CN109676440B - 一种用于大口径易变形硫化锌光学窗口零件的微流动性复合抛光模及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于大口径易变形硫化锌光学窗口零件的微流动性复合抛光模及其制作方法，抛光模包括抛光模主体、基础层、模垫层和抛光层。本发明采用以低膨胀高稳定的材料作为抛光模主体，以光学用沥青与模垫相互结合作为底材，通过标准平面压板热压成形的一种新型抛光模，使光学用沥青与模垫相互紧密结合。由于模垫材料中具有微小孔，而且模垫本身在光学用沥青中浸透，使得模垫与上下两层光学用沥青紧密结合，稳定控制上下两层光学用沥青的流动，克服了上下两层光学用沥青易流动的缺陷。

Description

一种用于大口径易变形硫化锌光学窗口零件的微流动性复合 抛光模及其制作方法

技术领域

本发明属于光学零件冷加工技术领域，具体为一种用于大口径易变形硫化锌光学窗口零件的微流动性复合抛光模及其制作方法。

背景技术

光学玻璃的抛光原理采用机械磨削原理，是基于尖硬的磨料颗粒对玻璃表面进行微小的切削作用的结果。传统(古典)抛光模通常由主体(通常是铝合金或钢)和底材(列如磨垫、沥青、织物或毛毡)组成。对于600mm以上大口径易变形多光谱硫化锌光学窗口光学零件，由于硫化锌光学材料本身属于脆性材料、表面较软，耐磨性差，加之窗口玻璃直径与厚度比值过大、粘接上盘后整体重量大、表面精度要求高等因素。对于这种大型光学零件磨抛加工，传统抛光模通常采用厚度约30mm的铸铝平板圆盘做为抛光模主体，然后在其表面制作一层软化点在66℃～72℃之间，厚度5mm～8mm的光学用沥青层后，使用标准平面压板重锤加压，制成直径本身要大于待加工光学零件的直径或对角线尺寸的平面抛光模，最后在抛光模工作表面划制正方形，宽度约为8mm，深度3mm～5mm，槽间距50mm的导热槽。

由于工件整体重量大，以及抛光模与硫化锌光学窗口表面磨抛接触面积大，在抛光磨削过程中产生的切向力，使传统抛光模表面底材热量快速持续增长，从而引起底材表面流动性成倍增长，致使导热槽变小直至封堵，同时引起抛光模主体温度分布不均匀，随着导热槽封堵现象的不断加重，工件整体重量压迫底材层表面面形随着工件的面形进行改变，抛光零件运动轨迹就出现无规律、不可控现象。

目前针对易变形光学窗口的高精度抛光加工，现有的方法有磁流变超光滑技术，传统(古典)大型柏油磨削抛光法等。其中，磁流变超光滑抛光效果主要依赖于磁流变抛光设备的加工精度，但目前没有能够用于600mm以上大口径易变形多光谱硫化锌光学窗口抛光加工的磁流变超光滑抛光设备；而传统(古典)大型柏油磨削抛光方法对于大口径光学零件存在加工周期长(对于600mm口径光学零件，整个工序加工周期不小于半年)、表面面形精度不均匀等问题，导致600mm以上大口径易变形多光谱硫化锌光学窗口抛光加工十分困难。

国外在这方面公开的加工技术极为少见，国内主要有洛阳微米、北京国晶辉、成都超纯等单位在开展600mm以上大口径易变形多光谱硫化锌光学窗口抛光加工，均采用的是传统柏油模磨削方法。

发明内容

要解决的技术问题

对于600mm以上大口径易变形多光谱硫化锌光学窗口，由于玻璃直径与厚度比值过大、粘接上盘后整体重量大、表面精度要求高等因素，在使用传统平面抛光模加工时，由于工件整体重量大，以及抛光模与硫化锌光学窗口表面磨抛接触面积大，在抛光磨削过程中产生的切向力，使抛光模表面底材热量快速持续增长，从而引起底材表面流动性成倍增长，致使导热槽变小直至封堵，同时引起抛光模主体温度分布不均匀，随着导热槽封堵现象的不断加重，工件整体重量压迫底材层表面面形随着工件的面形进行改变，抛光零件运动轨迹就出现无规律、不可控现象，导致600mm以上大口径易变形多光谱硫化锌光学窗口抛光加工非常困难。

技术方案

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种用于大口径易变形硫化锌光学窗口零件的微流动性复合抛光模及其制作方法，该微流动复合抛光模通过有效的控制抛光模因温度场、压力场的变化而引起的流动性，降低抛光模随硫化锌表面面形的变化达到有效控制硫化锌表明面形的目的。同时通过微量的流动性提高硫化锌表面质量，从而解决600mm以上大口径易变形多光谱硫化锌光学窗口高精度抛光加工难题。

本发明的技术方案为：

所述一种用于大口径易变形硫化锌光学窗口零件的微流动性复合抛光模，其特征在于：包括抛光模主体、基础层、模垫层和抛光层；

所述抛光模主体材料膨胀系数为1.2×10-5/℃～0.8×10-6/℃，弹性模量为120GPa～40GPa；抛光模主体工作表面平面度为0.2μm～8μm，表面粗糙度为0.012μm～1μm；

所述基础层由软化点为68℃～72℃的光学用沥青粘接在抛光模主体工作表面，形成厚度为1±0.5mm的圆形基础层；

所述模垫层由若干个厚度为0.5mm～1.5mm的模垫块组成，模垫块材料肖氏硬度为20～60，延伸率30～60％；模垫块均匀粘接在基础层上，模垫块之间形成均匀网格分布的导热槽，导热槽宽度5mm±1mm；处于边缘位置的模垫块外侧面修切为与基础层圆形边缘一致的弧面，其余模垫块截面形状为正方形；

所述抛光层由软化点为66℃～70℃的光学用沥青粘接在模垫层上，形成厚度为1.5±0.5mm的圆形抛光层；

所述基础层的软化点大于所述抛光层的软化点，但幅度不超过2℃。

进一步的优选方案，所述一种用于大口径易变形硫化锌光学窗口零件的微流动性复合抛光模，其特征在于：所述抛光模主体的截面形状为圆形，径厚比为8:1～10:1，直径大于待加工大口径易变形硫化锌光学窗口零件的直径或对角线尺寸。

进一步的优选方案，所述一种用于大口径易变形硫化锌光学窗口零件的微流动性复合抛光模，其特征在于：所述模垫块由与抛光层所用光学用沥青相同的光学用沥青浸透。

进一步的优选方案，所述一种用于大口径易变形硫化锌光学窗口零件的微流动性复合抛光模，其特征在于：所述模垫块为截面尺寸是(50±5)mm×(50±5)mm的正方形块状结构。

进一步的优选方案，所述一种用于大口径易变形硫化锌光学窗口零件的微流动性复合抛光模，其特征在于：基础层直径大于待加工大口径易变形硫化锌光学窗口零件的直径或对角线尺寸3～5mm。

一种制备上述用于大口径易变形硫化锌光学窗口零件的微流动性复合抛光模的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将主体材料经过精细加工得到具有设定面形精度的抛光模主体，抛光模主体工作表面平面度0.2μm～8μm，表面粗糙度0.012μm～1μm；将模垫材料加工成截面尺寸是(50±5)mm×(50±5)mm的正方形块状结构，块状结构厚度为0.5mm～1.5mm；

步骤2：清理抛光模主体工作表面，均匀涂敷软化点为68℃～72℃的光学用沥青，形成厚度为1±0.5mm的圆形基础层；

步骤3：将模垫块完全浸入到软化点为66℃～70℃的光学用沥青中后，取出模垫块并均匀贴敷在基础层上，模垫块之间形成均匀网格分布的导热槽，导热槽宽度5mm±1mm，并将处于边缘位置的模垫块外侧面修切为与基础层圆形边缘一致的弧面；

步骤4：在模垫层上表面均匀涂敷软化点为66℃～70℃的光学用沥青，形成厚度为1.5±0.5mm的圆形抛光层，得到抛光模底材；其中基础层的软化点大于所述抛光层的软化点，但幅度不超过2℃；

步骤5：将抛光模底材自然降温至室温，刮制抛光模底材使抛光层、模垫层和基础层的直径大于待加工大口径易变形硫化锌光学窗口零件的直径或对角线尺寸3～5mm，并清理导热槽内多余的光学用沥青；

步骤6：使用平面度不大于2μm的大口径标准压板，对抛光模底材进行压制，同时加温抛光模底材温度至45℃～50℃，直至底材中抛光层、模垫层和基础层表面出现软化后，停止加温；

步骤7：采用大口径标准压板对抛光模底材压制至少5小时后，取下大口径标准压板，清除底材表面流出的光学用沥青以及导热槽中的光学用沥青，微流动性复合抛光模制作完成。

有益效果

本发明采用以低膨胀高稳定的材料作为抛光模主体，以光学用沥青与模垫相互结合作为底材，通过标准平面压板热压成形的一种新型抛光模，使光学用沥青与模垫相互紧密结合。由于模垫材料中具有微小孔，而且模垫本身在光学用沥青中浸透，使得模垫与上下两层光学用沥青紧密结合，稳定控制上下两层光学用沥青的流动，克服了上下两层光学用沥青易流动的缺陷。

其中光学用沥青解决了磨削过程中多光谱硫化锌光学窗口表面质量控制问题；利用模垫内在的微孔隙解决了光学用沥青流动性控制问题，并起到支撑工件整体重量的作用，同时解决了导热槽变小及封堵问题；低膨胀高稳定材料的抛光模主体解决了抛光主体易形变的问题。

现有技术中是直接在较厚的光学用沥青中开导热槽，而本发明是在模垫之间形成导热槽，所以本发明的上下两层光学用沥青较薄，降低光学用沥青流动性，对导热槽的影响很小，解决了抛光模表面底材热量快速持续增长、导热槽变小直至封堵的问题通过采取以上措施，本发明成功解决了抛光模表面底材热量快速持续增长、导热槽变小直至封堵、抛光模主体温度分布不均匀、底材层表面面形随着工件的面形改变等问题，使抛光零件运动轨迹规律可控，加工出的600mm以上大口径易变形多光谱硫化锌光学窗口达到任意点平行差≤4＂，任意位置鉴别率优于1.65＂。且从精磨到抛光的整个加工过程，用时约需240小时，大大提升了大口径多光谱硫化锌光学窗口加工效率。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明制作的抛光模示意图。

图2是本发明制作成的抛光模表面示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本实施例中的一种用于600mm以上大口径易变形硫化锌光学窗口零件的微流动性复合抛光模由抛光模主体、基础层、模垫层和抛光层组成。

所述抛光模主体材料膨胀系数为1.2×10-5/℃～0.8×10-6/℃，弹性模量为120GPa～40GPa；抛光模主体工作表面平面度为0.2μm～8μm，表面粗糙度为0.012μm～1μm；抛光模主体的截面形状为圆形，径厚比为8:1～10:1，直径大于待加工大口径易变形硫化锌光学窗口零件的直径或对角线尺寸。

所述基础层由软化点为68℃～72℃的光学用沥青粘接在抛光模主体工作表面，形成厚度为1±0.5mm的圆形基础层；基础层直径大于待加工大口径易变形硫化锌光学窗口零件的直径或对角线尺寸3～5mm。

所述模垫层由若干个厚度为0.5mm～1.5mm，截面尺寸是(50±5)mm×(50±5)mm的正方形模垫块组成，模垫块材料肖氏硬度为20～60，延伸率30～60％；模垫块均匀粘接在基础层上，模垫块之间形成均匀网格分布的导热槽，导热槽宽度5mm±1mm；处于边缘位置的模垫块外侧面修切为与基础层圆形边缘一致的弧面，其余模垫块截面形状为正方形。

所述抛光层由软化点为66℃～70℃的光学用沥青粘接在模垫层上，形成厚度为1.5±0.5mm的圆形抛光层。

所述基础层的软化点大于所述抛光层的软化点，但幅度不超过2℃。

上述用于大口径易变形硫化锌光学窗口零件的微流动性复合抛光模的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：抛光模主体采用大理石材料，直径700mm，厚度60mm，将主体材料经过精细加工得到具有设定面形精度的抛光模主体，抛光模主体工作表面平面度达到2μm，表面粗糙度为0.08μm。模垫材料采用厚度为1.25mm的LP113号模垫，将模垫材料加工成截面尺寸是48mm×48mm正方形小块。

步骤2：清理抛光模主体工作表面，均匀涂敷68℃～72℃光学用沥青，形成厚度为1.2mm的圆形基础层。

步骤3：将模垫块完全浸入到软化点为66℃～70℃的光学用沥青中后，取出模垫块并均匀贴敷在基础层上，模垫块之间形成均匀网格分布的导热槽，导热槽宽度4mm，并将处于边缘位置的模垫块外侧面修切为与基础层圆形边缘一致的弧面。

步骤4：在模垫层上表面均匀涂敷软化点为66℃～70℃的光学用沥青，形成厚度为2mm的圆形抛光层，得到抛光模底材；其中基础层的软化点大于所述抛光层的软化点，但幅度不超过2℃。

步骤5：将抛光模底材自然降温至室温，刮制抛光模底材使抛光层、模垫层和基础层的直径大于待加工大口径易变形硫化锌光学窗口零件的直径或对角线尺寸3～5mm，并清理导热槽内多余的光学用沥青；

步骤6：使用平面度1μm的大口径标准压板，对抛光模底材进行压制，同时加温抛光模底材温度至50℃，直至观察到底材中抛光层、模垫层和基础层表面均有光学用沥青软化现象后，停止加温；

步骤7：采用大口径标准压板对抛光模底材压制至少5小时后，取下大口径标准压板，清除底材表面流出的光学用沥青以及导热槽中的光学用沥青，微流动性复合抛光模制作完成。

采用该微流动性复合抛光模加工640mm大口径易变形多光谱硫化锌光学窗口能够达到任意点平行差≤5＂，任意位置鉴别率优于1.65，从精磨到抛光的整个加工过程，用时约需235小时。

本发明解决了用传统的抛光模在对600mm以上大口径易变形多光谱硫化锌光学窗口进行抛光时出现的面形难于得到有效控制，加工合格率极低，加工成本高，周期长的问题，以及用树脂抛光垫抛光，表面质量不能满足要求的问题。本发明通过有效的控制抛光模因温度场、压力场的变化而引起的流动性，降低抛光模随硫化锌表面面形的变化达到有效控制硫化锌表明面形的目的。同时通过微量的流动性提高硫化锌表面质量，从而解决600mm以上大口径易变形多光谱硫化锌光学窗口高精度抛光加工难题。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种用于大口径易变形硫化锌光学窗口零件的微流动性复合抛光模，其特征在于：包括抛光模主体、基础层、模垫层和抛光层；

所述抛光模主体材料膨胀系数为1.2×10-5/℃～0.8×10-6/℃，弹性模量为120GPa～40GPa；抛光模主体工作表面平面度为0.2μm～8μm，表面粗糙度为0.012μm～1μm；

所述基础层由软化点为68℃～72℃的光学用沥青粘接在抛光模主体工作表面，形成厚度为1±0.5mm的圆形基础层；

所述模垫层由若干个厚度为0.5mm～1.5mm的模垫块组成，模垫块材料肖氏硬度为20～60，延伸率30～60％；模垫块均匀粘接在基础层上，模垫块之间形成均匀网格分布的导热槽，导热槽宽度5mm±1mm；处于边缘位置的模垫块外侧面修切为与基础层圆形边缘一致的弧面，其余模垫块截面形状为正方形；

所述抛光层由软化点为66℃～70℃的光学用沥青粘接在模垫层上，形成厚度为1.5±0.5mm的圆形的抛光层；

所述基础层的软化点大于所述抛光层的软化点，但幅度不超过2℃。

2.根据权利要求1所述一种用于大口径易变形硫化锌光学窗口零件的微流动性复合抛光模，其特征在于：所述抛光模主体的截面形状为圆形，径厚比为8:1～10:1，直径大于待加工大口径易变形硫化锌光学窗口零件的直径或对角线尺寸。

3.根据权利要求1所述一种用于大口径易变形硫化锌光学窗口零件的微流动性复合抛光模，其特征在于：所述模垫块由与抛光层所用光学用沥青相同的光学用沥青浸透。

4.根据权利要求1所述一种用于大口径易变形硫化锌光学窗口零件的微流动性复合抛光模，其特征在于：所述模垫块为截面尺寸是(50±5)mm×(50±5)mm的正方形块状结构。

5.根据权利要求2所述一种用于大口径易变形硫化锌光学窗口零件的微流动性复合抛光模，其特征在于：基础层直径大于待加工大口径易变形硫化锌光学窗口零件的直径或对角线尺寸3～5mm。

6.一种权利要求1所述用于大口径易变形硫化锌光学窗口零件的微流动性复合抛光模的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将主体材料经过精细加工得到具有设定面形精度的抛光模主体，抛光模主体工作表面平面度0.2μm～8μm，表面粗糙度0.012μm～1μm；将模垫材料加工成截面尺寸是(50±5)mm×(50±5)mm的正方形块状结构，块状结构厚度为0.5mm～1.5mm；

步骤2：清理抛光模主体工作表面，均匀涂敷软化点为68℃～72℃的光学用沥青，形成厚度为1±0.5mm的圆形基础层；

步骤3：将模垫块完全浸入到软化点为66℃～70℃的光学用沥青中后，取出模垫块并均匀贴敷在基础层上，模垫块之间形成均匀网格分布的导热槽，导热槽宽度5mm±1mm，并将处于边缘位置的模垫块外侧面修切为与基础层圆形边缘一致的弧面；

步骤4：在模垫层上表面均匀涂敷软化点为66℃～70℃的光学用沥青，形成厚度为1.5±0.5mm的圆形的抛光层，得到抛光模底材；其中基础层的软化点大于所述抛光层的软化点，但幅度不超过2℃；

步骤5：将抛光模底材自然降温至室温，刮制抛光模底材使抛光层、模垫层和基础层的直径大于待加工大口径易变形硫化锌光学窗口零件的直径或对角线尺寸3～5mm，并清理导热槽内多余的光学用沥青；

步骤6：使用平面度不大于2μm的大口径标准压板，对抛光模底材进行压制，同时加温抛光模底材温度至45℃～50℃，直至底材中抛光层、模垫层和基础层表面出现软化后，停止加温；

步骤7：采用大口径标准压板对抛光模底材压制至少5小时后，取下大口径标准压板，清除底材表面流出的光学用沥青以及导热槽中的光学用沥青，微流动性复合抛光模制作完成。

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