CN110238730A - 基于静压原理抛光工具的薄壁异形曲面抛光装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于静压原理抛光工具的薄壁异形曲面抛光装置及方法，包括用于喷出抛光液的喷嘴，还包括流体缸，所述流体缸上连接若干活塞，所述活塞的输出方向朝向被抛光曲面，活塞的输出端设置抛光磨具，所述抛光磨具与被抛光曲面相匹配。本发明的目的在于提供基于静压原理抛光工具的薄壁异形曲面抛光装置及方法，以解决现有技术中针对薄壁异形曲面的抛光方式存在加工效率低、均匀性差、容易破坏初始面形、难以获得高精度表面的问题，实现对薄壁异形曲面载荷的均匀施加，保证去除的均匀性，同时大大减少边缘效应的目的。

Description

基于静压原理抛光工具的薄壁异形曲面抛光装置及方法

技术领域

本发明涉及光学元件抛光领域，具体涉及基于静压原理抛光工具的薄壁异形曲面抛光装置及方法。

背景技术

薄壁异形曲面是重大光学工程和国防武器系统中的一类重要元器件，正在朝尺寸小型化、形状复杂化、材料特殊化、表面无损化等方向发展，其超精密加工难度较大，已成为我国科学技术发展的瓶颈。例如：用于长波红外远程空空导弹中的金刚石膜头罩，采用超硬材料和高陡度非球面结构设计，要求达到亚微米级面形精度和纳米级表面粗糙度；用于惯性导航仪—半球谐振陀螺仪中的半球谐振子，采用狭小深腔异形曲面结构设计，要求内外表面达到亚微米级面形精度以及近无损伤表面完整性；并且随着激光技术快速发展，提出对于光学薄壁圆筒等多种深腔类曲面的加工需求，目前传统抛光方式的加工精度和效率远远满足不了装备发展需要。

上述半球谐振子、导弹头罩、薄壁圆筒等回转对称类异形曲面对面形精度和表面质量都有很高的要求，加工工艺可分为磨削、粗抛光、精抛光过程，针对硬脆材料的磨削主要通过砂轮磨削、金刚石飞车等方式，但不管哪一种方式都会在被加工表面留下划痕或形成损伤层，同时粗糙度难以达到精抛光的要求。对于高速飞行器的头罩，表面缺陷会降低材料抗高温、高压的性能；而对于光学元件，亚表面损伤等会降低元件抗激光性能。因此工件需进行粗抛光过程，粗抛光过程主要有两个目的：(1)快速去除前一道工序的损伤层；(2)降低表面粗糙度值。工件经过粗抛光后，表面质量达到要求后，精抛光过程经过局部的修整，最终达到较高的面形精度。综上所述，粗抛光过程十分重要，其加工效率和质量直接决定了工件的加工周期和表面质量。

针对半球谐振子、薄壁圆筒这类异形曲面抛光，其难度较大，主要有两个方面：(1)被加工表面为异形或深腔类结构，传统抛光方法抛光工具难以满足空间结构要求；(2)被加工光学曲面壁厚很薄，工具载荷均匀性对去除的均匀性与工件变形的均匀性有很大影响，最终决定了去除的均匀性以及对面形精度的影响。目前，针对薄壁圆筒或半球谐振子这一类薄壁异形曲面的加工，主要以手工抛光为主，十分依赖工人的技巧，工艺过程经验化严重，加工精度难以保证，难以实现高效率、高精度加工。

针对薄壁圆筒、半球谐振子这类回转对称类曲面抛光的自动化的难度主要有几个方面：(1)抛光工具结构难以满足加工要求；(2)如何实现抛光工具载荷均匀作用在被加工曲面，从而保证去除的均匀性，不破坏初始面形；(3)被加工表面存在边缘效应，抛光磨具各个部分磨损速率不同，长时间加工影响磨具与被加工表面的贴合均匀性，导致材料去除不均匀，破坏初始面形。以K9材料的薄壁圆筒为例，圆筒壁厚小于5mm，长度大于100mm，在经过砂轮磨削后，内外圆柱面会存在几十微米的损伤层，粗抛光的目的是均匀去除损伤层，又不破坏内外圆柱表面高精度的面形精度和形位公差，现有工艺方式基本不能满足这种深腔、薄壁光学曲面的加工要求，以抛光玻璃圆筒的内圆柱面为例，圆筒为深腔结构，抛光工具必然是类似车刀、镗刀的悬臂结构，这样工具才能深入到圆筒内表面进行加工，然而抛光不可能如车削等机械加工工艺一样，刀具与被加工表面的接触类型为点接触的方式，抛光去除量远远小于机械加工，同时光学元件对材料表面完整性有极高的要求，因此，抛光工具与被加工光学表面的接触一定是面接触，那么一个亟待解决的问题是悬臂结构的抛光工具如何施加载荷使整个抛光工具与工件接触面的载荷作用均匀？在实际加工过程中，悬臂结构的抛光工具会发生变形，抛光磨具表面也不平整，抛光磨具与工件的接触面各处的载荷很难达到相同，最终导致实际抛光过程中材料去除不均匀，破坏了初始的面形精度，同时抛光过程不确定性增加，难以控制。

另一个比较难解决的问题是，抛光过程材料去除均匀性的控制，在抛光磨具抛光运动过程中，由于抛光边缘时磨具部分区域不可避免的会超出被加工区域，造成磨具与被加工区域接触面积的变化，会导致两个方面的问题：(1)抛光边缘时，由于接触面积变化导致单位面积接触载荷发生改变，从而导致被加工表面边缘部分与中间部分材料去除率不一致，形成‘边缘效应’，边缘部分面形较差；(2)在长时间抛光过程中，由于边缘部分的载荷分布不均，会导致磨具不同部分的磨损速率不一致，磨具的形状发生改变，进而影响在非边缘区域抛光时接触的均匀性，导致被加工表面整体材料去除的均匀性被破坏，无法长时间抛光，需要经常对抛光磨具进行修整。

综上所述，现有技术中针对薄壁异形曲面的抛光方式存在加工难度大、加工效率低、难以获得高精度表面的问题，限制了这类薄壁异形曲面的自动化抛光工艺的发展。

发明内容

本发明的目的在于提供基于静压原理抛光工具的薄壁异形曲面抛光装置及方法，以解决现有技术中针对薄壁异形曲面的抛光方式存在加工效率低、均匀性差、容易破坏初始面形、难以获得高精度表面的问题，实现对薄壁异形曲面载荷的均匀施加，保证去除的均匀性，同时大大减少边缘效应的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

基于静压原理抛光工具的薄壁异形曲面抛光装置，包括用于喷出抛光液的喷嘴，还包括流体缸，所述流体缸上连接若干活塞，所述活塞的运动方向朝向被抛光曲面，活塞的输出端设置抛光磨具，所述抛光磨具与被抛光曲面相匹配。

针对现有技术中薄壁异形曲面的抛光方式存在加工效率低、均匀性差、容易破坏初始面形、难以获得高精度表面的问题，本发明提出基于静压原理抛光工具的薄壁异形曲面抛光装置，在流体缸上连接若干活塞，活塞的输出方向朝向被抛光曲面，且每个活塞的输出端都连接一个与被抛光曲面相匹配的抛光磨具，本装置的抛光磨具根据被加工工件的曲面进行适应性的设置与选用即可。本装置采用流体静压原理设计抛光工具，利用流体内部压强处处相等的特性，通过流体控制各抛光磨具均匀施加载荷，完全保证不同位置的抛光磨具与工件接触的载荷相同，从而提高加工过程中材料去除的均匀性；通过改变流体压强可实现各抛光磨具压力的同步无级调节，同时在流体压力作用下始终将抛光磨具向工件表面推动，使得各抛光磨具能够自适应被加工曲面的曲率变化，并且通过流体静压力推动多个活塞将抛光磨具压在被加工曲面上；在实际加工过程中，抛光磨具可能发生磨损而变薄，甚至流体缸不同部分的抛光磨具磨损会有差异，而基于本装置各个磨具相互分离的特点，在流体静压力作用下各个活塞自动发生径向运动，保证各部分抛光磨具时刻与被加工表面的贴合，提高材料去除的均匀性，同时减少磨具修整次数，大大提高加工效率。在单个抛光磨具与被加工表面总体接触面积不变的情况下，流体缸的活塞数量可为多个，可使单个抛光磨具与被加工表面接触面积变小，大大改善抛光磨具与被加工表面的接触均匀性，有利于提高被加工表面的质量。本申请相比于现有技术中一个整体的抛光磨具方式，将抛光磨具做成多个，单个磨具面积、载荷相对较小，单个磨具引起的“边缘效应”较小，且单个磨具运动出工件边缘后，对其余各磨具的载荷无影响，有利于进一步的缓解“边缘效应”。此外，在抛光运动过程中，基于流体静压效应的流体缸各个部分的抛光磨具可以随着面形的变化而不断运动，因此不仅仅可以抛光圆柱面，还可根据各种回转对称球面、锥面、抛物面的形状改变流体缸的形状，既可满足各种设备工件的抛光要求，也能够实现各种回转对称光学元件表面的抛光。

进一步的，还包括能够绕自身轴线旋转的主轴，所述主轴的一端设置夹具，所述夹具用于夹持被抛光的工件，所述抛光磨具朝向被抛光的工件。主轴带动夹具共同旋转，夹具带动被抛光工件同步进行旋转，从而提高工件与各抛光磨具的相对运动速度。

进一步的，还包括驱动所述流体缸沿工件母线方向作直线往复运动的驱动装置。使得工件与各抛光磨具支架还能够沿着工件母线方向产生相对运动，使曲面上各点能够实现材料的均匀去除。

进一步的，若干在流体缸上环形均布的活塞构成一个抛光组，所述流体缸上设置有若干抛光组。进一步减小单个抛光磨具的面积、载荷，单个抛光磨具引起的“边缘效应”更小，且单个抛光磨具运动出工件边缘后，对其余各抛光磨具的载荷无影响，有利于进一步的缓解“边缘效应”。

优选的，所述流体缸为气缸或液压缸。

进一步的，所述抛光磨具位于流体缸的内侧或外侧；当抛光磨具位于流体缸内侧时，所述流体缸为空心缸体；当抛光磨具位于流体缸外侧时，所述流体缸为空心或实心缸体。当需要对曲面外侧表面进行抛光时，流体缸必然位于曲面外侧，所以选用空心的缸体，使得工件位于缸体内部即可，此时抛光磨具位于流体缸内侧，向流体缸内加压时，抛光磨具即会朝向曲面外侧方向伸出；当需要对曲面内侧表面进行抛光时，流体缸必然位于曲面内侧，此时抛光磨具位于流体缸外侧，向流体缸内加压时，抛光磨具即会朝向曲面内侧方向伸出。

所述抛光磨具为聚氨酯、沥青、抛光布中的一种或多种；所述抛光液中带有磨粒，所述磨粒为金刚石、氧化铈、氧化铝中的一种或多种。抛光磨具的材质可针对不同加工表面质量和去除效率要求进行选择，抛光磨具的形状可根据被加工回转对称的曲面要求进行设计。

一种基于静压原理抛光工具的薄壁曲面抛光方法，包括以下步骤：

(a)使用夹具夹紧被抛光的工件，用与被抛光的曲面相匹配的抛光磨具对准工件，各抛光磨具各由一个活塞驱动，所有活塞由同一个流体缸驱动；

(b)向流体缸内充入一定压强的压缩流体，使各抛光磨具与被抛光的曲面接触；

(c)转动夹具带动工件旋转，同时驱动所有活塞、抛光磨具同步进行直线往复运动。

步骤(c)中，将喷嘴移动至工件与抛光磨具接触部分的合适位置，喷射含磨粒的抛光液。

所述流体缸安装在机床往复摆轴上。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明基于静压原理抛光工具的薄壁异形曲面抛光装置及方法，采用流体静压原理设计抛光工具，利用流体内部压强处处相等的特性，通过流体控制各抛光磨具均匀施加载荷，完全保证不同位置的抛光磨具与工件接触的载荷相同，从而提高加工过程中材料去除的均匀性。

2、本发明基于静压原理抛光工具的薄壁异形曲面抛光装置及方法，通过改变流体压强可实现各抛光磨具压力的同步无级调节，同时在流体压力作用下始终将抛光磨具向工件表面推动，使得各抛光磨具能够自适应被加工曲面的曲率变化，并且通过流体静压力推动多个活塞将抛光磨具压在被加工曲面上；在实际加工过程中，抛光磨具可能发生磨损而变薄，甚至流体缸不同部分的抛光磨具磨损会有差异，而在流体静压力作用下活塞自动发生径向运动，保证各部分抛光磨具时刻与被加工表面的贴合，提高材料去除的均匀性，同时减少磨具修整次数，大大提高加工效率。

3、本发明基于静压原理抛光工具的薄壁异形曲面抛光装置及方法，相比于现有技术中一个整体的抛光磨具方式，将抛光磨具做成多个，单个磨具面积、载荷相对较小，单个磨具引起的“边缘效应”较小，且单个磨具运动出工件边缘后，对其余各磨具的载荷无影响，有利于进一步的缓解“边缘效应”。此外，在单个抛光磨具与被加工表面总体接触面积不变的情况下，流体缸的活塞数量可为多个，可使单个抛光磨具与被加工表面接触面积变小，大大改善抛光磨具与被加工表面的接触均匀性，有利于提高被加工表面的质量。

4、本发明基于静压原理抛光工具的薄壁异形曲面抛光装置及方法，在抛光运动过程中，基于流体静压效应的流体缸各个部分的抛光磨具可以随着面形的变化而不断运动，因此不仅仅可以抛光圆柱面，还可根据各种回转对称球面、锥面、抛物面的形状改变流体缸的形状，既可满足各种设备工件的抛光要求，也能够实现各种回转对称光学元件表面的抛光。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明具体实施例用于薄壁圆筒外圆抛光的剖视图；

图2为本发明具体实施例用于薄壁圆筒外圆抛光的截面示意图；

图3为本发明具体实施例用于薄壁圆筒内圆抛光的剖视图；

图4为本发明具体实施例用于薄壁圆筒内圆抛光的截面示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-主轴，2-流体缸，3-活塞，4-抛光磨具，5-工件，6-压缩气体，7-喷嘴，8-抛光液，9-磨粒，10-夹具。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1与图2所示的基于静压原理抛光工具的薄壁异形曲面抛光装置，用于薄壁圆筒外圆抛光，包括用于喷出抛光液8的喷嘴7，还包括流体缸2，所述流体缸2上连接若干活塞3，所述活塞3的运动方向朝向被抛光曲面，活塞3的输出端设置抛光磨具4，所述抛光磨具4与被抛光曲面相匹配。

本实施例中的流体缸2为气缸，具体包括主轴、1气缸、活塞3、抛光磨具4、工件5、压缩气体6、抛光液喷嘴7、抛光液8、磨粒9、夹具10。整个外圆抛光工具主要由两部分组成：主体部分为气缸，主要作用是充入一定压强压缩气体，压缩气体对活塞施加均匀载荷；运动部分为8个活塞3与抛光磨具4，4抛光磨具被粘接在8个活塞3末端表面，压缩气体6对活塞3施加相同载荷，推动3活塞使抛光磨具4与5工件均匀接触。7抛光液喷嘴喷射含有磨粒9的抛光液8。

本实施例利用压缩气体6在气缸内各处压强相等的特点，能够使作用在活塞3上的载荷完全相同，从而保证了8块抛光磨具4施加在工件5上的载荷作用均匀。实际加工过程中，工件5通过夹具10安装在主轴1上，随1主轴作回转运动，向气缸内充入一定压强的压缩气体6，将活塞3推出，使抛光磨具4以一定压力均匀压在工件5表面，整个外圆抛光工具沿着工件5母线方向做往复直线运动，抛光液喷嘴7喷出含有磨粒9的抛光液8在抛光磨具4与工件5之间，磨粒9在抛光磨具4带动下与工件5发生相对运动实现材料去除。

其中气缸的直径范围10mm～100mm，气缸的形状根据被加工回转类曲面的形状可任意改变，可以为圆柱形、圆锥形、球形。

在本实例中，将本发明的抛光装置安装在机床往复摆轴上，工件通过夹具安装在主轴上，将喷嘴移动至工件与抛光轮接触部分的合适位置进行喷射供液，向气缸内充入一定压强的压缩气体使抛光磨具4与被加工工件5的表面接触，主轴带动工件旋转，摆轴带动抛光工具往复运动，实现对材料去除。通过调整工艺参数，如主轴转速、摆动速度、摆动行程、抛光时间等控制材料去除量和表面质量。

实施例2：

如图3与图4所示的基于静压原理抛光工具的薄壁异形曲面抛光装置，用于薄壁圆筒内圆抛光，与实施例1不同的是，整个抛光装置置于工件内部，气缸加压时，活塞3向外伸出。

优选的：

本实施例中抛光磨具可为聚氨酯、沥青、抛光布，可针对不同加工表面质量和去除效率要求进行选择。

本实施例中的抛光磨具可将聚氨酯、沥青、抛光布做成柱形、锥形、球形磨具，具体根据被加工回转对称的曲面要求进行设计。

本实施例中活塞的数量可为1-20个，具体根据被加工表面的长度、形状而定。

本实施例中供给的压缩气体的压力范围为：0.1-1.0Mpa。

本实施例中主轴转速控制在10rpm～200rpm，气缸的往复运动的频率为1～60次/min，往复运动的行程可进行调节，范围根据工件的长度而定。

本实施例中供给的抛光液中的磨粒可以为金刚石、氧化铈、氧化铝。

本实施例在加工过程中可通过控制主轴转速、压缩气体的压强、抛光磨具材料种类、抛光液中磨粒的数量和浓度、往复运动频率和形成控制材料去除效率，改变加工后的光学元件表面质量。

实施例3：

一种基于静压原理抛光工具的薄壁曲面抛光方法，包括以下步骤：

(a)使用夹具10夹紧被抛光的工件5，用与被抛光的曲面相匹配的抛光磨具4对准工件5，各抛光磨具4各由一个活塞3驱动，所有活塞3由同一个流体缸2驱动；

(b)向流体缸2内充入一定压强的压缩流体，使各抛光磨具4与被抛光的曲面接触；

(c)转动夹具10带动工件5旋转，同时驱动所有活塞3、抛光磨具4同步进行直线往复运动。

优选的，步骤(c)中，将喷嘴7移动至工件5与抛光磨具4接触部分的合适位置，喷射含磨粒9的抛光液8。

优选的，所述流体缸2安装在机床往复摆轴上。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于静压原理抛光工具的薄壁异形曲面抛光装置，包括用于喷出抛光液(8)的喷嘴(7)，其特征在于，还包括流体缸(2)，所述流体缸(2)上连接若干活塞(3)，所述活塞(3)的运动方向朝向被抛光曲面，活塞(3)的输出端设置抛光磨具(4)，所述抛光磨具(4)与被抛光曲面相匹配。

2.根据权利要求1所述的基于静压原理抛光工具的薄壁异形曲面抛光装置，其特征在于，还包括能够绕自身轴线旋转的主轴(1)，所述主轴(1)的一端设置夹具(10)，所述夹具(10)用于夹持被抛光的工件(5)，所述抛光磨具(4)朝向被抛光的工件(5)。

3.根据权利要求2所述的基于静压原理抛光工具的薄壁异形曲面抛光装置，其特征在于，还包括驱动所述流体缸(2)沿工件(5)母线方向作直线往复运动的驱动装置。

4.根据权利要求1所述的基于静压原理抛光工具的薄壁异形曲面抛光装置，其特征在于，若干在流体缸(2)上环形均布的活塞(3)构成一个抛光组，所述流体缸(2)上设置有若干抛光组。

5.根据权利要求1所述的基于静压原理抛光工具的薄壁异形曲面抛光装置，其特征在于，所述流体缸(2)为气缸或液压缸。

6.根据权利要求1所述的基于静压原理抛光工具的薄壁异形曲面抛光装置，其特征在于，所述抛光磨具(4)位于流体缸(2)的内侧或外侧；当抛光磨具(4)位于流体缸(2)内侧时，所述流体缸(2)为空心缸体；当抛光磨具(4)位于流体缸(2)外侧时，所述流体缸(2)为空心或实心缸体。

7.根据权利要求1所述的基于静压原理抛光工具的薄壁异形曲面抛光装置，其特征在于，所述抛光磨具(4)为聚氨酯、沥青、抛光布中的一种或多种；所述抛光液(8)中带有磨粒(9)，所述磨粒(9)为金刚石、氧化铈、氧化铝中的一种或多种。

8.一种基于静压原理抛光工具的薄壁曲面抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)使用夹具(10)夹紧被抛光的工件(5)，用与被抛光的曲面曲率相匹配的抛光磨具(4)对准工件(5)，各抛光磨具(4)各由一个活塞(3)驱动，所有活塞(3)由同一个流体缸(2)驱动；

(b)向流体缸(2)内充入一定压强的压缩流体，使各抛光磨具(4)与被抛光的曲面接触；

(c)转动夹具(10)带动工件(5)旋转，同时驱动所有活塞(3)、抛光磨具(4)同步进行直线往复运动。

9.根据权利要求8所述的一种基于静压原理抛光工具的薄壁曲面抛光方法，其特征在于，步骤(c)中，将喷嘴(7)移动至工件(5)与抛光磨具(4)接触部分的合适位置，喷射含磨粒(9)的抛光液(8)。

10.根据权利要求8所述的一种基于静压原理抛光工具的薄壁曲面抛光方法，其特征在于，所述流体缸(2)安装在机床往复摆轴上。