CN106271968A - 一种磁流变弹性抛光轮、小口径非球面加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁流变弹性抛光轮、小口径非球面加工装置及方法。所述磁流变弹性抛光轮包括基体材料，设置在基体材料内的粉状磨料和微米级磁性颗粒；所述粉状磨料均匀分布在基体材料内或分层设置在基体材料内；所述基体材料、粉状磨料和微米级磁性颗粒一起形成轮状结构，且磁流变弹性抛光轮设置在磁场内。本发明可以形成尺寸小于小口径非球面工件尺寸的稳定去除函数，对磨削后表面进行确定性面形修正抛光，获得亚纳米级粗糙度的无损光学表面。

Description

一种磁流变弹性抛光轮、小口径非球面加工装置及方法

技术领域

本发明涉及一种磁流变弹性抛光轮、小口径非球面加工装置及方法，属于超精密光学加工技术领域。

背景技术

随着光学、电子、通讯、航空航天技术的飞速发展，高性能、高精度、高集成的光电系统不断涌现，以微小非球面为代表的光学元器件对光学加工技术提出了更高的要求。光学非球面既要求具有亚纳米级的表面粗糙度，又要求具有较高的面形精度，且要求亚表面损伤极低。

传统小口径非球面(直径<10mm)加工一般采用超精密车削或超精密磨削，可获得Ra 2～3nm的最佳表面粗糙度和PV 100nm左右的面形精度，但零件表面极易产生表面缺陷及亚表面损伤层，影响工件的表面质量，必须抛光加以消除，并进行精确面形修正，进一步提高面形精度。

然而，由于加工空间狭小，传统抛光加工工具难以进入实现高效自动化的抛光。对于小口径非球面，尤其是小口径凹非球面，中国发明专利公告号CN 101564824 B公开了一种用于小口径非球面研抛的精密抛光方法，该方法可以改善表面粗糙度，但难以保持去除函数稳定，无法对磨削后表面进行精确面形修正，进一步提高面形精度。中国发明专利公告号CN 102873643 B公开了一种利用射流及负压空穴效应用于小口径非球面抛光的方法，该方法设备结构复杂，因无法获得稳定去除函数，不适合进行面形修正加工。中国实用新型专利公告号CN 203901076 U公开了一种利用铁镓磁致伸缩材料进行小口径非球面振动抛光的方法，该方法因不能实现确定量的去除，无法用于面形修正加工。

大中口径非球面(直径>10mm)加工利用具有稳定去除函数的抛光工具对光学非球面进行加工，计算并控制去除函数在每个驻留点的停留时间实现确定性精确面形修正加工。如中国发明专利公开号CN 1202848 A公开了一种载液轮式磁流变液加工方法，利用弧形磁流变缎带对光学零件进行抛光，可形成稳定去除函数，实现Ra<1nm和PV<50nm的高精度超光滑面形修正加工。然而，针对大中口径非球面加工的抛光工具，去除函数面积较大，无法应用于小口径非球面的加工。

综上所述，现有技术对于小口径非球面加工主要存在如下问题：

1、现有超精密车、磨加工所获表面粗糙度偏大，易造成表面及亚表面损伤；

2、现有抛光工具尺寸大，难以进入加工区域实现高效自动化抛光；

3、现有技术无法获得尺寸小于小口径非球面工件口径的稳定去除函数，对磨削后表面实施亚纳米级表面粗糙度的确定性面形修正抛光。

发明内容

本发明旨在提供一种磁流变弹性抛光轮、小口径非球面加工装置及方法，该加工装置及加工方法可以形成尺寸小于小口径非球面工件尺寸的稳定去除函数，对磨削后表面进行确定性面形修正抛光，获得亚纳米级粗糙度的无损光学表面。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种磁流变弹性抛光轮，其结构特点是，包括基体材料，设置在基体材料内的粉状磨料和微米级磁性颗粒；所述粉状磨料均匀分布在基体材料内或分层设置在基体材料内；所述基体材料、粉状磨料和微米级磁性颗粒一起形成轮状结构，且磁流变弹性抛光轮使用时设置在磁场内；优选所述微米级磁性颗粒的体积百分比不超过磁流变弹性抛光轮的40％，所述微粉磨料的体积百分比不超过磁流变弹性抛光轮的10％，更优选所述微粉磨料体积百分比为5％～7％。

优选基体材料、粉状磨料和微米级磁性颗粒采用溶剂法或混炼法制备形成所述磁流变弹性抛光轮。

根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：

所述磁场由电源和电磁线圈形成，所述磁场的强度可调。

所述基体材料为高分子聚合物基体材料，优选为热塑性橡胶、硅橡胶、天然橡胶或合成橡胶，所述粉状磨料优选为金刚石微粉、氧化铈微粉、氧化铝微粉或碳化硅微粉，所述微米级磁性颗粒为钴铁粉、羰基铁粉或纯铁粉。

所述微米级磁性颗粒的粒径为1～10μm，和/或所述粉状磨料的粒径为0.5～5μm。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种小口径非球面弹性调控光整加工装置，其包括：

用于与可转动的主轴固定相联的不导磁刀杆，

所述的磁流变弹性抛光轮，用于对小口径非球面工件进行抛光；以及

套装在不导磁刀杆上的电磁线圈；

用于与电源电连接的所述电磁线圈调整作用于磁流变弹性抛光轮的磁场大小而改变磁流变弹性抛光轮的弹性模量。

优选地，所述电磁线圈紧邻磁流变弹性抛光轮配置在磁流变弹性抛光轮后方，且与不导磁刀杆间隙配合。

所述磁流变弹性抛光轮和不导磁刀杆旋转时，电磁线圈保持静止。

所述磁流变弹性抛光轮与小口径非球面工件接触，该小口径非球面工件固定在工件轴上；所述工件轴与不导磁刀杆呈角度布置；优选磁流变弹性抛光轮直径为待加工小口径非球面工件直径的1/2～1，更优选所述磁流变弹性抛光轮直径小于10mm。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种小口径非球面弹性调控光整加工装置对小口径非球面工件进行加工的方法，其包括如下步骤：

1)将小口径非球面工件安装在机床的工件轴上，将所述的小口径非球面弹性调控光整加工装置安装在机床主轴上；

2)调整机床的工作台，使磁流变弹性抛光轮的轴线相对于小口径非球面工件的轴线倾斜；

3)加工前，测量小口径非球面工件初始面形Z₀(x，y)，其中(x，y)为工件坐标；

4)将初始面形Z₀(x，y)与理论面形Z(x，y)比较，计算小口径非球面工件各处需要抛除的材料去除量分布HR(x，y)，如下式：

HR(x,y)＝Z₀(x,y)-Z(x,y) (1)

加工过程中，根据上述材料去除量分布，适时调整电磁线圈电流，改变施加在磁流变弹性抛光轮上的外部磁感应强度，从而调控磁流变弹性抛光轮弹性模量，使磁流变弹性抛光轮与小口径非球面工件不同部位接触形成的微小抛光斑具有不同材料去除率分布，在小口径非球面工件上不同部位获得不同的材料去除量，实现确定性抛光加工，修正面形，获取亚纳米级无损光学表面；

优选电磁线圈电流随材料去除量分布的变化可用下式表示：

$I(x,y)=f_1\{f_2\&lsqb;\frac{HR(x,y)}{tkv}\&rsqb;\}---\left(2\right)$

其中I(x，y)为抛光工件上坐标(x，y)处时的电磁线圈电流，t为磁流变弹性抛光轮在工件上坐标(x，y)处的抛光时间，k为代表磁流变弹性抛光轮抛光能力的系数，v为小口径非球面工件与磁流变弹性抛光轮之间的相对运动速度，f₁代表磁流变弹性抛光轮弹性模量关于电磁线圈电流的反函数，f₂代表压强关于磁流变弹性抛光轮弹性模量的反函数。

步骤3)中，当磁流变弹性抛光轮为圆柱状时，磁流变弹性抛光轮的端面与圆柱面交线倒圆角处与小口径非球面工件接触，形成椭圆形微小抛光斑，便于获得高斯型分布的去除函数，降低表面粗糙度；

当磁流变弹性抛光轮为球状时，其球面与小口径非球面工件接触，形成圆形微小抛光斑，便于获得高斯型分布的去除函数，降低表面粗糙度；

优选所述微小抛光斑具有高斯型材料去除率分布，即材料去除率在抛光斑中心处最大，并向抛光斑外围按正态分布递减，如下式所示：

$MRR\left(r\right)={\mathrm{MRR}}_{\max }{e}^{(-\frac{r^2}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2})}---\left(3\right)$

其中r代表抛光斑上其它点到抛光斑中心的距离，MRR(r)表示以抛光斑中心为圆心、r为半径的圆周上的材料去除率，MRR_max表示抛光斑中心处的最大材料去除率，σ为与抛光斑面积有关的尺度系数。

藉由上述结构，本发明包括磁流变弹性抛光轮、不导磁刀杆、电磁线圈和电源。磁流变弹性抛光轮尺寸接近或小于小口径非球面工件，通过不导磁刀杆装夹在主轴上，相对工件轴保持倾斜，便于磁流变弹性抛光轮边缘进入非球面加工区域形成稳定去除函数，实施抛光。电磁线圈靠近磁流变弹性抛光轮配置在其后方，与磁流变弹性抛光轮及不导磁刀杆保持同心，并与磁流变弹性抛光轮及不导磁刀杆间保持间隙，不随磁流变弹性抛光轮及不导磁刀杆一起旋转。电源与电磁线圈连接，使电磁线圈产生电流，形成磁场作用于磁流变弹性抛光轮。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过调节电源，调整电磁线圈的电流，改变电磁线圈所产生的外部磁感应强度，从而调控磁流变弹性抛光轮的弹性模量，使磁流变弹性抛光轮与小口径非球面工件不同部位接触形成具有不同材料去除率分布的微小抛光斑，在小口径非球面工件各处获得不同的材料去除量，实现确定性抛光加工，达到修正面形的目的。

同时，本发明的磁流变弹性抛光轮由高分子聚合物基体材料、微米级磁性颗粒及微粉磨料混合制备而成，在磁场作用下具有弹性，加工时，微粉磨料切入深度较浅，不易损伤小口径非球面工件表面，可获取亚纳米级无损光学表面。

附图说明

图1是本发明一个实施例的加工原理图；

图2为本发明所述磁流变弹性抛光轮示意图，其中(a)为磨料均匀分布示意图，(b)为磨料分层分布示意图；

图3为本发明所述电磁线圈激励磁场示意图；

图4为小口径非球面弹性调控光整加工示意图。

在图中：

1-磁流变弹性抛光轮、2-不导磁杆、3-电磁线圈、4-电源、5-主轴、6-小口径非球面工件、7-计算机、8-工件轴、9-高分子聚合物基体材料、10-微米级磁性颗粒、11-微粉磨料。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

一种小口径非球面弹性调控光整加工装置，参见图1，包括磁流变弹性抛光轮1、不导磁刀杆2、电磁线圈3和电源4。电磁线圈3紧邻磁流变弹性抛光轮1配置在其后方，与磁流变弹性抛光轮1及不导磁刀杆2保持同心。电源4与电磁线圈3连接，使电磁线圈3产生磁场作用于磁流变弹性抛光轮1。电磁线圈3与磁流变弹性抛光轮1及不导磁刀杆2间保持间隙，当磁流变弹性抛光轮1及不导磁刀杆2旋转时，电磁线圈3保持静止。

参见图2，磁流变弹性抛光轮1由高分子聚合物基体材料9、微米级磁性颗粒10及微粉磨料11均匀混合，采用溶剂法或混炼法制备而成。参见图2a，微粉磨料11在抛光轮中可以是均匀分布；参见图2b，微粉磨料11在抛光轮中也可以是分层排布。

参见图3，电源4与电磁线圈3连接，使电磁线圈3产生电流，形成磁场。通过调节电源4，可调整电磁线圈3的电流，从而改变电磁线圈3所产生的外部磁感应强度。

参见图4，加工时，小口径非球面工件6装夹在工件轴8上。小口径非球面弹性调控抛光装置通过不导磁刀杆2装夹在主轴5上，并相对工件轴8保持倾斜，便于磁流变弹性抛光轮1边缘进入小口径非球面工件6的加工区域与之接触。主轴5带动磁流变弹性抛光轮1一同旋转，实现光整加工。由于小口径非球面工件6各处的材料去除量并不相同，计算机7可以根据不同的材料去除量适时调节电源4，调整电磁线圈3的电流，改变施加在磁流变弹性抛光轮1上的外部磁感应强度，从而调控磁流变弹性抛光轮1的弹性模量，使磁流变弹性抛光轮1与小口径非球面工件6不同部位接触形成的微小抛光斑具有不同材料去除率分布，在小口径非球面工件6上不同部位获得不同的材料去除量，实现确定性抛光加工，达到修正面形目的。同时，磁流变弹性抛光轮1由高分子聚合物基体材料9、微米级磁性颗粒10及微粉磨料11混合制备而成，在磁场作用下具有弹性，加工时，微粉磨料11切入深度较浅，不易损伤小口径非球面工件6表面，可获取亚纳米级无损光学表面。

所述磁流变弹性抛光轮1直径一般小于10mm。优选方案为，磁流变弹性抛光轮1直径为待加工小口径非球面工件直径的1/2～1。

所述磁流变弹性抛光轮1制作成圆柱状且端面与圆柱面交线倒圆角，也可以制作成球头状或其它形状。

所述磁流变弹性抛光轮1主要由高分子聚合物基体材料如热塑性橡胶、硅橡胶、天然橡胶或各种合成橡胶等、粒径1～10μm的微米级磁性颗粒如钴铁粉、羰基铁粉或纯铁粉等及粒径0.5～5μm的微粉磨料如金刚石微粉、氧化铈微粉、氧化铝微粉或碳化硅微粉等均匀混合，采用溶剂法或混炼法制备而成。

所述高分子聚合物基体材料体积百分比一般不超过50％，所述微米级磁性颗粒体积百分比一般不超过40％，所述微粉磨料含量一般不超过10％，优选方案为5％～7％。

所述微粉磨料在抛光轮中既可以是均匀分布，也可以是分层排布。

所述磁流变弹性抛光轮1与电磁线圈3同轴，且靠近电磁线圈3并保持一定间隙。

通过调节电磁线圈4的电流，改变施加在磁流变弹性抛光轮1上的外部磁感应强度，可实现对磁流变弹性抛光轮1弹性模量的调控。

所述不导磁刀杆2与电磁线圈3同轴，并保持一定间隙。

利用上述加工装置对工件进行加工的方法包括如下步骤：

1)小口径非球面工件安装在超精密加工机床工件轴上，随工件轴旋转；

2)弹性调控抛光装置安装在超精密加工机床主轴上，随主轴旋转；

3)调整超精密加工机床工作台，使磁流变弹性抛光轮轴线相对于小口径非球面工件轴线倾斜。当磁流变弹性抛光轮为圆柱状时，其端面与圆柱面交线倒圆角处与小口径非球面工件接触，形成椭圆形微小抛光斑，便于获得高斯型分布的去除函数，降低表面粗糙度；当磁流变弹性抛光轮为球状时，其球面与小口径非球面工件接触，形成圆形微小抛光斑，便于获得高斯型分布的去除函数，降低表面粗糙度。

4)加工前，测量小口径非球面工件初始面形Z₀(x，y)。面形测量可以是离线测量(如使用Form Talysurf接触式表面形状测量装置或UA3P表面形状与粗糙度测量仪等测量)或在线测量(如使用超精密加工机床自带的红宝石点接触式测量仪测量)，优选方案为在线测量。

5)将初始面形Z₀(x，y)与理论面形Z(x，y)比较，计算小口径非球面工件各处需要抛除的材料去除量分布，如下式，

HR(x,y)＝Z₀(x,y)-Z(x,y) (1)

其中HR(x，y)为光整阶段需要去除的材料量分布。加工过程中，根据上述材料去除量分布，计算机适时调整电磁线圈电流，改变施加在磁流变弹性抛光轮上的外部磁感应强度，从而调控磁流变弹性抛光轮弹性模量，使磁流变弹性抛光轮与小口径非球面工件不同部位接触形成的微小抛光斑具有不同材料去除率分布，在小口径非球面工件上不同部位获得不同的材料去除量，实现确定性抛光加工，修正面形，获取亚纳米级无损光学表面。电磁线圈电流随材料去除量分布的变化可用下式表示，

$I(x,y)=f_1\{f_2\&lsqb;\frac{HR(x,y)}{tkv}\&rsqb;\}---\left(2\right)$

其中I(x，y)为抛光工件上坐标(x，y)处时的电磁线圈电流，t为磁流变弹性抛光轮在工件上坐标(x，y)处的抛光时间，k为代表磁流变弹性抛光轮抛光能力的系数，v为小口径非球面工件与磁流变弹性抛光轮之间的相对运动速度，f₁代表磁流变弹性抛光轮弹性模量关于电磁线圈电流的反函数，f₂代表压强关于磁流变弹性抛光轮弹性模量的反函数。

步骤3)中所述微小抛光斑面积一般小于小口径非球面工件面积的1/2。优选方案为，微小抛光斑面积为小口径非球面工件面积的1/5～1/3。

步骤3)中所述微小抛光斑具有高斯型材料去除率分布，即材料去除率在抛光斑中心处最大，并向抛光斑外围按正态分布递减，如下式所示，

$MRR\left(r\right)={\mathrm{MRR}}_{\max }{e}^{(-\frac{r^2}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2})}---\left(3\right)$

其中r代表抛光斑上其它点到抛光斑中心的距离，MRR(r)为以抛光斑中心为圆心、r为半径的圆周上的材料去除率，MRR_max为抛光斑中心处的最大材料去除率，σ为与抛光斑面积有关的尺度系数。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种磁流变弹性抛光轮，其特征在于，包括基体材料，设置在基体材料内的粉状磨料和微米级磁性颗粒；所述粉状磨料均匀分布在基体材料内或分层设置在基体材料内；所述基体材料、粉状磨料和微米级磁性颗粒一起形成轮状结构，且磁流变弹性抛光轮使用时设置在磁场内；优选所述微米级磁性颗粒的体积百分比不超过磁流变弹性抛光轮的40％，所述微粉磨料的体积百分比不超过磁流变弹性抛光轮的10％，更优选所述微粉磨料体积百分比为5％～7％。

2.根据权利要求1所述的磁流变弹性抛光轮，其特征在于，所述磁场由电源和电磁线圈形成，所述磁场的强度可调。

3.根据权利要求1所述的磁流变弹性抛光轮，其特征在于，所述基体材料为高分子聚合物基体材料，优选为热塑性橡胶、硅橡胶、天然橡胶或合成橡胶，所述粉状磨料优选为金刚石微粉、氧化铈微粉、氧化铝微粉或碳化硅微粉，所述微米级磁性颗粒为钴铁粉、羰基铁粉或纯铁粉。

4.根据权利要求1所述的磁流变弹性抛光轮，其特征在于，所述微米级磁性颗粒的粒径为1～10μm，和/或所述粉状磨料的粒径为0.5～5μm。

5.一种小口径非球面弹性调控光整加工装置，其特征在于，包括：

用于与可转动的主轴(5)固定相联的不导磁刀杆(2)；

如权利要求1-4之一所述的磁流变弹性抛光轮(1)，用于对小口径非球面工件(6)进行抛光；

以及套装在不导磁刀杆(2)上的电磁线圈(3)，用于与电源(4)电连接的所述电磁线圈(3)调整作用于磁流变弹性抛光轮(1)的磁场大小而改变磁流变弹性抛光轮(1)的弹性模量。

6.根据权利要求5所述的小口径非球面弹性调控光整加工装置，其特征在于，所述电磁线圈(3)紧邻磁流变弹性抛光轮(1)配置在磁流变弹性抛光轮(1)后方，且与不导磁刀杆(2)间隙配合。

7.根据权利要求5所述的小口径非球面弹性调控光整加工装置，其特征在于，所述磁流变弹性抛光轮(1)和不导磁刀杆(2)旋转时，电磁线圈(3)保持静止。

8.根据权利要求5所述的小口径非球面弹性调控光整加工装置，其特征在于，所述磁流变弹性抛光轮(1)与小口径非球面工件(6)接触，该小口径非球面工件(6)固定在工件轴(8)上；所述工件轴(8)与不导磁刀杆(2)呈角度布置；优选磁流变弹性抛光轮(1)直径为待加工小口径非球面工件直径的1/2～1，更优选所述磁流变弹性抛光轮(1)直径小于10mm。

9.一种利用权利要求5-8之一所述的小口径非球面弹性调控光整加工装置对小口径非球面工件进行加工的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将小口径非球面工件(6)安装在机床的工件轴(8)上，将如权利要求5-8之一所述的小口径非球面弹性调控光整加工装置安装在机床主轴(5)上；

2)调整机床的工作台，使磁流变弹性抛光轮的轴线相对于小口径非球面工件的轴线倾斜；

3)加工前，测量小口径非球面工件初始面形Z₀(x，y)，其中(x，y)为工件坐标；；

4)将初始面形Z₀(x，y)与理论面形Z(x，y)比较，计算小口径非球面工件各处需要抛除的材料去除量分布HR(x，y)，如下式：

HR(x,y)＝Z₀(x,y)-Z(x,y) (1)

加工过程中，根据上述材料去除量分布，适时调整电磁线圈电流，改变施加在磁流变弹性抛光轮上的外部磁感应强度，从而调控磁流变弹性抛光轮弹性模量，使磁流变弹性抛光轮与小口径非球面工件不同部位接触形成的微小抛光斑具有不同材料去除率分布，在小口径非球面工件上不同部位获得不同的材料去除量，实现确定性抛光加工，修正面形，获取亚纳米级无损光学表面；

优选电磁线圈电流随材料去除量分布的变化可用下式表示：

$I(x,y)=f_1\{f_2\&lsqb;\frac{HR(x,y)}{tkv}\&rsqb;\}---\left(2\right)$

其中I(x，y)为抛光工件上坐标(x，y)处时的电磁线圈电流，t为磁流变弹性抛光轮在工件上坐标(x，y)处的抛光时间，k为代表磁流变弹性抛光轮抛光能力的系数，v为小口径非球面工件与磁流变弹性抛光轮之间的相对运动速度，f₁代表磁流变弹性抛光轮弹性模量关于电磁线圈电流的反函数，f₂代表压强关于磁流变弹性抛光轮弹性模量的反函数。

10.根据权利要求9所述对小口径非球面工件进行加工的方法，其特征在于，步骤3)中，当磁流变弹性抛光轮为圆柱状时，磁流变弹性抛光轮的端面与圆柱面交线倒圆角处与小口径非球面工件接触，形成椭圆形微小抛光斑，便于获得高斯型分布的去除函数，降低表面粗糙度；

当磁流变弹性抛光轮为球状时，其球面与小口径非球面工件接触，形成圆形微小抛光斑，便于获得高斯型分布的去除函数，降低表面粗糙度；优选所述微小抛光斑具有高斯型材料去除率分布，即材料去除率在抛光斑中心处最大，并向抛光斑外围按正态分布递减，如下式所示：

$MRR\left(r\right)={\mathrm{MRR}}_{\max }{e}^{(-\frac{r^2}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2})}---\left(3\right)$

其中r代表抛光斑上其它点到抛光斑中心的距离，MRR(r)表示以抛光斑中心为圆心、r为半径的圆周上的材料去除率，MRR_max表示抛光斑中心处的最大材料去除率，σ为与抛光斑面积有关的尺度系数。