CN110253439A - 一种具有域内材料均匀去除功能的梯度弹性研抛装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有域内材料均匀去除功能的梯度弹性研抛装置，研抛工具包括刚性层,梯度弹性层以及均质层；刚性层作为研抛工具的基底，设有安装孔，可以同旋转驱动组件连接，侧面安装搭扣，可同均质层固定环上的锁舌座相配合；梯度弹性层具有径向弹性模量分布；均质层为混有磨粒的加工层；梯度弹性层和均质层均具有多种厚度和弹性模量的组合。此外均质层还具有不同磨粒、粒径、混合比例以及不同弹性模量基底的组合，可根据加工工件的要求，选择合适的梯度弹性层和均质层的组合。本发明结构简单，制作简单成本较低，通过梯度层和均质层的匹配，可适应不同工件不同阶段的加工要求。

Description

一种具有域内材料均匀去除功能的梯度弹性研抛装置
技术领域
本发明涉及超精密加工技术领域，更具体的说，尤其涉及一种具有域内材料均匀去除功能的梯度弹性研抛装置。
背景技术
随着高科技产业的迅猛发展，蓝宝石、硅片、光学玻璃等硬脆性材料因其高硬度、高熔点、高耐磨性等特点，在光学及电子产业中得到了广泛应用。此类材料的面形精度和表面质量对器件的质量、寿命等具有关键性的影响作用。
目前，针对此类硬脆性材料的加工方法主要有应力盘、磁变流、离子束、射流等，在取得相关技术突破的同时，存在材料去除不均，加工效率和质量可控性不佳等问题，无法保证在工件面形精度不劣化的基础上进一步的抑制中高频误差。同时，由于接触区内各点材料去除不均的本质问题，增加了工件面形精度和表面质量一致性的控制难度，即加大了加工轨迹和驻留时间算法的优化难度，使得加工费时费力，成本也较高。
因此，设计一种能够保证接触区内各点材料去除尽可能一致的梯度功能研抛盘是比较完美的解决方案。例如申请号为CN201710010649的中国发明专利提出了一种具有梯度功能的扇形组合式研抛盘，通过设计多级具有不同梯度的扇形模块组合实现弹性模量的梯度分布。其中扇形模块通过混入不同体积比的磨粒控制其弹性模量，并作为实际加工层直接参与加工，因此各梯度层存在磨粒分布不均等问题，导致各梯度层的材料去除系数K值不一致。同时，由于弹性模量E与磨粒体积比和分布等因素相关，使材料去除系数K与接触应力分布P之间始终存在耦合关系，增加了实现接触区域内各点材料去除一致性的难度。本发明从K与P解耦的角度出发，通过改变研抛工具的结构形式来改善现有研抛盘制盘难度高及加工过程中接触域内材料去除量不均匀的问题。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术接触域内材料去除不均匀及加工效率不高等缺点，提出了一种具有域内材料均匀去除功能的梯度弹性研抛装置，将梯度弹性层和实际加工层分离，不仅易于实现合理的弹性模量梯度分布，提供更多的梯度弹性组合，以适应工件的不同加工工艺需求，更重要的是实现了材料去除综合参数K与接触应力分布P的解耦，更加稳定、可靠的实现工件材料的均匀、可控去除。
本发明的技术方案之一是：
一种具有域内材料均匀去除功能的梯度弹性研抛装置，包括刚性底座、梯度弹性层、固定环、和均质层，所述刚性底座作为整个装置的基底，刚性底座的上端设置有与旋转驱动组件连接的旋转轴，刚性底座的底部设置有圆形槽，刚性底座的侧面安装有搭扣；梯度弹性层设置在圆形槽内，梯度弹性层上的弹性模量沿径向分布；均质层为混有磨粒的加工层，均质层为阶梯型圆柱凸台均质层的上端外径与圆形槽间隙配合且设置在圆形槽内，均质层的下端露出在圆形槽外，固定环套装在均质层上，固定环的外径与梯度弹性层的下端的外径相同，固定环外侧设置有锁舌座，刚性底座侧面的搭扣底部连接在固定环外侧的锁舌座上；所述梯度弹性层设置有多个且弹性模量为具有多种厚度和弹性模量的组合，所述均质层设置有多个，每个均质层具有不同磨粒、粒径、混合比例、厚度以及不同弹性模量基底的组合，根据加工工件的要求选择合适的梯度弹性层和均值层安装在刚性底座形成不同需求的梯度弹性研抛装置。
进一步的，所述搭扣安装在刚性底座的外侧面且设置有沿周向均匀分布的多个，搭扣包括安装底座和弹簧，安装底座固定在刚性底座上，弹簧一端固定在安装底座上，另一端连接固定环上的锁舌座。
进一步的，所述的梯度弹性层具有反比例弹性模量分布，使接触应力呈反比例分布。
进一步的，所述的梯度弹性层包括不同弹性模量的圆环，弹性模量由内至外逐环梯度增加，增加圆环数量可以减弱边缘应力突变效应。
进一步的，所述的均质层混有磨粒，可根据加工工件以及加工要求的情况选择不同的磨料。
进一步的，所述的均质层可根据所选择磨料的种类，比例以及粒径的组合确定该工具材料去除函数的综合去除系数K。
进一步的，所述的均质层与梯度弹性层的组合并不会改变最终接触应力P的反比例分布，同时均质层的加入可以平缓个梯度界面间的应力过渡。
进一步的，所述的一种具有域内材料均匀去除功能的梯度弹性研抛装置，面对不同的加工工件，可通过工件的加工要求确定所需的加工效果，并由此选择最佳的梯度弹性层和均质层的组合。
进一步的，所述的刚性底座的中心设有抛光液流道，抛光液流道从上至下竖直贯穿整个刚性底座。
本发明的技术方案之二是：
一种具有域内材料均匀去除功能的梯度弹性研抛装置的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
首先，根据工件所需的材料去除函数确定梯度弹性研抛装置的梯度弹性分布函数，均质层所需的磨粒体积比，并通过仿真确定合适的梯度层，均质层厚度组合；
其次，配置相应均质层及梯度层各环原料；
第三，将梯度层原料以一三五环，二四环顺序分开浇筑，待一三五环原料自然凝固三小时后去除二四环模具，将二四环原料分别浇筑在相应的环间凹槽内，在密封环境静置自然排气凝固，得到梯度层；使用相同制备模具，去除各填充环，将均质层原料浇筑入模具中，在密封环境静置自然排气凝固，得到均质层；
第四，将梯度层和均质层按顺序固定在刚性层中，得到一种具有域内材料均匀去除功能的梯度弹性研抛装置。
进一步的，所述的梯度层和均质层可使用不同软化剂降低其基体材料的杨氏模量，使其达到加工所需的杨氏模量范围。
本发明的技术构思为：在以往加工方法中，采用梯度弹性层混合磨粒的方式进行加工，梯度层的各环会因混合磨粒体积比的不同而影响各环磨粒的有效参与率，仅能实现接触应力P与研抛盘上各点相对线速度V间的乘积定值，无法保证各点磨粒参与率的一致性。因此，本发明首先通过梯度层的弹性模量径向梯度变化曲线的合理设计，获得工件接触区各离散点的理想接触应力分布特征Px,y,z，弥补各离散点因离研抛工具转中心相对线速度Vx,y,z不一致而导致的接触区域MRRx,y,z＝K(x,y,z)P(x,y,z)V(x,y,z)材料非均匀去除的问题。此外，材料去除综合系数Kx,y,z的重要影响因素就是磨粒的有效参与率。本发明所涉及的研抛工具的梯度弹性层不涉及磨粒的混合，只在均质层中均匀混入磨粒，在确定的情况下材料去除综合系数Kx,y,z为一定值。所以，合理的组合梯度弹性层和均质层，不仅可保持材料去除综合系数Kx,y,z的理想一致，实现Kx,y,z和Px,y,z的解耦，也可以保持梯度弹性模量和接触应力的反比例分布，最终实现接触域内工件各点MRRx,y,z＝K(x,y,z)P(x,y,z)V(x,y,z)材料去除的一致性。
本发明的有益效果在于：。本发明结构简单，制备简单；梯度层的径向弹性分布，可以实现工件接触区域材料去除的一致性，进一步的根据工件的加工要求完成按需定量的材料去除；研抛工具的固定结构简单可靠，易于更换工具的梯度层和均质层，可根据待加工工件的实际加工情况，有针对性得选择合理的梯度弹性层和均质层的快速组合，有利于提高工件加工效率和表面质量。
附图说明
图1是本发明均质层混有Al2O3磨粒时的梯度弹性研抛工具的结构示意图。
图2是本发明所涉及的研抛工具制备模具的结构示意图。
图3是本发明一种具有域内材料均匀去除功能的梯度弹性研抛装置的加工状态示意图。
图4是本发明所涉及的具有不同梯度层、均质层组合的研抛工具接触应力仿真图。
图中，1-梯度弹性研抛装置，11-固定环，12-均质层，13-梯度弹性层，14-刚性底座、2-弹簧，21-锁舌座，22-安装底座，3-工件配模、4-加工工件、5-模具刚性底座、6-固定外环、7、填充环、71-第五填充环、72-第四填充环、73-第三填充环、74-第二填充环、75-第一填充环。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1～4所示，一种具有域内材料均匀去除功能的梯度弹性研抛装置，包括刚性底座14、梯度弹性层13、固定环11、和均质层12，所述刚性底座14作为整个装置的基底，刚性底座14的上端设置有与旋转驱动组件连接的旋转轴，刚性底座14的底部设置有圆形槽，刚性底座14的侧面安装有搭扣；梯度弹性层13设置在圆形槽内，梯度弹性层13上的弹性模量沿径向分布；均质层12为混油磨粒的加工层，均质层12为阶梯型圆柱凸台均质层12的上端外径与圆形槽间隙配合且设置在圆形槽内，均质层12的下端露出在圆形槽外，固定环11套装在均质层12上，固定环11的外径与梯度弹性层13的下端的外径相同，固定环11外侧设置有锁舌座21，刚性底座14侧面的搭扣底部连接在固定环11外侧的锁舌座21上；所述梯度弹性层13设置有多个且弹性模量为具有多种厚度和弹性模量的组合，所述均质层12设置有多个，每个均质层12具有不同磨粒、粒径、混合比例、厚度以及不同弹性模量基底的组合，根据加工工件4的要求选择合适的梯度弹性层13和均值层安装在刚性底座14形成不同需求的梯度弹性研抛装置1。具体加工时加工工件4安装在工件配模3上，
所述搭扣安装在刚性底座14的外侧面且设置有沿周向均匀分布的多个，搭扣包括安装底座22和弹簧2，安装底座22固定在刚性底座14上，弹簧2一端固定在安装底座22上，另一端连接固定环11上的锁舌座21。
所述的梯度弹性层13具有反比例弹性模量分布，使接触应力呈反比例分布。
所述的梯度弹性层13包括不同弹性模量的圆环，弹性模量由内至外逐环梯度增加，增加圆环数量可以减弱边缘应力突变效应。
所述的均质层12混有磨粒，可根据加工工件4以及加工要求的情况选择不同的磨料。
所述的均质层12可根据所选择磨料的种类，比例以及粒径参数的组合确定该工具材料去除函数的综合去除系数K。
所述的均质层12与梯度弹性层13的组合并不会改变最终接触应力P的反比例分布，同时均质层12的加入可以平缓个梯度界面间的应力过渡。
所述的一种具有域内材料均匀去除功能的梯度弹性研抛装置，面对不同的加工工件4，可通过工件的加工要求确定所需的加工效果，并由此选择最佳的梯度弹性层13和均质层12的组合。
所述的刚性底座14的中心设有抛光液流道，抛光液流道从上至下竖直贯穿整个刚性底座14。通入抛光液后，抛光液及其中的磨粒能够在研抛工具的自转过程中均匀地分布到各个接触区域，有助于提高最终的加工效果。
采用上述装置，本发明还公开了一种具有域内材料均匀去除功能的梯度弹性研抛装置的制备方法，包括以下步骤：
第一：，根据工件所需的材料去除函数确定梯度弹性研抛装置1的梯度弹性分布函数，均质层所需的磨粒体积比，并通过仿真确定合适的梯度层13，均质层12厚度组合；
第二：配置相应均质层12及梯度层13各环原料；均质层12的原料包括磨料、粘结剂、性能调节剂以及固化剂；梯度层13的原料包括粘结剂、性能调节剂以及固化剂；
第三，将梯度层原料以一三五环，二四环顺序分开浇筑，待一三五环原料自然凝固三小时后去除二四环模具，将二四环原料分别浇筑在相应的环间凹槽内，在密封环境静置自然排气凝固，得到梯度层；使用相同制备模具，去除各填充环，将均质层原料浇筑入模具中，在密封环境静置自然排气凝固，得到均质层；
第四，将梯度层13和均质层12按顺序固定在刚性层中，得到一种具有域内材料均匀去除功能的梯度弹性研抛装置1。
所述的梯度层13和均质层12可使用不同软化剂降低其基体材料的杨氏模量，使其达到加工所需的杨氏模量范围。
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有域内材料均匀去除功能的梯度弹性研抛装置，其特征在于：包括刚性底座(14)、梯度弹性层(13)、固定环(11)、和均质层(12)，所述刚性底座(14)作为整个装置的基底，刚性底座(14)的上端设置有与旋转驱动组件连接的旋转轴，刚性底座(14)的底部设置有圆形槽，刚性底座(14)的侧面安装有搭扣；梯度弹性层(13)设置在圆形槽内，梯度弹性层(13)上的弹性模量沿径向分布；均质层(12)为混有磨粒的加工层，均质层(12)为阶梯型圆柱凸台均质层(12)的上端外径与圆形槽间隙配合且设置在圆形槽内，均质层(12)的下端露出在圆形槽外，固定环(11)套装在均质层(12)上，固定环(11)的外径与梯度弹性层(13)的下端的外径相同，固定环(11)外侧设置有锁舌座(21)，刚性底座(14)侧面的搭扣底部连接在固定环(11)外侧的锁舌座(21)上；所述梯度弹性层(13)设置有多个且弹性模量为具有多种厚度和弹性模量的组合，所述均质层(12)设置有多个，每个均质层(12)具有不同磨粒、粒径、混合比例、厚度以及不同弹性模量基底的组合，根据加工工件(4)的要求选择合适的梯度弹性层(13)和均值层安装在刚性底座(14)形成不同需求的梯度弹性研抛装置。
2.根据权利要求1所述的一种具有域内材料均匀去除功能的梯度弹性研抛装置，其特征在于：所述搭扣安装在刚性底座(14)的外侧面且设置有沿周向均匀分布的多个，搭扣包括安装底座(22)和弹簧(2)，安装底座(22)固定在刚性底座(14)上，弹簧(2)一端固定在安装底座(22)上，另一端连接固定环(11)上的锁舌座(21)。
3.根据权利要求1所述的一种具有域内材料均匀去除功能的梯度弹性研抛装置，其特征在于：所述的梯度弹性层(13)具有反比例弹性模量分布，使接触应力呈反比例分布。
4.根据权利要求1所述的一种具有域内材料均匀去除功能的梯度弹性研抛装置，其特征在于：所述的梯度弹性层(13)包括不同弹性模量的圆环，弹性模量由内至外逐环梯度增加，增加圆环数量可以减弱边缘应力突变效应。
5.根据权利要求1所述的一种具有域内材料均匀去除功能的梯度弹性研抛装置，其特征在于：所述的均质层(12)混有磨粒，可根据加工工件(4)以及加工要求的情况选择不同的磨料。
6.根据权利要求1所述的一种具有域内材料均匀去除功能的梯度弹性研抛装置，其特征在于：所述的均质层(12)可根据所选择磨料的种类，比例以及粒径参数的组合确定该工具材料去除函数的综合去除系数K。
7.根据权利要求1所述的一种具有域内材料均匀去除功能的梯度弹性研抛装置，其特征在于：所述的均质层(12)与梯度弹性层(13)的组合并不会改变最终接触应力P的反比例分布，同时均质层(12)的加入可以平缓个梯度界面间的应力过渡。
8.根据权利要求1所述的一种具有域内材料均匀去除功能的梯度弹性研抛装置，其特征在于：所述的一种具有域内材料均匀去除功能的梯度弹性研抛装置，面对不同的加工工件(4)，可通过工件的加工要求确定所需的加工效果，并由此选择最佳的梯度弹性层(13)和均质层(12)的组合。
9.根据权利要求1所述的一种具有域内材料均匀去除功能的梯度弹性研抛装置，其特征在于：所述的刚性底座(14)的中心设有抛光液流道，抛光液流道从上至下竖直贯穿整个刚性底座(14)。
10.根据权利要求1所述的一种具有域内材料均匀去除功能的梯度弹性研抛装置，其特征在于：一种具有域内材料均匀去除功能的梯度弹性研抛装置的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
首先，根据工件所需的材料去除函数确定梯度弹性研抛装置(1)的梯度弹性分布函数，均质层所需的磨粒体积比，并通过仿真确定合适的梯度层(13)，均质层(12)厚度组合；
其次，配置相应均质层(12)及梯度层(13)各环原料；
第三，将梯度层原料以一三五环，二四环顺序分开浇筑，待一三五环原料自然凝固三小时后去除二四环模具，将二四环原料分别浇筑在相应的环间凹槽内，在密封环境静置自然排气凝固，得到梯度层；使用相同制备模具，去除各填充环，将均质层原料浇筑入模具中，在密封环境静置自然排气凝固，得到均质层；
第四，将梯度层(13)和均质层(12)按顺序固定在刚性层中，得到一种具有域内材料均匀去除功能的梯度弹性研抛装置。
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