CN109262376B - 一种用于降低薄板形材料离子束抛光时热应力的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于降低薄板形材料离子束抛光时热应力的装置，包括发射单元、蓝宝石板材、发热单元、散热底座、夹具及其定位机构，发射单元发射出离子束并在蓝宝石板材的被抛光表面形成光斑；加热阵列由多个发热单元紧凑排列而成；加热阵列的一面与散热底座压紧装配，另一面与薄板形状的蓝宝石板材的未加工面压紧装配；加热阵列与所述蓝宝石板材相接触的表面积不大于离子束在蓝宝石板材的被抛光表面形成的光斑的面积；散热底座、加热阵列和所述蓝宝石板材通过夹具及其定位机构实现安装和固定；采用本发明的降低薄板形材料离子束抛光时热应力的装置和方法，可有效避免光学材料特别是高热膨胀系数光学材料在抛光时因热应力而导致开裂的情况。
Description
技术领域
本发明属于光学加工技术领域，具体涉及一种用于降低薄板形材料离子束抛光时热应力的装置，还涉及一种用于降低薄板形材料离子束抛光时热应力的方法。
背景技术
离子束抛光是一种超精密的光学加工技术。其原理是将氩气等惰性气体待离子化后，轰击加工件的表面，通过物理溅射效应实现对光学材料的加工。
在现有的离子束抛光技术中，离子束以某种特定的扫描轨迹，对被加工的材料进行扫描,抛光过程中离子束的光斑在工件表面的扫描路径、速度、加速度和驻留时间通常是由工件的表面原始数据反馈到离子束加工系统的控制计算机，并且由计算机实时计算来确定的。对大型的光学加工件来说，在特定时间，仅一小块区域被离子束光斑加工。
离子束轰击工件表面时，虽然避免了传统工艺中由预压力所产生的表面或亚表面损伤，但物理溅射效应伴随的热效应仍然是十分明显的；以60mm口径的离子束加工600mm(长)X300mm(宽)X8mm(厚)蓝宝石单晶板材为例，被离子束轰击的区域温度达到200℃，而蓝宝石板材在离光斑较远处的温度却仅有30-50℃；在这种情况下，就有可能使蓝宝石材料内部的热应力达到其破坏极限，导致蓝宝石板材开裂；因此，有必要对大尺寸薄板形脆性加工件的离子束抛光技术提供一种降低加工应力的方法，为此我们提出一种用于降低薄板形材料离子束抛光时热应力的装置和方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于降低薄板形材料离子束抛光时热应力的装置和方法，以解决上述背景技术中提出离子束轰击工件表面时，虽然避免了传统工艺中由预压力所产生的表面或亚表面损伤，但物理溅射效应伴随的热效应仍然是十分明显的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于降低薄板形材料离子束抛光时热应力的装置，包括发射单元、蓝宝石板材、发热单元、散热底座、夹具及其定位机构，所述发射单元发射出离子束并在所述蓝宝石板材的被抛光表面形成光斑；所述加热阵列由多个发热单元紧凑排列而成；所述加热阵列的一面与散热底座压紧装配，另一面与薄板形状的蓝宝石板材的未加工面压紧装配；所述加热阵列与所述蓝宝石板材相接触的表面积不大于所述离子束在所述蓝宝石板材的被抛光表面形成的光斑的面积；所述散热底座、所述加热阵列和所述蓝宝石板材通过夹具及其定位机构实现安装和固定。
作为本发明的一种优选技术方案，所述发热单元通过热电阻的欧姆原理加热。
作为本发明的一种优选技术方案，所述发热单元为红外灯。
作为本发明的一种优选技术方案，所述发热单元为采用Peltier效应的热电加热/制冷片。
作为本发明的一种优选技术方案，所述散热底座为铜材质或不锈钢水冷式底座。
作为本发明的一种优选技术方案，每个所述发热单元的加热功率可独立控制。
作为本发明的一种优选技术方案，所述发热单元与所述蓝宝石板材的接触面积小于所述光斑面积。
作为本发明的一种优选技术方案，每个所述发热单元的加热功率与所述离子束路线规划计算机联动。
作为本发明的一种优选技术方案，所述夹具包括有一个支架、以及安装在所述支架上的固定挂架，所述固定挂架为“L”型结构；所述定位机构包括定位丝杆和定位胶垫，所述定位胶垫安装在所述定位丝杆的端部；所述支架上分别开设有供所述固定挂架贯穿的穿孔A以及供所述定位丝杆贯穿的穿孔B，在所述穿孔B的内部固定有一个与所述定位丝杆相啮合连接的丝杆螺母；所述定位胶垫与所述定位丝杆的连接处固定有转动件；所述支架上还设置有一个用于调节所述固定挂架与所述支架连接位置的手动拧紧螺栓；所述固定挂架上还固定有两个分别用于夹紧所述加热阵列以及所述蓝宝石板材的凸块，即夹紧凸块A和夹紧凸块B。
本发明还提供一种用于降低薄板形材料离子束抛光时热应力的方法，步骤如下：
步骤一：将薄板形材料的蓝宝石板材放置在加热阵列上，将加热阵列放置在散热底座上，通过夹具及其定位机构将蓝宝石板材、加热阵列和散热底座压紧，并按照离子束加工前的要求，完成精确定位，水平度和倾斜度调整，并将位置信息反馈到离子束扫描计算机内；
步骤二：在被抛光的薄板形的蓝宝石板材上施加一定的热流，实现薄板形材料的蓝宝石板材在加工前温度均匀一致；
步骤三：在离子束扫描之前1-600秒，降低光斑预定位置的加热阵列所对应的发热单元的加热功率，当发热单元对应的加工件区域被光斑全覆盖时停止加热；
步骤四：离子束扫描实现光斑所在位置的抛光作业，当离子束根据离子束扫描计算机规划的路线进行光斑轨迹移动时，离子束扫描计算机根据预定的轨迹路线，提前1-600秒降低光斑所在位置的发热单元的加热功率，直至停止加热；
步骤五：离子束抛光结束后，发热单元实现同步缓慢降温，直至接近环境温度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)采用本发明的降低薄板形材料离子束抛光时热应力的装置和方法，可有效避免光学材料特别是高热膨胀系数光学材料在抛光时因热应力而导致开裂的情况。
(2)安装便捷，固定稳固，使用范围广泛。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的夹具立体结构示意图；
图3为本发明的夹具侧视剖视结构示意图；
图4为本发明的温度分布示意图；
图5为本发明的装置和方法后加工件被离子束喷射时的温度示意图；
图中：1、蓝宝石板材；2、加热阵列；3、发热单元；4、散热底座；5、夹具；6、光斑；7、离子束；8、支架；9、固定挂架；10、定位丝杆；11、定位胶垫；12、夹紧凸块A；13、夹紧凸块B；14、穿孔A；15、穿孔B；16、丝杆螺母；17、转动件；18、手动拧紧螺栓。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
对比例
被加工的大尺寸蓝宝石板材1的尺寸为600mm(长)X300mm(宽)X8mm(厚)，被安置在传统的工件装卡上加工，板材即不通过散热底座4冷却，也没有加热阵列2加热板材，光斑6尺寸为正方形40mmX40mm，离子束7形成相当于大约200W的加热效应；通过计算机模拟获得板材表面的温度分布如图4所示，从图4中可以看出，板材在平面方向的最大温差为255℃，如此巨大的温差在加工过程中导致42.9％的被加工板材开裂，造成巨大的经济损失。
实施例
请参阅图1、图2、图3、图4和图5，本发明提供一种技术方案：一种用于降低薄板形材料离子束抛光时热应力的装置，包括发射单元、蓝宝石板材1、面积为680mmX420mm的加热阵列2、散热底座4、夹具5及其定位机构，发射单元发射出离子束7并在蓝宝石板材1的被抛光表面形成光斑6；加热阵列2由34X21个发热单元3紧凑排列而成；加热阵列2的一面与散热底座4压紧装配，另一面与薄板形状的蓝宝石板材1的未加工面压紧装配；每个发热单元3与被蓝宝石板材1的接触面积为20mmX20mm，加热阵列2与蓝宝石板材1相接触的表面积不大于离子束7在蓝宝石板材1的被抛光表面形成的光斑6的面积；散热底座4、加热阵列2和蓝宝石板材1通过夹具5及其定位机构实现安装和固定。
本实施例中，优选的，发热单元3通过热电阻的欧姆原理加热，加热功率范围为0-300W。
本实施例中，优选的，发热单元3为红外灯。
本实施例中，优选的，发热单元3为采用Peltier效应的热电加热/制冷片。
本实施例中，优选的，散热底座4为铜材质或不锈钢水冷式底座，冷却水从双层水冷结构的夹层中通过，冷却水的进水温度为25℃。
本实施例中，优选的，每个发热单元3的加热功率可独立控制。
本实施例中，优选的，发热单元3与蓝宝石板材1的接触面积小于光斑6面积。
本实施例中，优选的，每个发热单元3的加热功率与离子束7路线规划计算机联动。
本实施例中，优选的，夹具5包括有一个支架8、以及安装在支架8上的固定挂架9，固定挂架9为“L”型结构；定位机构包括定位丝杆10和定位胶垫11，定位胶垫11安装在定位丝杆10的端部；支架8上分别开设有供固定挂架9贯穿的穿孔A14以及供定位丝杆10贯穿的穿孔B15，在穿孔B15的内部固定有一个与定位丝杆10相啮合连接的丝杆螺母16；定位胶垫11与定位丝杆10的连接处固定有转动件17；支架8上还设置有一个用于调节固定挂架9与支架8连接位置的手动拧紧螺栓18；固定挂架9上还固定有两个分别用于夹紧加热阵列2以及蓝宝石板材1的凸块，即夹紧凸块A12和夹紧凸块B13，可根据蓝宝石板材1以及加热阵列2的具体厚度，通过手动拧紧螺栓18调节固定挂架9到合适的位置，通过夹紧凸块A12和夹紧凸块B13分别抵住加热阵列2和蓝宝石板材1，转动定位丝杆10，直到定位胶垫11紧密抵住散热底座4即可。
一种用于降低薄板形材料离子束抛光时热应力的方法，步骤如下：
步骤一：将薄板形材料的蓝宝石板材1放置在加热阵列2上，将加热阵列2放置在散热底座4上，通过夹具5及其定位机构将蓝宝石板材1、加热阵列2和散热底座4压紧，并按照离子束7加工前的要求，完成精确定位，水平度和倾斜度调整，并将位置信息反馈到离子束扫描计算机内；
步骤二：在被抛光的薄板形的蓝宝石板材1上施加一定的热流，实现薄板形材料的蓝宝石板材1在加工前温度均匀一致，发热单元3的加热量的计算公式如下：
其中，S为离子束光斑的面积(1600mm2)；Q为光斑对工件抛光时产生的热量(200W)；A为加热单元接触面积(400mm2)，α为传热因子，即发热单元的用于加热板材的热量占总发热量的占比，通过实验或计算传热模拟得到最优值，在本例中α通过温度场计算机模拟得到最优值为0.6；
步骤三：在离子束7扫描之前1-120秒，降低光斑6预定位置的加热阵列2所对应的发热单元3的加热功率，当发热单元3对应的加工件区域被光斑6全覆盖时停止加热，光斑6所在位置的发热单元的发热量由如下公式确定：
其中k％某特定发热单元对应的板材面积被光斑覆盖的百分比；
步骤四：离子束7扫描实现光斑6所在位置的抛光作业，当离子束7根据离子束扫描计算机规划的路线进行光斑6轨迹移动时，离子束扫描计算机根据预定的轨迹路线，提前1-120秒降低光斑6所在位置的发热单元3的加热功率，直至停止加热；
步骤五：离子束7抛光结束后，发热单元3实现同步缓慢降温，直至接近环境温度。
从以上步骤可以看出，将控制扫描的计算机得到的轨迹数据实时反馈到发热单元3，就可以实现加热量的控制，最终板材表面的温度分布通过计算机模拟得到如图5所示，板材在表面的最大温差为30℃。从图中可以看出，通过本发明的方案，板材温差无论在板面方向，还是在光斑6厚度方向均有了巨大的改善。在实际生产的效果看，不再有板材开裂的情况发生。针对图5所示的温度场分布，还有进一步优化温度梯度，降低热应力的空间。例如适当降低板材边缘以及未被板材覆盖的发热单元3的发热量。业内人士很容易从计算机算法优化角度，对相关发热单元的加热量加以优化计算。
当发热单元3采用欧姆原理的热电阻方法加热时，其加热功率P可由下式给定：
其中，S为光斑6的面积；Q为光斑6对工件抛光时产生的热量；A为加热单元3接触面积，k％某特定发热单元3对应的板材面积被光斑6覆盖的百分比；α为传热因子，即发热单元3的用于加热板材的热量占总发热量的占比，可通过实验或计算传热模拟得到最优值，通常α的取值范围为0.3-0.7。如果采用水冷散热底座时，传热因子α最优值可通过温度场模拟计算得到，粗略估值可通过下式计算：
其中δ1、δ2、δ3分别为发热阵列2厚度、水冷散热底座4与冷却水层之间的厚度、加工件的厚度；λ1、λ2、λ3分别为发热阵列2、水冷散热底座4和加工件的导热系数；h为冷却水的对流换热系数；从公式中可以看出，当加工件的导热系数很小或者厚度很大时，α接近0，此时很难通过发热阵列2的热量对冲离子束7产生的热量，使加工件实现温度均匀，因此本发明不适用于厚材料或低导热系数材料的加工。
根据本文公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改。例如，薄板形材料也可以具有一定弧度的曲面形状，这时需要将对应的散热底座4，以及模块式加热阵列2也改为相匹配的曲面形状。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种用于降低薄板形材料离子束抛光时热应力的装置，包括发射单元、蓝宝石板材(1)、加热阵列(2)、散热底座(4)、夹具(5)及其定位机构，其特征在于：所述发射单元发射出离子束(7)并在所述蓝宝石板材(1)的被抛光表面形成光斑(6)；所述加热阵列(2)由多个发热单元(3)紧凑排列而成；所述加热阵列(2)的一面与散热底座(4)压紧装配，另一面与薄板形状的蓝宝石板材(1)的未加工面压紧装配；所述发热单元（3）与所述蓝宝石板材(1)相接触的表面积不大于所述离子束(7)在所述蓝宝石板材(1)的被抛光表面形成的光斑(6)的面积，每个所述发热单元(3)的加热功率可独立控制，每个所述发热单元(3)的加热功率与所述离子束(7)路线规划计算机联动；所述散热底座(4)、所述加热阵列(2)和所述蓝宝石板材(1)通过夹具(5)及其定位机构实现安装和固定，离子束(7)扫描实现光斑(6)所在位置的抛光作业，当离子束(7)根据离子束扫描计算机规划的路线进行光斑(6)轨迹移动时，离子束扫描计算机根据预定的轨迹路线，提前1-600秒降低光斑(6)所在位置的发热单元(3)的加热功率，直至停止加热。
2.根据权利要求1所述的一种用于降低薄板形材料离子束抛光时热应力的装置，其特征在于：所述发热单元(3)通过热电阻的欧姆原理加热。
3.根据权利要求1所述的一种用于降低薄板形材料离子束抛光时热应力的装置，其特征在于：所述发热单元(3)为红外灯。
4.根据权利要求1所述的一种用于降低薄板形材料离子束抛光时热应力的装置，其特征在于：所述发热单元(3)为采用Peltier效应的热电加热/制冷片。
5.根据权利要求1所述的一种用于降低薄板形材料离子束抛光时热应力的装置，其特征在于：所述散热底座(4)为铜材质或不锈钢水冷式底座。
6.根据权利要求1所述的一种用于降低薄板形材料离子束抛光时热应力的装置，其特征在于：所述发热单元(3)与所述蓝宝石板材(1)的接触面积小于所述光斑(6)面积。
7.根据权利要求1所述的一种用于降低薄板形材料离子束抛光时热应力的装置，其特征在于：所述夹具(5)包括有一个支架(8)、以及安装在所述支架(8)上的固定挂架(9)，所述固定挂架(9)为“L”型结构；所述定位机构包括定位丝杆(10)和定位胶垫(11)，所述定位胶垫(11)安装在所述定位丝杆(10)的端部；所述支架(8)上分别开设有供所述固定挂架(9)贯穿的穿孔A(14)以及供所述定位丝杆(10)贯穿的穿孔B(15)，在所述穿孔B(15)的内部固定有一个与所述定位丝杆(10)相啮合连接的丝杆螺母(16)；所述定位胶垫(11)与所述定位丝杆(10)的连接处固定有转动件(17)；所述支架(8)上还设置有一个用于调节所述固定挂架(9)与所述支架(8)连接位置的手动拧紧螺栓(18)；所述固定挂架(9)上还固定有两个分别用于夹紧所述加热阵列(2)以及所述蓝宝石板材(1)的凸块，即夹紧凸块A(12)和夹紧凸块B(13)。
8.根据权利要求5和7任一项所述的一种用于降低薄板形材料离子束抛光时热应力的方法，其特征在于：步骤如下：
步骤一：将薄板形材料的蓝宝石板材(1)放置在加热阵列(2)上，将加热阵列(2)放置在散热底座(4)上，通过夹具(5)及其定位机构将蓝宝石板材(1)、加热阵列(2)和散热底座(4)压紧，并按照离子束(7)加工前的要求，完成精确定位，水平度和倾斜度调整，并将位置信息反馈到离子束扫描计算机内；
步骤二：在被抛光的薄板形的蓝宝石板材(1)上施加一定的热流，实现薄板形材料的蓝宝石板材(1)在加工前温度均匀一致；
步骤三：在离子束(7)扫描之前1-600秒，降低光斑(6)预定位置的加热阵列(2)所对应的发热单元(3)的加热功率，当发热单元(3)对应的加工件区域被光斑(6)全覆盖时停止加热；
步骤四：离子束(7)扫描实现光斑(6)所在位置的抛光作业，当离子束(7)根据离子束扫描计算机规划的路线进行光斑(6)轨迹移动时，离子束扫描计算机根据预定的轨迹路线，提前1-600秒降低光斑(6)所在位置的发热单元(3)的加热功率，直至停止加热；
步骤五：离子束(7)抛光结束后，发热单元(3)实现同步缓慢降温，直至接近环境温度。
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