CN107791104B - 一种提升磁流变水溶解抛光易潮解晶体加工效率的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提升磁流变水溶解抛光易潮解晶体加工效率的加工方法，包括以下步骤：(1)液体加热：将磁流变液加热并稳定在第一标定温度；(2)晶体加热：将易潮解晶体加热至第二标定温度，与第一标定温度的相对差值低于2K；(3)温度校正：控制抛光轮在温度传感器上进行定压深单点抛光，使接触缎带的加工温度数据稳定值与校正前的第一标定温度相同；(4)抛光轮对刀：利用温度传感器表面与晶体表面的差值反算出晶体的相对零点位置；(5)抛光加工：导入磁流变去除函数数据，进行磁流变水溶解抛光加工，直至晶体精度满足要求。本发明的加工方法能够实现加工效率的大幅提升和有效控制且晶体表面质量不会恶化。

Description

一种提升磁流变水溶解抛光易潮解晶体加工效率的加工方法

技术领域

本发明属于光学磁流变抛光，具体涉及一种提升磁流变水溶解抛光易潮解晶体加工效率的加工方法。

背景技术

以磷酸二氢钾(KDP)晶体为代表的易潮解晶体在惯性约束聚变系统(ICF)等大型激光系统中有着很大的需求量。为了保证这些强激光系统的性能，这些晶体的表面质量要求极为苛刻。但由于KDP这类易潮解晶体常常具有质地软脆、极易潮解、各向异性等特点，如何高效高质的完成大口径晶体的加工是光学制造业必须解决的关键问题。

目前，单点金刚石切削是加工KDP这类晶体最常用的方法，但该方法仍存在小尺度波纹难消除、表面质量差等问题。而磁流变抛光技术作为确定性的光学加工方法，在提升加工良品率、改善表面质量等多个方面都具有良好的应用前景。因此，基于易潮解晶体易溶于水这一特点，部分学者提出了磁流变水溶解抛光这一加工方法。但是按现有磁流变水溶解抛光工艺水平，抛光大口径KDP晶体时仍需耗时数天。长时间的加工不仅导致时间成本大增，也带来更多来自环境、设备等外界因素的干扰，这将对晶体表面质量带来潜在的威胁。因此为了实现更高的加工效能，磁流变水溶解抛光的加工效率亟待提高。

目前磁流变水溶解抛光易潮解晶体过程中提高加工效率的方法主要有增加磁流变液的水含量、提高抛光轮加工线速度等。但这些方法都存在各自的负面作用，增加水含量同时会导致表面粗糙度的恶化；而随着线速度的提升，抛光液缎带会被逐渐“压扁”，缎带中的基载液层厚度将因此减小：缎带中的铁粉更容易刮蹭到晶体表面，造成晶体表面划伤和铁粉嵌入。而这在强激光系统中是致命的。除了上述两种方法之外，还未发现专门用于提升磁流变水溶解抛光易潮解晶体加工效率的装置或方法。

提升磁流变水溶解抛光易潮解晶体加工效率的难点在于KDP这类晶体质地过软，且易潮解，因此磁流变抛光过程中过大的剪切应力或湿度都将导致晶体表面质量被破坏，且晶体表面被破坏后必须重新进行切削加工方能修复这些损伤层，该过程耗时耗力。因此效率提升必须建立在晶体表面质量能够得到充分保证的前提下，且提升效果越明显越好。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种提升磁流变水溶解抛光易潮解晶体加工效率的加工方法，通过该方法加工易潮解晶体能够实现加工效率的大幅提升和有效控制且晶体表面质量不会恶化。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种提升磁流变水溶解抛光易潮解晶体加工效率的加工方法，包括以下步骤：

(1)液体加热：将磁流变液加热至第一标定温度，并将磁流变液的温度稳定在所述第一标定温度；

(2)晶体加热：将易潮解晶体加热至第二标定温度，并保证第二标定温度与所述步骤(1)的第一标定温度的相对差值低于2K；

(3)温度校正：控制抛光轮在温度传感器上进行定压深单点抛光，读取温度传感器测得的接触缎带的加工温度数据，将接触缎带的加工温度数据稳定值与所述步骤(1)中第一标定温度进行比较，并对所述第一标定温度进行误差校正，使所述接触缎带的加工温度数据稳定值与校正前的第一标定温度相同；

(4)抛光轮对刀：将所述抛光轮在温度传感器上进行对刀，所述温度传感器的表面与易潮解晶体的表面平行，利用温度传感器表面与易潮解晶体表面的距离的差值反算出易潮解晶体的相对零点位置；

(5)抛光加工：导入所述第一标定温度下的磁流变去除函数数据，所述磁流变去除函数数据是指单位时间内易潮解晶体被加工去除的体积量(也称体积去除率)，开始进行磁流变水溶解抛光加工，直至易潮解晶体的精度满足要求，完成工艺流程。

上述的提升磁流变水溶解抛光易潮解晶体加工效率的加工方法中，优选的，室温(一般为293K)＜所述第一标定温度≤320K。

上述的提升磁流变水溶解抛光易潮解晶体加工效率的加工方法中，优选的，所述磁流变去除函数数据是通过以下方法制作得到：

选择一块与待加工易潮解晶体材料相同的实验件，选择一个温度作为第一标定温度进行上述的步骤(1)到步骤(4)的操作，然后进行定压深定时单点抛光，具体步骤如下：将抛光轮移至实验件相对零点位置上方1mm(即z＝1mm)处，稳定30秒后，控制抛光轮下移1.1mm～1.3mm(即z＝-0.1mm～-0.3mm)，使抛光轮液体缎带与实验件表面接触2s～4s后，抬起抛光轮，至此一个磁流变去除函数斑点完成；取出实验件，测出加工后的实验件面形，将加工后的实验件面形减去实验件的初始面形，得到实验件的实际去除量，换算成所述第一标定温度下的磁流变去除函数数据。

上述的提升磁流变水溶解抛光易潮解晶体加工效率的加工方法中，优选的，在不同的第一标定温度下，重复所述磁流变去除函数数据的制作过程，得到不同第一标定温度下的磁流变去除函数数据；将不同第一标定温度下得到的磁流变去除函数数据加以汇总作为一个数据库，在磁流变水溶解抛光易潮解晶体的加工过程中选定相应温度的磁流变去除函数数据进行调用即可完成相应温度的加工，该方法适用于磁流变精加工。

上述的提升磁流变水溶解抛光易潮解晶体加工效率的加工方法中，优选的，以已经制作的一个第一标定温度下的磁流变去除函数数据为基准，利用以下的晶体去除速率理论公式估算其它不同的第一标定温度下的磁流变去除函数数据，所述晶体去除速率理论公式为：

式中dC/dT表示易潮解晶体的体积去除率，T为第一标定温度，P为温度效率常数，P的大小由所述已经制作的一个第一标定温度下的磁流变去除函数数据结果计算得到；

该方法适用于磁流变粗加工。

上述的提升磁流变水溶解抛光易潮解晶体加工效率的加工方法中，优选的，所述易潮解晶体的溶解速率与所述第一标定温度呈单侧高斯型关系。

上述的提升磁流变水溶解抛光易潮解晶体加工效率的加工方法中，优选的，所述易潮解晶体包括KDP晶体。

上述的提升磁流变水溶解抛光易潮解晶体加工效率的加工方法中，优选的，所述步骤(2)中，在所述易潮解晶体加热之前，保证环境湿度低于30％。

上述的提升磁流变水溶解抛光易潮解晶体加工效率的加工方法中，优选的，所述步骤(4)中，所述温度传感器上设有表面光滑平整的铜片。

上述的提升磁流变水溶解抛光易潮解晶体加工效率的加工方法中，优选的，所述步骤(4)中，所述温度传感器为薄片式温度传感器，所述温度传感器呈水平放置。

本发明的核心思想是利用晶体溶解速率随温度加速上升这一研究结论，通过控制磁流变水溶解抛光的加工温度实现对易潮解晶体的高效加工。加热的具体手段不限，能实现加热目标即可。

本发明采用温度控制法控制晶体的溶解速率，并推导出去除速率与温度之间的函数关系，结果显示加工去除速率与温度呈单侧高斯型关系，即晶体溶解速率是随温度加速上升的(如表1所示)。因此，通过控制温度实现对材料去除速率的有效控制是理论可行的。

该表1主要是表明温度与去除效率的关系，可作为制作去除函数时的参考，主要为了说明温度升高后效率变化情况。表1中超过上述本发明所限定的温度范围的温度在实际加工中一般不予采用，仅提供理论参考。

表1为本发明中加工温度与加工效率的理论关系表

本发明的加工方法中，磁流变液的温度是影响去除效率的核心因素。因此磁流变液温度的稳定性和准确性应予以保证。而晶体温度控制是为了保证磁流变液温度与晶体温度的温度差较小，晶体温度只需相对稳定即可，一般只需保证与液体温度相对差小于2K即可，防止水蒸气冷凝现象的产生导致晶体表面被破坏，因此晶体温度的轻微变化对加工影响不大，重要的是保证升温均匀性，以防止局部过热导致的晶体破裂。

本发明的加工方法适用于磁流变溶解式抛光工艺，即抛光作用的材料去除机理为物理溶解式去除。

本发明的加工方法适用于加工易潮解晶体这类光学元件，这类材料的共同特点是其溶解速率是受温度影响的。

本发明的加工方法中，磁流变(抛光轮)对刀操作是在其它与晶体平面平行的表面上进行的，再利用两个平面间的高度差反算出晶体表面的相对零点。抛光轮对刀操作未选在晶体表面上进行，其原因是当去除速率过大时，对刀操作可能导致晶体表面被破坏。因此采用间接法推算出晶体的零点位置，以保证加工过程的安全性。间接法测量相对高度的方法是将千分表通过液压表盘固定在抛光轮固定架上，调节Z轴高度让千分表的触头分别去接触薄片传感器表面与晶体表面，分别读取其接触位置的Z轴的坐标，将两者相减即相对高度，将该数据与薄片传感器相对零点位置相加即为晶体的相对零点位置。

考虑到薄片型温度传感器型号不同，其表面粗糙度及平整度可能较差，实际情况中也可以将该传感器贴于一块光滑平整的铜片的背面，由于铜片的热传导系数很高，厚度也很薄，所以可以认为在铜片上进行对刀和温度测量实验效果与直接在传感器表面实验的效果是一致的。

本发明的加工方法通过在薄片式温度传感器片上进行定压深单点抛光，可以精确得到加工区域的温度数据，并以此数据对液体循环系统的温度进行校正。

本发明的加工过程中，所涉及的数据导入、程序换算等操作均为现有常规技术。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明采用加工温度控制的方法提升磁流变水溶解抛光易潮解晶体的加工效率，结果显示，加工效率提升明显，温度每提升10K，加工效率能够提高50％以上，同时晶体质量不会发生恶化。该方法对易潮解晶体的高效磁流变加工具有重要的指导作用。

(2)本发明采用在薄片式温度传感器上单点抛光的方法直接测量加工区域温度，相比在循环回路其他位置测量磁流变液温度更为精确，并且测量结果用于对磁流变液加热系统的校正，能够使实际加工温度更接近理论标定值。

(3)相较于单独的磁流变液加热法，本发明采用磁流变液加热与晶体加热组合法，能够有效控制晶体表面冷凝现象的产生，提高可加工的上限温度。

附图说明

图1为本发明实施例中采用的实验平台示意图。

图2为本发明实施例中KDP晶体加工前的初始面形示意图。

图3为本发明实施例中KDP晶体加工后的面形示意图。

图4为本发明实施例中不同温度下抛光深度变化示意图。

图5为本发明实施例中KDP晶体加工前的单个随机抽样点的表面粗糙度示意图。

图6为本发明实施例中KDP晶体加工后的单个随机抽样点的表面粗糙度示意图。

图例说明：

1、抛光轮；2、KDP晶体；3、薄片式温度传感器；4、底座。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。

实施例：

一种本发明的提升磁流变水溶解抛光易潮解晶体加工效率的加工方法，可采用常规实验平台，如图1所示。待加工元件为口径100mm×100mm×12mm的方形KDP晶体2，对该KDP晶体2表面进行不同温度下去除函数和均匀扫描加工，包括以下步骤：

(1)晶体离线检测：通过离线的干涉仪(用于测量低频面形误差等)及白光干涉仪(用于测量高频粗糙度误差等)测量，如图2所示，测得待加工元件KDP晶体2的初始反射面形为1.344λ(λ＝632.8nm，下同)，初始表面粗糙度RMS均值为1.354nm(采集6个随机抽样点取平均值)。

(2)液体加热：启动磁流变液的循环系统，并将磁流变液加热至第一标定温度(即预设的理想加工温度)，其中第一标定温度依次设置为294K、296K、298K、300K、302K(即五组平行实验)，将磁流变液的温度稳定在第一标定温度。

(3)晶体加热：将KDP晶体2均匀加热至第二标定温度，保证第二标定温度与步骤(1)中的第一标定温度的相对差值低于2K，执行该步骤前通过除湿操作已保证环境湿度低于30％。KDP晶体2的溶解速率与第一标定温度呈单侧高斯型关系。

(4)温度校正：控制抛光轮1在水平放置的薄片式温度传感器3上进行定压深单点抛光，读取薄片式温度传感器3测得的接触缎带的加工温度数据，将接触缎带的加工温度数据稳定值与步骤(1)中第一标定温度进行比较，并对第一标定温度进行偏差调整，使接触缎带的加工温度数据稳定值与校正前的第一标定温度的标定数值(即步骤(1)设定的第一标定温度)相同。

(5)抛光轮对刀：待液体温度逐渐稳定在校正前的第一标定温度(预设的理想加工温度)后，移动抛光轮1至薄片式温度传感器3的正上方，缓慢下降，进行对刀操作，其中，该薄片式温度传感器3上也可以设置表面光滑平整的铜片。当磁流变液缎带与温度传感器表面接触位置出现微小的残留液滴时，记录该位置的z轴坐标。再使用千分表测量KDP晶体表面与温度传感器表面的相对高度差(KDP晶体2和薄片式温度传感器3均位于底座4上)，并与之前的温度传感器表面相对零点z轴位置相加，得到KDP晶体表面的相对零点位置。

(6)抛光加工：导入第一标定温度下的磁流变去除函数数据，将抛光轮1移至相对零点位置上方1mm(即z＝1mm)处，控制所有设备参数与环境参数不变，设置抛光轮压深为1.2mm(即z＝-0.2mm)，对KDP晶体2开始进行磁流变水溶解抛光加工，在每组标定温度下完成一组加工实验(共五组标定温度，参见步骤(1))，每组实验需要在KDP晶体2上采用均匀扫描法抛光一块40mm×12mm的矩形区域。

重复以上操作直至所有标定温度值下的程序都运行结束，完成工艺流程。

(7)结果检测：对加工后的KDP晶体面形与表面粗糙度进行离线检测，结果显示，加工后的晶体形状如图3所示。将该面形数据与图2的初始面形数据作差，可得到精确的去除量变化面形图。图3中五个矩形区域代表五个不同温度下的抛光结果，图4为抛光深度随温度变化图。结果显示，302K温度下的加工速率较294K下的提高了60.2％。图5和图6为采用本发明的方法加工前后(302K)，矩形抛光区域内某随机采样点处晶体表面粗糙度变化图。经多点随机采样，抛光后晶体表面粗糙度RMS均值由初始的1.354nm降低到0.991nm。说明通过控温的方法可以大幅提高磁流变水溶解抛光KDP晶体的加工效率，同时抛光后的表面粗糙度有改善作用，说明温度变化不会恶化晶体表面质量。以上结果表明，本发明的加工方法对于大幅提高KDP等易潮解晶体的磁流变加工效率有着很重要的工程指导意义。

本实施例中，磁流变去除函数数据是通过以下方法制作得到：

选择一块与待加工KDP晶体2材料相同的实验件，装夹在磁流变加工平台上，选择一个温度作为第一标定温度进行上述的步骤(1)到步骤(4)的操作，然后进行定压深定时单点抛光，具体步骤如下：将抛光轮1移至实验件相对零点位置上方1mm(即z＝1mm)处，稳定30秒后，控制抛光轮1下移1.1mm～1.3mm(即z＝-0.1～-0.3mm)，使抛光轮液体缎带与实验件表面接触2s～4s后，抬起抛光轮1，至此一个磁流变去除函数斑点完成；

为了方便后续在不同第一标定温度(即设定的不同加工温度)下的磁流变加工，此处可先测出不同第一标定温度下的磁流变去除函数数据汇总成数据库，过程如下：

重复上述的步骤(1)到步骤(3)(由于是同一实验件，可省略步骤(4))，设定抛光轮1在同一块实验件上不同位置进行定压深定时单点抛光，完成不同第一标定温度下的磁流变去除函数斑点制作，待所有设定温度下的加工完成后，取出实验件，通过干涉仪测出加工后的实验件面形，将加工后的实验件面形减去实验件的初始面形，即得到实验件的实际去除量(去除函数)，截取各加工温度下磁流变去除函数斑点的实际去除量数据，通过常规程序后换算成磁流变去除函数数据，将不同加工温度下得到的去除函数数据加以汇总作为一个数据库，以后加工只需要选定相应温度的去除函数数据进行调用即可完成相应温度的加工，该方法适用于磁流变精加工。

对于磁流变粗加工，可以按照以下方式估算其它第一标定温度下的磁流变去除函数数据，从而在粗加工过程中免去上述精加工步骤而直接进行其它温度下的加工。

以已经制作的一个第一标定温度下的磁流变去除函数数据为基准，利用以下的晶体去除速率理论公式估算其它不同的第一标定温度下的磁流变去除函数数据(晶体去除速率)，所述晶体去除速率理论公式为：

式中dC/dT表示易潮解晶体的体积去除率，T为第一标定温度，P为温度效率常数，P的大小由所述已经制作的一个第一标定温度下的磁流变去除函数数据结果计算得到。其它温度下的体积去除率通过改变公式中T的大小即可求出。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种提升磁流变水溶解抛光易潮解晶体加工效率的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)液体加热：将磁流变液加热至第一标定温度，并将磁流变液的温度稳定在所述第一标定温度；

(2)晶体加热：将易潮解晶体加热至第二标定温度，并保证第二标定温度与所述步骤(1)的第一标定温度的相对差值低于2K；

(3)温度校正：控制抛光轮在温度传感器上进行定压深单点抛光，读取温度传感器测得的接触缎带的加工温度数据，将接触缎带的加工温度数据稳定值与所述步骤(1)中第一标定温度进行比较，并对所述第一标定温度进行误差校正，使所述接触缎带的加工温度数据稳定值与校正前的第一标定温度相同；

(4)抛光轮对刀：将所述抛光轮在温度传感器上进行对刀，所述温度传感器的表面与易潮解晶体的表面平行，利用温度传感器表面与易潮解晶体表面的距离的差值反算出易潮解晶体的相对零点位置；

(5)抛光加工：导入所述第一标定温度下的磁流变去除函数数据，所述磁流变去除函数数据是指单位时间内易潮解晶体被加工去除的体积量，开始进行磁流变水溶解抛光加工，直至易潮解晶体的精度满足要求，完成工艺流程。

2.根据权利要求1所述的提升磁流变水溶解抛光易潮解晶体加工效率的加工方法，其特征在于，室温＜所述第一标定温度≤320K。

3.根据权利要求1所述的提升磁流变水溶解抛光易潮解晶体加工效率的加工方法，其特征在于，所述磁流变去除函数数据是通过以下方法制作得到：

选择一块与待加工易潮解晶体材料相同的实验件，选择一个温度作为第一标定温度进行如权利要求1中所述的步骤(1)到步骤(4)的操作，然后进行定压深定时单点抛光，具体步骤如下：将抛光轮移至实验件相对零点位置上方1mm处，稳定30秒后，控制抛光轮下移1.1mm～1.3mm，使抛光轮液体缎带与实验件表面接触2s～4s后，抬起抛光轮，至此一个磁流变去除函数斑点完成；取出实验件，测出加工后的实验件面形，将加工后的实验件面形减去实验件的初始面形，得到实验件的实际去除量，换算成所述第一标定温度下的磁流变去除函数数据。

4.根据权利要求3所述的提升磁流变水溶解抛光易潮解晶体加工效率的加工方法，其特征在于，在不同的第一标定温度下，重复所述磁流变去除函数数据的制作过程，得到不同第一标定温度下的磁流变去除函数数据；将不同第一标定温度下得到的磁流变去除函数数据加以汇总作为一个数据库，在磁流变水溶解抛光易潮解晶体的加工过程中选定相应温度的磁流变去除函数数据进行调用即可完成相应温度的加工，该方法适用于磁流变精加工。

5.根据权利要求3所述的提升磁流变水溶解抛光易潮解晶体加工效率的加工方法，其特征在于，以已经制作的一个第一标定温度下的磁流变去除函数数据为基准，利用以下的晶体去除速率理论公式估算其它不同的第一标定温度下的磁流变去除函数数据，所述晶体去除速率理论公式为：

式中dC/dT表示易潮解晶体的体积去除率，T为第一标定温度，P为温度效率常数，P的大小由所述已经制作的一个第一标定温度下的磁流变去除函数数据结果计算得到；

该方法适用于磁流变粗加工。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的提升磁流变水溶解抛光易潮解晶体加工效率的加工方法，其特征在于，所述易潮解晶体的溶解速率与所述第一标定温度呈单侧高斯型关系。

7.根据权利要求1～5中任一项所述的提升磁流变水溶解抛光易潮解晶体加工效率的加工方法，其特征在于，所述易潮解晶体包括KDP晶体。

8.根据权利要求1～5中任一项所述的提升磁流变水溶解抛光易潮解晶体加工效率的加工方法，其特征在于，所述步骤(2)中，在所述易潮解晶体加热之前，保证环境湿度低于30％。

9.根据权利要求1～5中任一项所述的提升磁流变水溶解抛光易潮解晶体加工效率的加工方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述温度传感器上设有表面光滑平整的铜片。

10.根据权利要求1～5中任一项所述的提升磁流变水溶解抛光易潮解晶体加工效率的加工方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述温度传感器为薄片式温度传感器，所述温度传感器呈水平放置。