CN109176163A

CN109176163A - 一种铝酸镁光学半球薄壁件的高效超精密加工方法

Info

Publication number: CN109176163A
Application number: CN201811288547.0A
Authority: CN
Inventors: 兰洁; 孟光; 袁航; 陆波; 周如好; 朱蓓蓓; 郭凌曦
Original assignee: Shanghai Aerospace Control Technology Institute
Current assignee: Shanghai Aerospace Control Technology Institute
Priority date: 2018-10-31
Filing date: 2018-10-31
Publication date: 2019-01-11

Abstract

本发明公开了一种铝酸镁光学半球薄壁件的高效超精密加工方法，通过设计高速研磨、抛光模具，研究模具制备和修整技术，将模具的面形精度控制在2μm以内；通过设计新的粘结用胶，研究粘接技术和工艺过程，解决半球薄壁件的面形变形问题；分析高速研磨、抛光技术对铝酸镁光学半球薄壁件面形精度和表面粗糙度的影响，研究加工区域材料去除机理；分析高速研磨、抛光工艺参数对研磨、抛光区域材料去除效率和表面质量的影响，创新性的采用准球心高速研磨抛光技术加工铝酸镁光学半球薄壁件，最终保证产品面形精度N＜2，ΔN＜0.2，表面粗糙度Ra<8nm，生产效率提高10倍以上，解决了铝酸镁光学半球薄壁件加工精度低和加工效率低的问题。

Description

一种铝酸镁光学半球薄壁件的高效超精密加工方法

技术领域

本发明涉及光学薄壁件加工技术领域，具体涉及一种铝酸镁光学半球薄壁件的高效超精密加工方法。

背景技术

随着科学技术和工业的发展，先进陶瓷、硅锗半导体、蓝宝石玻璃等一些具有优良性能的硬脆难加工材料在电子、光学、仪器仪表、航空航天和民用等行业的需求量很大，应用前景十分广阔。

20世纪60年代到70年代采用传统的光学冷加工抛光的方法(散粒抛光方法)，通过对磨具材料、结构、抛光液及抛光粉等方面进行一系列的改进，使硬脆材料抛光表面达到超光滑表面的要求。美国用浴法抛光(Blow Feed Polishing)在熔石英表面获得了0.3nm RMS的粗糙度。

20世纪80年代，日本研制出第一台加工超光滑表面的延展性高精度磨床为代表。将粗磨、精磨、抛光融于一体，在超精密机床上加载在线修整砂轮磨削(Electrolytic In-process Dressing，ELID)技术，使砂轮在磨削中得到在线修整，成功实现硬脆材料延展性磨削(Duticle Mode Grinding)，由毛坯直接加工出工件。

20世纪90年代初美国Rochester大学光学中心的I.V.Pr okhorov，W.I.Kordonski，D.Golini及其众多合作者将电磁学、流体动力学、分析化学相结合而提出的一种新型的光学元件加工方法--磁流变抛光。1995年，该大学的光学加工中心(COM)利用MRF方法对一批直径小于50mm的球面和非球面光学元件进行了加工，材料为BK7的光学零件表面经过抛光后的表面粗糙度达到了1nm的超光滑表面质量；该大学的E.Fess等，对氮氧化铝加工抛光后，其光学表面的峰谷值小于1μm，表面粗糙度达到10nm。

国防科技大学的张发对多晶氟化镁的保形薄壁整流罩进行了加工试验研究，其采用多体系统理论对磨削加工机床进行了精度建模与误差分析，给出了磨削机床的几何精度误差，探讨了对刀误差对加工精度的影响规律；运用正交试验方法对热压多晶氟化镁材料的磨削、车削工艺参数进行了研究，确定了优化的加工参数；基于磁流变抛光斑点法检测了磨削和车削加工产生的亚表面损伤深度，研究结果为保形整流罩的加工提供了参考；并对典型保形整流罩样件进行了加工实验，利用三坐标测量方法与轮廓仪拼接测量方法对加工工件进行了测试，达到了所要求的设计指标。

哈尔滨理工大学的梁超针对蓝宝石薄壁整流罩因其材料的硬脆性且需要去除的材料较多，加工量较大的难题开展了相关研究，分析设计了蓝宝石数控加工的特殊工装并对加工方式进行了设定。最终得出了一套系统详细的可操作的大尺寸蓝宝石整流罩加工工艺；将模糊理论与正交试验结合对蓝宝石磨削加工工艺参数进行优化分析，通过正交试验的参数数据，利用模糊综合评价方法对工艺参数进行两两优化和总体的拟合，从而推导出蓝宝石数控加工工艺的整体优化参数组合；通过对优化参数的分析，结合设计的加工工艺，经过实际加工验证，从得到的成品实际数据可知：上述优化方法以及加工工艺是可行的。

洛阳光电研究所的徐岩等对多晶氟化镁的半球薄壁整流罩进行了抛光试验，通过抛光工艺的摸索，提高了零件表面质量，缩短了抛光时间，提高了产品的生产效率。徐岩，李彩双等人通过相应的实际研究从精研模、精研磨料、抛光膜层、抛光辅料、机床速度和压力等方面摸索出了一套加工蓝宝石整流罩的实际加工工艺方法，初步掌握了球形人造蓝宝石材料的加工特点并且提出了一种改进后的精研模具。

中国空空导弹研究院的潘国庆通过在精研抛光机床的速度及压力、精研模层、抛光膜层、抛光剂、工装夹具等方面的工艺实验，总结出了加工蓝宝石材料的工艺方法和质量控制技术，解决了高硬度蓝宝石材料加工的技术瓶颈，在国内率先制造出口径超过Φ140mm的蓝宝石半球整流罩。虽然国内有了一定的研究基础，但是大都是以传统的古典研磨抛光方法加工，材料的利用率很低，而且加工量很大。

由于铝酸镁是新型的光学透明陶瓷材料，国内应用和加工的厂家较少，目前还未查询到相关加工状况。

从查询到的参考文献可看出，当前光学半球薄壁件加工还依赖于传统古典加工方法，该方法加工周期长，效率低，无法适应于大批量，高精度光学半球薄壁件的加工，因此有待于开发出新的加工方法，以解决该问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种铝酸镁光学半球薄壁件的高效超精密加工方法，以解决上述现有技术的问题。

为达到上述目的，本发明提供了一种铝酸镁光学半球薄壁件的高效超精密加工方法，其中，采用准球心研磨抛光技术加工铝酸镁光光学半球薄壁件，具体包括以下步骤：

步骤1：粗研工序：选用金刚石浓度为100％、结合剂为金属基、磨料粒度为W28的金刚石丸片，按照覆盖比50％，同心圆排列方式，用由环氧树脂E-44和650聚酰胺组成的混合胶粘结在半球形凹面模具和半球形凸面模具，在150℃温度下固化15min，制作成粗研模具；将粗研模具的面形精度精修到2μm以内并使用该粗研模具对铝酸镁光光学半球薄壁件进行粗研；

步骤2：精研工序：选用金刚石浓度为100％、结合剂为树脂基、磨料粒度为W7的金刚石丸片，按照覆盖比55％，同心圆排列方式，用由环氧树脂E-44和650聚酰胺组成的混合胶粘结在半球形凹面模具和半球形凸面模具，在150℃温度下固化15min，制作成精研模具；将精研模具的面形精度精修到2μm以内并使用该精研模具对铝酸镁光光学半球薄壁件进行精研；

步骤3：抛光工序：选用牌号为GR35、厚度为1.25mm的聚氨酯剪成六瓣或八瓣的花瓣状，对中用氰基丙稀酸酯贴在半球形凸面模具上，用对压膜对压成型，室温固化1h，制作成抛光模具；将抛光模具的面形精度精修到2μm以内并使用该抛光模具对铝酸镁光光学半球薄壁件进行抛光。

上述的铝酸镁光学半球薄壁件的高效超精密加工方法，其中，在步骤1-步骤3中，所述铝酸镁光学半球薄壁件采用由质量比为沥青：松香：虫胶＝1:5:1组成的点子胶进行粘结上盘。

上述的铝酸镁光学半球薄壁件的高效超精密加工方法，其中，所述点子胶采用同心圆排列方式进行布置。

上述的铝酸镁光学半球薄壁件的高效超精密加工方法，其中，步骤3中，选用pH值为8的抛光液、抛光压力10N、抛光转速500r/min、抛光时间6h进行抛光。

上述的铝酸镁光学半球薄壁件的高效超精密加工方法，其中，所述抛光液由粒度为W0.5的多晶钻石粉配制而成。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种铝酸镁光学半球薄壁件的高效超精密加工方法，通过设计高速研磨、抛光模具，研究模具制备和修整技术，将模具的面形精度控制在2μm以内；通过设计新的粘结用胶，研究粘接技术和工艺过程，解决半球薄壁件的面形变形问题；分析高速研磨、抛光技术对铝酸镁光学半球薄壁件面形精度和表面粗糙度的影响，研究加工区域材料去除机理；分析高速研磨、抛光工艺参数对研磨、抛光区域材料去除效率和表面质量的影响，创新性的采用准球心高速研磨抛光技术加工铝酸镁光学半球薄壁件，最终保证产品面形精度N＜2，ΔN＜0.2，表面粗糙度Ra<8nm，生产效率提高10倍以上，解决了铝酸镁光学半球薄壁件加工精度低和加工效率低的问题。

附图说明

图1是点子胶精密上盘示意图；

图2是抛光转速与表面粗糙度的对应关系图；

图3是抛光压力与表面粗糙度的对应关系图；

图4是抛光液pH值与表面粗糙度的对应关系图；

图5是抛光时间与表面粗糙度的对应关系图；

图6是铝酸镁整流罩表面粗糙度测量图；

图7是多晶铝酸镁球形整流罩成品图。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。

本发明的技术方案如下：

1、光学半球薄壁件高速研磨抛光模具研究

本发明采用准球心高速研磨抛光技术加工光学半球薄壁件，高速研磨、抛光模具制备如下：

(1)高速粗研工序选用金刚石浓度为100％、结合剂为金属基、磨料粒度为W28的金刚石丸片，按照覆盖比50％，同心圆排列方式，用由环氧树脂E-44和650聚酰胺组成的混合胶粘结在半球形凹面模具和半球形凸面模具，在150℃温度下固化15min，制作成高速粗研模具。

(2)高速精研工序选用金刚石浓度为100％、结合剂为树脂基、磨料粒度为W7的金刚石丸片，按照覆盖比55％，同心圆排列方式，用由环氧树脂E-44和650聚酰胺组成的混合胶粘结在半球形凹面模具和半球形凸面模具，在150℃温度下固化15min，制作成高速精研模具。

(3)高速抛光工序选用牌号GR35厚度为1.25mm的聚氨酯剪成六瓣或八瓣的花瓣状，对中用氰基丙稀酸酯贴在半球形凸面模具上，用对压膜对压成型，室温固化1h，制作成高速抛光模具。

(4)用相应的修整模具将高速研磨、抛光模具的面形精度精修到2um以内。

2、光学半球薄壁件精密上盘技术研究

开展了半球薄壁整流罩精密上盘方法研究，点子胶的配比为沥青：松香：虫胶＝1:5:1，此时点子胶的各项性能最好；粘结模具在制造时的面形精度必须达到2μm以内，并按图1所示的同心圆排列方式上盘，才能很好地保证半球薄壁整流罩的上盘质量和抛光后的面形精度N＜2，ΔN＜0.2。

3、铝酸镁光学半球薄壁件高速抛光表面质量控制技术研究

铝酸镁光学半球薄壁件最终表面粗糙度要求控制在Ra<8nm，而表面粗糙度的控制是一个综合型的技术，需要开展以下几方面的研究。通过工艺试验找出抛光转速、抛光压力、抛光液pH值和抛光时间等工艺参数对铝酸镁高速抛光表面粗糙度的影响，选择最适合铝酸镁半球薄壁整流罩高速抛光的工艺参数。

(1)抛光转速

选择抛光液流量为1L/min，抛光液pH值为7，抛光粉为多晶钻石粉，粒度为W0.5，抛光压力选8N，抛光时间为5h。分别取转速为300r/min，400r/min，500r/min，600r/min，700r/min，800r/min进行多晶铝酸镁半球薄壁整流罩抛光试验研究，试验结果如图2所示。

图2为高速抛光转速与表面粗糙度的对应关系。实验结果表明，适当提高抛光盘的转速，可以降低工件表面粗糙度，提高抛光表面质量。但是转速太高不利于获得高精度的表面。这是因为转速高时，胶体粒子动能增加，故与多晶铝酸镁表面原子之间碰撞、扩散成功的概率增加；而且磨料粒子在单位时间滑过工件表面的次数增加，表面活泼原子、化学反应物被擦除的速度增加，这些都增加多晶铝酸镁表面材料去除速率，提高抛光效率，但由于表面各点去除差异随之增加，获得的表面粗糙度较高，表面质量变差，因此对多晶铝酸镁半球薄壁整流罩的高效抛光转速选500r/min为宜，此时粗糙度为9.6nm。

(2)抛光压力

抛光压力是通过机床加弹簧载荷或者通压缩气载荷形成的。压力太大抛光热量过大，抛光模的损耗很大，表面粗糙度较大，面形变化起伏，抛光模具的顶针孔损耗大；压力太低，抛光效率低。选择抛光液流量为1L/min，抛光液pH值为7，抛光粉为多晶钻石粉，粒度为W0.5，抛光转速选500r/min，抛光时间为5h，分别设置抛光压力为0，5N，10N，15N和20N进行试验研究，试验结果如图3所示。

图3为高速抛光压力与表面粗糙度的对应关系。从结果来看，随着压力的增加多晶铝酸镁半球薄壁整流罩表面粗糙度呈先降低后升高的趋势。由于多晶铝酸镁材料硬度很高，在抛光压力较小时，抛光模未能将整流罩表面研磨工序中产生的损伤层去除，而导致表面粗糙度非常大，达到了20.3nm；而随着抛光压力的增大，表面粗糙度迅速降低，表面质量不断变好，但当抛光压力进一步提升，由于抛光压力过大，导致抛光模变形，同时整流罩表面出现划伤、亮丝等疵病，反而加剧了整流罩表面粗糙度。因此对多晶铝酸镁半球薄壁整流罩的高速抛光压力选10N为宜，此时粗糙度Ra为8.3nm。

(3)抛光液PH值

选择抛光液流量为1L/min，抛光粉为多晶钻石粉，粒度为W0.5，抛光转速选500r/min，抛光时间为5h，抛光压力为10N。改变抛光液的pH值，分别取pH为5，6，7，8，9进行试验研究，结果如图4所示。

图4为高速抛光液pH值与表面粗糙度的对应关系。在抛光中，多晶铝酸镁表面较活泼的Li2O、Al2O3与抛光液中的H2O的结合，电离出微量的OH^-，抛光中摩擦产生的局部高温，促进酸性溶液中H⁺和OH^-的结合，进而促进Li2O、Al2O3和H2O进一步结合，大量的Li⁺、Al³⁺形成并进入溶液，所以酸性环境抛光腐蚀占主体，粗糙度受影响，碱性溶液抑制了OH^-的电离，腐蚀较小，主要靠处于工件与抛光模之间的磨粒对表面凸起部分的轻擦和凸起部分的塑性流动来改善。所以碱性溶液能获得较好的表面。但是pH值过大，抛光液中的OH^-增多，同样会增加工件表面的腐蚀，导致表面质量变差。因此对多晶铝酸镁半球薄壁整流罩高速抛光液的pH值选8为宜。

(4)抛光时间

在抛光工艺中，时间参数决定实际抛光效率。对于球形整流罩表面的抛光加工，旨在去除研磨过程中产生的损伤和加工变质层，以减小表面粗糙度，获得表面质量较高的工件。

选择抛光液流量为1L/min，抛光粉为多晶钻石粉，粒度为W0.5，抛光转速选500r/min，抛光压力为10N，抛光液的pH值为8，选5个研磨后的多晶铝酸镁球形整流罩，分别抛光4h，5h，6h，7h和8h，试验结果如图5所示。

图5为抛光时间与表面粗糙度的对应关系图，从试验结果可知，在刚开始抛光时，工件与抛光模具处于磨合阶段，表面质量较差，在抛光6h时表面粗糙度Ra达到了6nm，已经优于设计要求。随着抛光继续进行，工件表面与抛光模具两者间的摩擦作用变小，使得抛光效率逐步降低。从工件的表面粗糙度可知，若抛光时间不够，抛光的材料去除率还没有超过研磨工序的亚表面损伤层，表面质量还没有达到抛光要求的表面粗糙度；在抛光6h后，工件的表面粗糙度达到最小值6nm，工件表面质量达到最好的状态；随着抛光时间的延长，表面质量逐步变差，究其原因是过长时间的抛光，导致工件表面被抛光液中化学成分微量腐蚀，同时抛光模具磨损严重，工件的表面质量急剧变差。所以多晶铝酸镁半球薄壁整流罩高效抛光时间选6h为宜。

通过上述工艺试验，选用pH值为8的抛光液、抛光压力10N、抛光转速500r/min、抛光时间6h，可以获得高质量的抛光表面，表面粗糙度Ra为6.0nm，测量结果如图6所示，多晶铝酸镁半球薄壁整流罩成品如图7所示。

本发明实现一种铝酸镁光学半球薄壁件的高效超精密加工方法，特别用于硬脆材料(铝酸镁、蓝宝石、氮氧化铝等材料)光学半球薄壁件的高效超精密加工，对于各类光学薄壁件的高效超精密加工也具有借鉴意义。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种铝酸镁光学半球薄壁件的高效超精密加工方法，其特征在于，采用准球心研磨抛光技术加工铝酸镁光光学半球薄壁件，具体包括以下步骤：

步骤1：粗研工序：选用金刚石浓度为100%、结合剂为金属基、磨料粒度为W28的金刚石丸片，按照覆盖比50%，同心圆排列方式，用由环氧树脂E-44和650聚酰胺组成的混合胶粘结在半球形凹面模具和半球形凸面模具，在150℃温度下固化15min，制作成粗研模具；将粗研模具的面形精度精修到2μm以内并使用该粗研模具对铝酸镁光光学半球薄壁件进行粗研；

步骤2：精研工序：选用金刚石浓度为100%、结合剂为树脂基、磨料粒度为W7的金刚石丸片，按照覆盖比55%，同心圆排列方式，用由环氧树脂E-44和650聚酰胺组成的混合胶粘结在半球形凹面模具和半球形凸面模具，在150℃温度下固化15min，制作成精研模具；将精研模具的面形精度精修到2μm以内并使用该精研模具对铝酸镁光光学半球薄壁件进行精研；

2.如权利要求1所述的铝酸镁光学半球薄壁件的高效超精密加工方法，其特征在于，在步骤1-步骤3中，所述铝酸镁光学半球薄壁件采用由质量比为沥青：松香：虫胶=1:5:1组成的点子胶进行粘结上盘。

3.如权利要求2所述的铝酸镁光学半球薄壁件的高效超精密加工方法，其特征在于，所述点子胶采用同心圆排列方式进行布置。

4.如权利要求1所述的铝酸镁光学半球薄壁件的高效超精密加工方法，其特征在于，步骤3中，选用pH值为8的抛光液、抛光压力10N、抛光转速500r/min、抛光时间6h进行抛光。

5.如权利要求4所述的铝酸镁光学半球薄壁件的高效超精密加工方法，其特征在于，所述抛光液由粒度为W0.5的多晶钻石粉配制而成。