致去除函数的不稳定，因而降低零件表面的加工精度。但是，如果增加磨料水射流系统压强，虽可提高去除效率，但由于磨料粒子对零件表面冲击加剧，冲击后的表面粗糙度会增大，表面质量变差。由此看来，采用单喷口磨料水射流抛光在零件表面时的效率和质量上难以兼顾。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决单喷口在处理光学元件表面时加工范围小、效率低下的问题，本发明的目的是提出一种能提高单束水射流抛光效率的多束交替水射流抛光盘及多束交替水射流抛光方法。
(二)技术方案
为了实现所述目的，本发明的第一方面是提供一种多束交替水射流抛光盘，该抛光盘包括：多组喷口和底座，在底座的轴心处设有一喷口，以该一喷口的轴心设置不同半径的第一同心圆和第二同心圆，并在第一同心圆和第二同心圆的圆周上布设通透于底座的多组喷口，每个喷口与底座的射流供料系统相连，供料系统为各喷口提供抛光磨料，使得交替水射流抛光零件表面时保证冲击区域内零件表面均匀的去除；每组喷口按照设定的不同时间段对待加工工件表面进行加工，使得各个喷口水射流稳定独立，零件表面的去除函数稳定，去除量可控，去除分布均匀。
为了实现所述目的，本发明的第二方面是提供一种多束交替水射流抛光方法，包括如下步骤：
步骤S1：多束交替射流抛光抛光盘系统开始工作，对多束交替水射流抛光盘的一个喷口的定点抛光，确定一个喷口对所抛光零件表面的去除量；
步骤S2：设定两个喷口水射流时喷口之间的最佳距离；仿真分析两个相距一距离的喷口对零件表面进行定点抛光，使当两个喷口水射流时之间的强相互作用最低时确定为两个喷口的最佳距离，得出多喷口水射流的去除量；在底座上布置每个喷口，对去除量较低的位置添加喷口，用于保证零件抛光表面的均匀去除，同时也减少零件抛光表面的高频误差和亚表面损伤层；
步骤S3：以一喷口的轴心为中心设置不同半径的第一同心圆和第二同心圆，并在第一同心圆和第二同心圆的圆周上布设通透于底座的多组喷口，根据所设定的各个喷口在底盘上的位置，对每个喷口的开启时间进行计算，在不同时间段使不同位置的喷口工作，用以交替水射流的方式对零件表面进行抛光，同时对整个底座上的喷口旋转，从而保持零件抛光表面的均匀去除。
(三)有益效果
本发明提出的提高射流抛光效率的方法特点是：一、在一个底座上布局多个喷口组，在同一时间有多个喷口同时开启，对元件表面进行磨料水射流加工，从而提高射流抛光效率，同时通过喷口的合理分布和交替射流保证冲击区域内较均匀的去除；二、通过合理布局和控制喷口组开启时间，使得各个喷口射流稳定独立，便于控制去除量，本发明去除量可控，以及去除分布较均匀，去除效率较一喷口有很大提高，因而抛光产生的表面损伤和亚表面损伤层小；三、本发明综合单束水射流抛光技术，采用按照一定规律分布在抛光盘底座上的多束喷口，靠多喷口抛光盘的水射流使抛光液由冲击射流转化为切向流动，该方法通过单束水射流在被加工零件表面的去除量实验、两束水射流的仿真分析，给出喷口合理的分布布局，保证多束切向射流流动的剪切力作用实现被加工表面的材料去除，把待抛光光学零件表面的高点误差“抹平”。和单束水射流抛光方法的冲击材料去除率相比，多束水射流喷口能获得更高的抛光效率，更少的压表面损伤层，并且结构简单、制造成本低。采用多束交替水射流抛光盘消除了单束水射流抛光过程中仅靠径向流动产生的剪切力实现被加工零件表面的材料去除，在提高水射流抛光效率的同时减少了被抛光零件表面的高频误差。本发明特别适用于对光学元件进行全表面的高频误差而同时避免引入亚表面损伤，同时也可用于光学元件的亚表面损伤层和表面损伤的去除。本发明特别适用于被加工零件表面高频误差和亚表面损伤要求严格的光学玻璃、微晶玻璃、半导体材料及单晶材料的超精密抛光。
附图说明
图1为本发明中底座和喷口参数及分布状况示意图；
图2为本发明各个喷口工作时序流程框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明一种多束交替水射流抛光盘及多束交替水射流抛光方法，是将多束交替水射流抛光盘包括各个喷口在底座上的位置分布、喷口直径和底座直径的几何关系、各个喷口组按顺序且在不同的时间段开启；通过控制喷口组的开启时间，使得各个喷口水射流稳定、独立，做到被加工表面的均匀去除。
根据单个喷口水射流时对被加工表面的去除情况，确定每个喷口在底座上位置的布局，多个喷口同时启动对加工零件表面进行磨料水射流加工，从而提高水射流抛光效率。
通过仿真分析得出：当两个喷口之间的距离为单个喷口直径的4倍关系时，两个喷口水射流时之间的强相互作用降为最低，从而使得被加工表面在均匀去除的同时减少表面的高频误差和表面破坏层；
图1示出为实现本发明的一个具体多束交替射流抛光盘，该抛光盘包括：多组喷口和底座5，在底座5的轴心处设有一喷口，以该一喷口的轴心设置不同半径的第一同心圆和第二同心圆，并在第一同心圆和第二同心圆的圆周上布设通透于底座5的多组喷口，每个喷口与底座5的射流供料系统相连，供料系统为各喷口提供抛光磨料，使得交替水射流抛光零件表面时保证冲击区域内零件表面均匀的去除；每组喷口按照设定的不同时间段对待加工工件表面进行加工，使得各个喷口水射流稳定独立，零件表面的去除函数稳定，去除量可控，去除分布均匀；再加工过程中产生的亚表面损伤层小，用于提高射流抛光的加工效率。
所述多组喷口包括第一组喷口、第二组喷口、第三组喷口、第四组喷口。所述第一组喷口由多个第一喷口1组成；所述第二组喷口由多个第二喷口2组成；所述第三组喷口由多个第三喷口3组成；所述第四喷口组为一个第四喷口4且设置于底座5的轴心位置处。
所述每个喷口的直径为D，D的单位为mm。所述底座5的直径为10D。所述第一同心圆的半径为4D。所述第二同心圆的半径是第四喷口4与第二喷口2或第三喷口3之间的距离，所述第二同心圆的半径为
所述多个第一喷口1等距离地设置在底座5的第一同心圆的圆周上。所述多个第二喷口2与所述多个第三喷口3等距离、相间隔地设置在底座5的第二同心圆的圆周上。
由每两个第一喷口1分别与第四喷口4组成多个第一等边三角结构，由每个第二喷口2、每个第三喷口3和第四喷口4组成多个第二等边三角结构，且每个第二喷口2、每个第三喷口3相间隔地位于第一等边三角结构的中心位置处。
图2是利用图1多束交替射流抛光盘实现各个喷口工作时序流程框图步骤如下：
步骤S1：首先确定单个喷口水射流时的去除量。使用多束交替水射流抛光盘的一个喷口对加工零件相应的材料进行定点水射流抛光，抛光一段时间后测量待加工零件材料的去除量，得出单位时间单个喷口的水射流抛光时的去除率(xnm/秒)，其中X为去除量，单位为nm。
步骤S2：设定两个喷口水射流时喷口之间的最佳距离；仿真分析两个相距一距离的喷口对零件表面进行定点抛光，使当两个喷口水射流时之间的强相互作用最低时确定为两个喷口的最佳距离；得出多喷口水射流的去除量；在底座5上布置多个喷口，对去除量较低的位置添加喷口，用于保证零件抛光表面的均匀去除，同时也减少零件抛光表面的高频误差和亚表面损伤层；
将底座5上的多个喷口进行分组，第四喷口4位于底座5的中心，由于两个喷口水射流抛光时最佳作用范围为4D，当两个喷口的距离小于4D的时候，由于流场的相互作用，两喷口连线中部区域的流场不稳定，从每个喷口得出的去除函数不稳定。因而六个第一喷口1位于以第四喷口4的中心距离为4D的第一同心圆的圆周上，呈等距离均匀分布，其目的是避免各个喷口流场的强相互作用。每两个相邻的六个第一喷口1和第四喷口4所组成的等边三角形中心位置设置直径为D的六个喷口，由于这六个喷口两两相距太近，因而将这六个喷口分为两组，相间隔的喷口为一组，得出第二组喷口、第三组喷口，这六个喷口等距离地均匀分布于第二同心圆的圆周上。
步骤S3：以一喷口的轴心为中心设置不同半径的第一同心圆和第二同心圆，并在第一同心圆和第二同心圆的圆周上布设通透于底座的多组喷口，根据所设定的各个喷口在底盘上的位置，对每个喷口的开启时间进行计算，在不同时间段使不同位置的喷口进行工作，用以交替水射流的方式对零件表面进行抛光，同时对整个底座上的喷口旋转，从而保持零件抛光表面的均匀去除。
计算每一组喷口的开启时间。如图2所示，将第四喷口4与六个喷口1组成第一时间组；将六个第一喷口1组成第二时间组；将三个第二喷口2组成第三时间组；将三个第三喷口3组成第四时间组。
第四喷口4的加工区域面积为4πD2，六个第一喷口1在旋转喷射的时候扫过的范围为宽度为4D的环带，面积为32πD2，每一个喷口1扫过的面积为32πD2/6，第二喷口2和第三喷口3扫过的面积为18πD2每一个喷口2或喷口3扫过的面积为18πD2/6。每个第一喷口1扫过的面积与第四喷口4的扫过的面积比为4∶3，三个第二喷口2或三个第三喷口3中的每个喷口与第四喷口4的扫过的面积比为3∶4，。由于各组喷口的加工面积不同，为实现均匀去除的目的，加工面积相对大的喷口组开启时间相对较长，开启时间与喷口组面积成正比，因此六个第一喷口1和三个第二喷口2或三个第三喷口3与第四喷口4的开启时间比为16∶9∶12，即令第四喷口4开启时间为X，那么六个第一喷口1的每个喷口开启时间为4/3X，三个第二喷口2或三个第三喷口3的每个喷口与开启时间为3/4×X。
由于第四喷口4和六个第一喷口1的间距为4D，几个喷口可以同时开启；而三个第二喷口2和三个第三喷口3由于相距太近，不能同时开启，也不能与第四喷口4和六个第一喷口1同时开启，在上述的第一时间组中，第四喷口4和六个第一喷口1开启，时间为12秒；在上述的第二时间组中，六个第一喷口1开启，时间为4秒；在上述的第三时间中，三个第二喷口2开启，时间为9秒；在上述的第四时间组，三个第三喷口3开启，时间为9秒。
按时间分组和各分组的开启时间有序开启各个喷口，保证每一个时刻都有多个喷口开启，且开启的喷口没有强相互作用，用单个喷口的去除量代替每个喷口的去除量(xnm)。通过交替水射流模式抛光盘，使整个被加工零件表面均匀的去除，同时抛光效率得以提高。
图2示出各个喷口工作时序流程框图，步骤如下：
步骤S31：多束交替射流抛光盘的系统开始工作；在第一工作时间组中喷口数量为7，启动六个第一喷口1和一个第四喷口4对被加工零件表面做抛磨，抛磨的第一工作时长为12秒时，则关闭第四组喷口即第四喷口4，第一工作时间组的抛磨去除量为7×12(xnm)；
步骤S32：在第二工作时间组中喷口数量为6，六个第一喷口1继续对被加工零件表面做抛磨，抛磨的第二工作时长为4秒时，第二工作时间组的抛磨去除量为6×4(xnm)；
步骤S33：在第三工作时间组中喷口数量为3，启动三个第二喷口2继续对被加工零件表面做抛磨，抛磨的第三工作时长为9秒时，关闭三个第二喷口2，第三工作时间组抛磨去除量为3×9(xnm)；
步骤S34：在第四工作时间组中喷口数量为3，启动三个第三喷口3继续对被加工零件表面做抛磨，抛磨的第四工作时间长为9秒时，关闭三个第三喷口3，第四工作时间组抛磨去除量为3×9(xnm)；
步骤S35：对累加各工作时长的总抛磨去除量进行计算，如果抛磨去除量没有满足设计要求，则重复步骤S31—S34；如果抛磨去除量满足设计要求，则关闭抛光系统。
根据不同时间段开启的喷口数量，可以算出在相同的工作时间里，使用一个喷口水射流抛光时被加工零件的去除量为34×X(nm)，即假设单个喷口在1秒工作时间对零件表面的去除量为Xnm，那么在工作34秒(即：12+4+9+9)后零件表面的去除量则为34×Xnm，而使用交替水射流抛光时被加工零件的去除量为162×X(nm)(即：多喷口工作34秒(12+4+9+9)后，零件表面的去除量则为(7×12+6×4+3×9+3×9)×Xnm)，因而交替水射流的去除效率是单喷口水射流的162/34＝4.76倍，由此可见抛光效率得到大大提高。
用多束交替射流的方式，提高了射流单位时间的去除效率；同时交替水射流的方式避免了喷口之间的强相互作用，使被加工零件表面去除量稳定可控；喷口的合理分布和喷口开启时间的控制，以及整个装置的旋转，使得在整个加工区域去除比较均匀。本发明适用于对光学元件表面的高频误差以及破坏层和亚表面损伤层进行较快速去除，同时较好地保持元件面形。
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 (5)
1.一种多束交替水射流抛光盘的抛光方法，该抛光盘包括：多组喷口和底座，在底座的轴心处设有一喷口，以该一喷口的轴心设置不同半径的第一同心圆和第二同心圆，并在第一同心圆和第二同心圆的圆周上布设通透于底座的多组喷口，每个喷口与底座的射流供料系统相连，供料系统为各喷口提供抛光磨料，使得交替水射流抛光零件表面时保证冲击区域内零件表面均匀的去除；每组喷口按照设定的不同时间段对待加工工件表面进行加工，使得各个喷口水射流稳定独立，零件表面的去除函数稳定，去除量可控，去除分布均匀；其特征在于：该抛光方法的步骤包括：
步骤S1：多束交替水射流抛光抛光盘系统开始工作，使多束交替水射流抛光盘的一个喷口对零件表面进行定点抛光，确定一个喷口对所抛光零件表面的去除量；
步骤S2：设定两个喷口水射流时喷口之间的最佳距离；仿真分析两个相距一距离的喷口对零件表面进行定点抛光，使当两个喷口水射流时之间的强相互作用最低时确定为两个喷口的最佳距离，得出多喷口水射流的去除量；在底座上布置多个喷口，对去除量较低的位置添加喷口，用于保证零件抛光表面的均匀去除，同时也减少零件抛光表面的高频误差和亚表面损伤层；
步骤S3：以一喷口的轴心为中心设置不同半径的第一同心圆和第二同心圆，并在第一同心圆和第二同心圆的圆周上布设通透于底座的多组喷口，根据所设定的各个喷口在底盘上的位置，对每个喷口的开启时间进行计算，在不同时间段使不同位置的喷口工作，用以交替水射流的方式对零件表面进行抛光，同时对整个底座上的喷口旋转，从而保持零件抛光表面的均匀去除。
2.如权利要求1所述多束交替水射流抛光盘的抛光方法，其特征在于：所述多组喷口包括第一组喷口、第二组喷口、第三组喷口、第四组喷口；所述第一组喷口由多个第一喷口组成；所述第二组喷口由多个第二喷口组成；所述第三组喷口由多个第三喷口组成；所述第四喷口组仅为一个喷口且设置于底座的轴心位置处；所述多个第一喷口等距离地设置在底座的第一同心圆的圆周上；所述多个第二喷口与所述多个第三喷口等距离、相间隔地设置在底座的第二同心圆的圆周上。
3.如权利要求1所述的多束交替水射流抛光盘的抛光方法，其特征在于：所述每个喷口的直径为D；所述底座的直径为10D；所述第一同心圆的半径为4D；所述第二同心圆的半径是
4.如权利要求2所述的多束交替水射流抛光盘的抛光方法，其特征在于：所述不同时间段使不同位置的喷口工作的步骤包括：
步骤S31:多束交替水射流抛光抛光盘的系统启动第一组喷口和第四组喷口对被加工零件表面做抛磨，抛磨的第一工作时长为12秒时，则关闭第四组喷口，获得第一工作时间组的抛磨去除量；
步骤S32:第一组喷口继续对被加工零件表面做抛磨，抛磨的第二工作时长为4秒时，关闭第一组喷口，获得第二工作时间组的抛磨去除量；
步骤S33:启动第二组喷口继续对被加工零件表面做抛磨，抛磨的第三工作时长为9秒时，关闭第二组喷口，获得第三工作时间组抛磨去除量；
步骤S34:启动第三组喷口继续对被加工零件表面做抛磨，抛磨的第四工作时间长为9秒时，关闭第三组喷口，获得第四工作时间组抛磨去除量；
步骤S35:对累加各组工作时长的总抛磨去除量进行累加计算，如果抛磨去除量没有满足设计要求，则重复步骤S31—S34；如果抛磨去除量满足设计要求，则关闭抛光系统。
5.如权利要求4所述的多束交替水射流抛光盘的抛光方法，其特征在于：由每两个第一喷口分别与第四喷口组成多个第一等边三角结构，由每个第二喷口、每个第三喷口和第四喷口组成多个第二等边三角结构，且每个第二喷口、每个第三喷口相间隔地位于第一等边三角结构的中心位置处。
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