CN109015393A - 一种光学元件超光滑表面的抛光装置及抛光方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光学元件超光滑表面抛光技术领域，具体涉及一种光学元件超光滑表面的抛光装置及抛光方法。来克服现有技术存在的抛光效率低，需高精度数控机床控制，以及大面积去除出现波度误差的情况。本抛光装置为轴对称结构，包括管道和中间供液的磨头，磨头下端的抛光面为平面，沿圆心在抛光面上等间距设置有数个环状沟槽，环状沟槽分布于抛光面的外圆处；管道将抛光液输送到磨头中心,抛光液为牛顿流体，在压力的作用下抛光液从磨头中心向四周流动，在磨头的抛光面与工件之间形成液膜将磨头与工件隔离开，磨头漂浮在工件表面上，流体流经抛光区域，在抛光面的凹槽处形成涡流，斜入射到工件表面，对工件表面产生剪切力，实现材料的去除。

Description

一种光学元件超光滑表面的抛光装置及抛光方法
技术领域：
本发明涉及光学元件超光滑表面抛光技术领域，具体涉及一种光学元件超光滑表面的抛光装置及抛光方法。
背景技术：
近年来光学元件在航空航天、国防军工、核能工业、天文探测、光电工业等领域应用越来越广泛，特别是在短波紫外光和强激光中应用的光学元件，对光学元件的面型和粗糙度都有很高的要求，如粗糙度指标从传统的光学元件十几个纳米发展到1个纳米以下，也就是光学元件的超光滑表面加工。
目前光学元件超光滑表面加工技术主要采用的方法有：浴法抛光、超精密气囊抛光、磁流变抛光、离子束抛光、磨料射流抛光等技术，都已经获得了亚纳米精度的光学元件光滑表面，但是它们都存在一定的局限性。
浴法抛光中抛光液浸没抛光盘和工件的接触面，抛光盘绕自身旋转的同时保持水平摆动，保证被抛光件上的每一点与抛光盘上每一点随机接触，以使工件材料被均匀去除。浴法抛光加工效率低，并且在加工过程中不断要保持抛光液的均匀性，对工艺过程要求十分严格。
磨料射流抛光技术是利用混有磨料的射流液体束冲击在光学零件表面实现，抛光加工过程中射流与工件接触为点或者小面积接触，加工区域小，效率低，如果要实现大面积加工，需要借助高精度的数控机床去控制喷嘴或工件的移动来实现，并且在移动过程中容易形成表面面型的加工纹路，产生波度误差。
发明内容：
本发明要提供一种光学元件超光滑表面抛光装置及抛光方法，来克服现有技术存在的抛光效率低，需高精度数控机床控制，以及大面积去除出现波度误差的情况。
为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种光学元件超光滑表面的抛光装置，为轴对称结构，包括管道和中间供液的磨头，所述磨头下端的抛光面为平面，沿圆心在抛光面上等间距设置有数个环状沟槽，环状沟槽的截面为圆弧型，所述环状沟槽分布于抛光面的外圆处。
一种光学元件超光滑表面的抛光装置的抛光方法，所述管道将抛光液输送到磨头中心,所述抛光液为牛顿流体，在压力的作用下抛光液从磨头中心向四周流动，在磨头的抛光面与工件之间形成液膜将磨头与工件隔离开，磨头漂浮在工件表面上，流体流经抛光区域，在抛光面的凹槽处形成涡流，斜入射到工件表面，对工件表面产生剪切力，实现材料的去除。
上述磨头重力控制在20kg～60kg之间。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、相对于射流抛光等类似抛光技术的单点抛光，液浮抛光技术可以实现大面积的材料去除效果，大大提高了加工效率。
2、因为主体是液体本身具有柔软性，磨粒对工件表面去除加工是柔性加工非刚性磨削，所以不会产生亚表层损伤，可以加工出很低粗糙度的工件。
3、由于采用的是液浮方法，磨头浮在液体上面，磨头不直接接触工件表面，磨头采用万向节结构施加压力或采用配重，磨头表面会因液浮原理自动同工件表面保持平行，避免了刚性控制要求很高的定位精度，并且对磨头表面的面型要求不高，这种加工方法对工艺加工过程不严苛，对设备控制和磨头的加工精度要求低，整体设备成本低。
附图说明：
图1浴法抛光工作原理图；
图2磨料射流抛光原理图；
图3是本发明装置结构示意图；
图4是图3的磨头局部放大图；
图5是流体在平行管内的流动示意图；
图6模型速度矢量分布；
图7为沟槽流场分布放大结果；
图8是沟槽结构部分液体的流动方向示意图；
图9是沟槽速度矢量分布图；
图10是工件表面湍流分布图；
图11是沟槽处剪切云图分布图；
图12是工件表面剪切力分布图；
图13是模型静压分布图；
图14是工件表面静压分布图；
图15是模型图；
图中：1-管道、2-磨头、3-凹槽、4-工件、5-抛光区域。
具体实施方式：
参见图1，公知的浴法抛光的工作原理：抛光液浸没抛光区域，即抛光盘和工件的接触面，抛光盘绕自身旋转的同时保持水平摆动，保证被抛光件上的每一点与抛光盘上每一点随机接触，以使工件材料被均匀去除。
参见图2，公知的磨料射流抛光技术是利用机械搅拌的方式使磨料及基载液混合均匀，然后经由压力系统吸入到喷嘴中形成射流，射流束以一定的角度以及冲击速度喷射到工件表面，进而达到对工件的去除效果。
下面将结合附图和实施例对本发明进行详细地说明。
实施例1：
一种光学元件超光滑表面的抛光装置(参见图3)，为轴对称结构，包括管道1和中间供液的磨头2，所述磨头2下端的抛光面为平面，沿圆心在抛光面上等间距设置有数个环状沟槽，环状沟槽的截面为圆弧型，所述环状沟槽分布于抛光面的外圆处。
一种光学元件超光滑表面的抛光装置的抛光方法，所述管道将抛光液输送到磨头中心,所述抛光液为牛顿流体，在压力的作用下抛光液从磨头中心向四周流动，在磨头的抛光面与工件4之间形成液膜将磨头与工件隔离开(参见图4)，磨头漂浮在工件表面上，流体流经抛光区域5，在抛光面的凹槽3处形成涡流，斜入射到工件表面，对工件表面产生剪切力，实现材料的去除。
本发明中材料去除机理如下：
当磨头的抛光面设计为平面结构时，牛顿流体在去除区域的工件表面速度几乎为零，如图5所示，流体在平行管道内部的流动情况，其速度的分布从呈梯度变化，靠近壁面逐渐减小，在壁面处速度为零，根据流体动力学理论，其对壁面不产生剪切效果。借鉴射流抛光中液体斜入射到工件表面的原理，将抛光面设置为同心圆环形沟槽结构，如图6所示，通过对此模型进行仿真，得到沟槽处流体的流动状态，理论上验证了我们设计的磨头结构满足当流体流经抛光面时，在沟槽处产生涡流，如图7为其沟槽的放大结果，涡流会使抛光液以一定角度及速度冲击工件表面，通过碰撞去除工件表面分子或原子，流体与工件之间产生相对运动，与工件发生碰撞后达到材料去除的效果。
这里借助ANSYS中的FLUENT模块对本研究模型进行仿真，设置流体入口压力0.6MPa，磨头入口半径d为6mm，抛光面与被抛光件之间的间距h为0.2mm，这里，磨头入口处流体的压强与磨头的重力决定了抛光面与被抛光件之间的间距。这里抛光液为去离子水加SiC抛光粉，其密度大小为3200kg/m3，湍流模型选用k-ε模型，解算器选用Mixture两相流模型求解，这里所设计的沟槽结构，如图8所示，当流体流经沟槽后其斜入射到工件表面的角度α设置为60°。经后处理得以下结果，图9为沟槽处速度矢量分布，图10为工件表面湍流分布。从图8中可以看出在沟槽处速度达3m/s左右，工件表面的湍流分布在沟槽处发生急剧变化。图11为沟槽处剪切力云图分布情况，可以看出流体经过沟槽之后剪切力发生较大增强，图12为工件表面具体的剪切力分布的情况。图13为静压力的分布情况，随着流体向外围流动时，距离中心越远，其压力呈递减趋势分布，如图14所示，符合流体动力学理论基础。
实施例2：
本实施例对磨头的结构进行改进，由于基于初始的磨头结构，磨头的重力是一个变量，需要改变加在磨头上的砝码重力去调整，所以这里可以将磨头设计为通用的万向节结构，通过气压给磨头加压，如图15所示，抛光液从两边对称的入口进入到磨头内部。通过磨头，然后对工件实现去除，其去除机理同上方相同，气压的压力调节可以使磨头的重力控制在20kg～60kg之间，即对应气压的大致调制范围为：0.15MPa～0.6MPa。

Claims (3)

1.一种光学元件超光滑表面的抛光装置，其特征在于：其为轴对称结构，包括管道(1)和中间供液的磨头(2)，所述磨头(2)下端的抛光面为平面，沿圆心在抛光面上等间距设置有数个环状沟槽，环状沟槽的截面为圆弧型，所述环状沟槽分布于抛光面的外圆处。
2.根据权利要求1所述的一种光学元件超光滑表面的抛光装置的抛光方法，其特征在于：所述管道(1)将抛光液输送到磨头(2)中心,所述抛光液为牛顿流体，在压力的作用下抛光液从磨头(2)中心向四周流动，在磨头(2)的抛光面与工件(4)之间形成液膜将磨头(2)与工件(4)隔离开，磨头(2)漂浮在工件(4)表面上，流体流经抛光区域(5)，在抛光面的凹槽(3)处形成涡流，斜入射到工件表面，对工件表面产生剪切力，实现材料的去除。
3.根据权利要求2所述的一种光学元件超光滑表面的抛光装置的抛光方法，其特征在于：所述磨头(2)重力控制在20kg～60kg之间。
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