CN107817568A - 大长径比非球面光学元件凹面加工的装夹装置及装夹方法 - Google Patents

Abstract

大长径比非球面光学元件凹面加工的装夹装置及装夹方法，它涉及机加工装夹装置技术领域。本发明为解决现有大长径比非球面光学元件凹面加工时的精密安全装夹及常规加工后难拆卸的问题。装夹装置包括夹具底座、多个定位基体和多个粘结基体，多个定位基体和多个粘结基体沿圆周方向交替设置在夹具底座的上端面，定位基体和粘结基体的内侧壁均为曲面，定位基体的内侧壁所构成的曲线方程与大长径比非球面光学元件外表面的曲线方程相同，粘结基体内侧壁曲面的水平径向尺寸大于相同高度处定位基体内侧壁曲面的水平径向尺寸。装夹方法：涂抹低应力紫外固化胶；辐照成型；拆卸装夹装置。本发明用于大长径比非球面光学元件凹面加工。

Description

大长径比非球面光学元件凹面加工的装夹装置及装夹方法

技术领域

本发明涉及大长径比非球面光学元件凹面加工的装夹装置及装夹方法。

背景技术

红外整流罩是空空发射器的关键部件之一。随着红外空空发射器速度的不断增高,射程变得更远,尤其是在超音速飞行时发射器的减阻问题就显得十分重要。这就要求处于发射器最前端的整流罩除了具有良好的光、机、热性能以外,还要具有良好的气动外形。

以往的红外制导空空发射器使用内外半径同心的球冠或半球形整流罩。遗憾的是长径比为0.5的半球形整流罩也不是高速发射器的理想外形,不能获得最佳的空气动力学外形，安装半球形整流罩空空发射器的相当一部分阻力来自整流罩。发射器在不同马赫数飞行时整流罩的阻力系数受到整流罩长径比的影响很大。大量实验表明，随着红外整流罩长径比的增大，整流罩的阻力系数明显减小。大长径比的保形整流罩可以显著地降低飞行器的飞行阻力，改善飞行器周围的空气流场，减小气动光学效应对飞行器内部成像质量的影响，因此，大长径比结构形式的保形整流罩以及非球面光学元件成为当今整流罩形状发展的主要趋势。

大长径比非球面光学元件的非常规形状与传统半球形光学元件相比具有不可比拟的气动性优势，但这也给其精密、超精密加工带来了极大的困难和挑战。在大长径比非球面光学元件凹面精密加工过程中存在着因口径小、深度大、外凸面为非球面导致的难装夹问题。大长径比非球面光学元件通常为薄壁硬脆材料，进行凹面加工时，无法进行光学非球面凸面加工中常用的直接真空吸附装夹或中空粘结装夹。常用的非球面光学工件装夹装置及方法为光学工件外表面与装夹装置完全贴合的结构形式，并在工件内部与装夹装置之间用低应力胶进行粘结，加工完成后采用加热的方式使低应力胶失效完成工件的拆卸。

这种传统方法存在的主要问题是由于光学元件为的大长径比的形状特征，用普通的粘结剂进行粘结后，由于大长径比光学元件材料与装夹装置材料的热膨胀系数存在差异，常规的加热除胶方法极易因元件与夹具的膨胀变形量的不统一而造成光学元件受到夹具膨胀而被胀裂。

发明内容

本发明为了解决现有大长径比非球面光学元件凹面加工时的精密安全装夹及常规加工后难拆卸的问题，进而提出大长径比非球面光学元件凹面加工的装夹装置及装夹方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

大长径比非球面光学元件凹面加工的装夹装置包括夹具底座、多个定位基体和多个粘结基体，多个定位基体和多个粘结基体沿圆周方向交替设置在夹具底座的上端面，定位基体和粘结基体的内侧壁均为曲面，定位基体的内侧壁所构成的曲线方程与大长径比非球面光学元件外表面的曲线方程相同，粘结基体内侧壁曲面的水平径向尺寸大于相同高度处定位基体内侧壁曲面的水平径向尺寸。

大长径比非球面光学元件凹面加工的装夹方法包括如下步骤：

步骤一：涂抹低应力紫外固化胶：首先将装夹装置中的夹具底座安装在机床工件轴上，然后将低应力紫外固化胶均匀涂抹在粘结基体的内侧壁上，然后将大长径比非球面光学元件直接放置在多个定位基体和多个粘结基体的内侧面组成的容腔内，使大长径比非球面光学元件的外表面与定位基体和粘结基体之间保持紧密贴合；

步骤二：辐照成型：用紫外线灯源对装夹装置的粘结基体进行辐照，直至低应力紫外固化胶完全固化，完成大长径比非球面光学元件与粘结基体之间的粘结；

步骤三：拆卸装夹装置：首先将加工后的大长径比非球面光学元件和装夹装置从机床上拆卸下来，然后将大长径比非球面光学元件和装夹装置放置在丙酮溶剂中，在恒温25℃的条件下，浸泡3小时，使低应力紫外固化胶溶解，实现大长径比非球面光学元件的脱离。

本发明与现有技术相比包含的有益效果是：

本发明用于大长径比非球面光学元件内表面精密加工的装夹装置能有效满足头罩装夹时的高精度低应力的要求，实现大长径比非球面光学元件在加工后安全可靠的拆卸。利用本发明的装夹装置和装夹方法对大长径比非球面光学元件进行装夹，拆卸后的大长径比非球面光学元件其膨胀变形量可以控制在0.1mm以内，极大提高了加工精度。本发明提高了非球面光学元件的加工精度，提高了非球面光学元件在加工后拆卸过程中的安全性。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图2中的I处放大图；

图4是图1的主视剖视图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述大长径比非球面光学元件凹面加工的装夹装置包括夹具底座3、多个定位基体1和多个粘结基体2，多个定位基体1和多个粘结基体2沿圆周方向交替设置在夹具底座3的上端面，定位基体1和粘结基体2的内侧壁均为曲面，定位基体1的内侧壁所构成的曲线方程与大长径比非球面光学元件外表面的曲线方程相同，粘结基体2内侧壁曲面的水平径向尺寸大于相同高度处定位基体1内侧壁曲面的水平径向尺寸。

多个定位基体1和多个粘结基体2沿圆周方向交替设置在夹具底座3的上端面，定位基体1和粘结基体2的内侧面形成一个容腔，将大长径比非球面光学元件设置在容腔内，整个夹具包裹在大长径比非球面光学元件的外侧。先将装夹装置毛坯材料的夹具底座3与超精密机床连接并进行超精密车削加工，使加工后的定位基体1内表面的曲线方程与大长径比非球面光学元件外表面方程一致，定位基体1加工后面形精度保证在1微米以内，从而实现精密定位。装夹大长径比非球面光学元件时，可直接将大长径比非球面光学元件放入夹具内进行定位，由于夹具内表面定位单元的曲线方程与大长径比非球面光学元件外表面曲线方程保持一致，因此可以实现紧密贴合，定位方法简单而且定位精度高。粘结基体2内侧壁曲面的水平径向尺寸大于相同高度处定位基体1内侧壁曲面的水平径向尺寸，即粘结基体2的内侧壁曲面与定位基体1的内侧壁曲面在相同高度处的水平径向尺寸存在差值，在进行定位装夹时，粘结基体2与大长径比非球面光学元件的外侧壁之间留有涂抹低应力胶的空间，以使后期在粘结基体2的内侧壁涂抹低应力胶后，低应力胶将粘结基体2和大长径比非球面光学元件充分粘结在一起，同时胶体不会被挤压到定位基体1上，保证胶体的厚度不会对大长径比非球面光学元件的定位造成影响。

具体实施方式二：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述定位基体1为聚甲基丙烯酸甲酯制作的定位基体，粘结基体2为聚甲基丙烯酸甲酯制作的粘结基体，夹具底座3为聚甲基丙烯酸甲酯制作的夹具底座。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。

本装夹装置材质为聚甲基丙烯酸甲酯，聚甲基丙烯酸甲酯缩写代号为PMMA，俗称有机玻璃，是迄今为止合成透明材料中质地最优异，价格又比较适宜的品种，它的比重不到普通玻璃的一半，抗碎裂能力却高出几倍，它有良好的绝缘性和机械强度又易加工，PMMA是目前最优良的高分子透明材料，光学透过率达到92％。装夹装置PMMA材料易进行车削加工且加工精度较高，因此可以与大长径比非球面光学元件外表面实现紧密贴合。

具体实施方式三：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述定位基体1和粘结基体2的下端面与夹具底座3的上端面固接。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述相邻的定位基体1与粘结基体2之间固接。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述定位基体1和粘结基体2内侧的下端均设有圆弧缺口4。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一、二或四相同。

如此设计多个圆弧缺口4组成一个圆形通孔，使大长径比非球面光学元件的尖端可以延伸到圆形通孔内，保证大长径比非球面光学元件的外侧壁与定位基体1与粘结基体2的内侧壁紧密贴合。

具体实施方式六：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述粘结基体2内侧壁曲面的水平径向尺寸比相同高度处定位基体1内侧壁曲面的水平径向尺寸大0.1mm。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式五相同。

如此设计以便于在粘结基体2的内侧面涂抹低应力紫外固化胶，使完成涂胶后定位基体1的内侧壁与大长径比非球面光学元件依然能够保持紧密贴合。

具体实施方式七：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述定位基体1和粘结基体2的数量均为三个。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述大长径比非球面光学元件凹面加工的装夹方法包括如下步骤：

步骤一：涂抹低应力紫外固化胶：首先将装夹装置中的夹具底座3安装在机床工件轴上，然后将低应力紫外固化胶均匀涂抹在粘结基体2的内侧壁上，然后将大长径比非球面光学元件直接放置在多个定位基体1和多个粘结基体2的内侧面组成的容腔内，使大长径比非球面光学元件的外表面与定位基体1和粘结基体2之间保持紧密贴合；

步骤二：辐照成型：用紫外线灯源5对装夹装置的粘结基体2进行辐照，直至低应力紫外固化胶完全固化，完成大长径比非球面光学元件与粘结基体2之间的粘结；

步骤三：拆卸装夹装置：首先将加工后的大长径比非球面光学元件和装夹装置从机床上拆卸下来，然后将大长径比非球面光学元件和装夹装置放置在丙酮溶剂中，在恒温25℃的条件下，浸泡3小时，使低应力紫外固化胶溶解，实现大长径比非球面光学元件的脱离。

由于非球面光学元件的大长径比的特殊形状以及大尺寸等因素导致其只能用粘结的方式与装夹装置固定，装夹时在三个粘结基体2的内表面均匀涂抹低应力胶，普通的粘结剂在固化的过程中容易发生很大的体积变化，导致形成应力，低应力胶是一种常见的紫外固化胶，可以通过紫外线透过透明PMMA夹具进行辐照，短时间内固化，并且体积变化极小，固化后产生的应力小，安全可靠。将大长径比非球面光学元件放入装夹装置，通过粘结基体2进行粘结，通过定位基体1进行定位。然后，用紫外光灯源5对PMMA材料装夹装置粘结基体2部分进行均匀辐照，因为PMMA具有很好的光学透过性，因此，很容易短时间内实现低应力胶的固化，使得夹具与元件进行低应力粘结，由于定位基体1与光学元件曲线方程一致，因此利用定位基体1定位可以保证大长径比非球面光学元件与夹具贴合紧密，粘结基体2与光学元件之间存在一层固化的胶层，可以起到一定的支撑作用，避免加工过程中造成光学元件的弹性变形。

加工后的光学元件与夹具需要进行安全拆卸，由于低应力胶和PMMA都溶于丙酮溶剂，丙酮溶剂即为无水丙酮，无需加热，可以采取用丙酮浸泡的方式实现快速安全拆卸。夹具和光学元件之间很容易因低应力胶的失效和PMMA夹具材料的溶解而实现分离，避免了常规加热除胶方式因热膨胀系数不同导致光学元件受到破坏，完成装夹装置与非球面光学元件间的安全拆卸。

具体实施方式九：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述步骤一中低应力紫外固化胶的涂抹厚度为0.1mm。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述步骤二中紫外线灯源5对对每个粘结基体2的辐照的时间分别为5分钟。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式八或九相同。

Claims (10)

1.大长径比非球面光学元件凹面加工的装夹装置，其特征在于：所述大长径比非球面光学元件凹面加工的装夹装置包括夹具底座(3)、多个定位基体(1)和多个粘结基体(2)，多个定位基体(1)和多个粘结基体(2)沿圆周方向交替设置在夹具底座(3)的上端面，定位基体(1)和粘结基体(2)的内侧壁均为曲面，定位基体(1)的内侧壁所构成的曲线方程与大长径比非球面光学元件外表面的曲线方程相同，粘结基体(2)内侧壁曲面的水平径向尺寸大于相同高度处定位基体(1)内侧壁曲面的水平径向尺寸。

2.根据权利要求1所述大长径比非球面光学元件凹面加工的装夹装置，其特征在于：所述定位基体(1)为聚甲基丙烯酸甲酯制作的定位基体，粘结基体(2)为聚甲基丙烯酸甲酯制作的粘结基体，夹具底座(3)为聚甲基丙烯酸甲酯制作的夹具底座。

3.根据权利要求1或2所述大长径比非球面光学元件凹面加工的装夹装置，其特征在于：所述定位基体(1)和粘结基体(2)的下端面与夹具底座(3)的上端面固接。

4.根据权利要求3所述大长径比非球面光学元件凹面加工的装夹装置，其特征在于：所述相邻的定位基体(1)与粘结基体(2)之间固接。

5.根据权利要求1、2或4所述大长径比非球面光学元件凹面加工的装夹装置，其特征在于：所述定位基体(1)和粘结基体(2)内侧的下端均设有圆弧缺口(4)。

6.根据权利要求5所述大长径比非球面光学元件凹面加工的装夹装置，其特征在于：所述粘结基体(2)内侧壁曲面的水平径向尺寸比相同高度处定位基体(1)内侧壁曲面的水平径向尺寸大0.1mm。

7.根据权利要求6所述大长径比非球面光学元件凹面加工的装夹装置，其特征在于：所述定位基体(1)和粘结基体(2)的数量均为三个。

8.大长径比非球面光学元件凹面加工的装夹方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤一：涂抹低应力紫外固化胶：首先将装夹装置中的夹具底座(3)安装在机床工件轴上，然后将低应力紫外固化胶均匀涂抹在粘结基体(2)的内侧壁上，然后将大长径比非球面光学元件直接放置在多个定位基体(1)和多个粘结基体(2)的内侧面组成的容腔内，使大长径比非球面光学元件的外表面与定位基体(1)和粘结基体(2)之间保持紧密贴合；

步骤二：辐照成型：用紫外线灯源(5)对装夹装置的粘结基体(2)进行辐照，直至低应力紫外固化胶完全固化，完成大长径比非球面光学元件与粘结基体(2)之间的粘结；

步骤三：拆卸装夹装置：首先将加工后的大长径比非球面光学元件和装夹装置从机床上拆卸下来，然后将大长径比非球面光学元件和装夹装置放置在丙酮溶剂中，在恒温25℃的条件下，浸泡3小时，使低应力紫外固化胶溶解，实现大长径比非球面光学元件的脱离。

9.根据权利要求8所述一种用于高陡度保形头罩表面加工的装夹方法，其特征在于：所述步骤一中低应力紫外固化胶的涂抹厚度为0.1mm。

10.根据权利要求8或9所述一种用于高陡度保形头罩表面加工的装夹方法，其特征在于：所述步骤二中紫外线灯源(5)对对每个粘结基体(2)的辐照的时间分别为5分钟。