CN110722428B - 一种适用于大口径光学元件的磁流变子孔径抛光装置 - Google Patents
一种适用于大口径光学元件的磁流变子孔径抛光装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种适用于大口径光学元件的永磁体子孔径抛光装置，涉及高精度光学元件高效加工的技术领域，包括磁流变子孔径抛光装置主体，纯铁背板，永磁体阵列，隔离板和软胶环组成。磁流变抛光液由中心通孔进入装置加工区域，磁流变抛光液在输送压力和装置自转离心力双重作用下向加工区域扩散，经过永磁体加工区域后，在装置外缘进行回收。磁流变抛光液体具有一定的流动性，可适应曲面曲率变化，可用于加工大曲率和高陡度光学元件。永磁体阵列中的永磁体数量和尺寸可根据加工元件尺寸需求进行增减，有效提高磁流变抛光液与光学元件的接触面积，可显著提高大口径、曲率光学元件的材料去除效率和高精度修形效率。
Description
技术领域
本发明涉及高精度光学元件高效加工的技术领域，特别涉及一种适用于大口径光学元件的磁流变子孔径抛光装置。
背景技术
随着强激光光学技术的发展，强激光光学系统采用的光学元件尺寸越来越大，同时对光学元件表面质量要求越来越严苛，要求极低的表面和亚表面损伤，从而提高光学元件的抗击光损伤阈值。磁流变抛光技术是降低光学元件表面和亚表面损伤的有效手段，磁流变抛光技术利用抛光轮上的磁流变液缎带扫略光学表面，从而实现光学元件材料去除。该技术具有极高的确定性，加工收敛率非常高，但由于磁流变液缎带与光学元件表面接触区域小，因此材料去除率低，制约着磁流变抛光的制造效率。
发明内容
本发明目的是为了解决强激光领域采用的大口径低损伤光学元件制造效率低的问题，提出一种基于永磁体的磁流变子孔径抛光装置。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
本发明的一种适用于大口径光学元件的磁流变子孔径抛光装置，包括磁流变子孔径抛光装置主体1，纯铁背板2，永磁体阵列3，隔离板4和软胶环5。
所述磁流变子孔径抛光装置主体1为不导磁材料，通过螺纹16与输入公自转的传动机构相连接，以实现装置加工过程所需的自转运动和公转运动，磁流变子孔径抛光装置主体1末端的中空通孔14与磁流变抛光液供给装置相连，环形凹槽15与纯铁背板2相配合，磁流变抛光液供给柱13与纯铁背板中心通孔22相配合，永磁体阵列3中的永磁体单元以N极31和S极32相交叉排布，嵌入到纯铁背板2上的凹槽21中，隔离板4为不导磁材料，隔离板4嵌入磁流变子孔径抛光装置主体1底面的浅凹槽17中，浅凹槽17深度与隔离板4的厚度一致，隔离永磁体与磁流变抛光液。软胶环5通过张紧力张紧在磁流变子孔径抛光装置主体1外侧，加工过程中，软胶环5的下底面与工件接触，阻断磁流变抛光液流出加工区域，利于磁流变抛光液的回收利用。
通过调整装置公转运动的半径，可以实现材料去除函数斑点大小的调整。当装置公转半径为零时，装置所产生的材料去除函数斑点最小，且去除函数为近锥形。当增大装置公转运动半径，所产生的材料去除函数斑点逐渐增大，且去除函数为中心材料去除量大，周边去除量少的近高斯形状，具有较好的修形能力，但不能无限增大公转运动的半径，一般须小于装置隔离板4半径的1/2，保证去除函数为近高斯形分布。
所述装置的中空通孔14与磁流变抛光液循环装置的输出口相连接，回收孔12与磁流变抛光液循环装置的输入口相连。工作过程中，
所述装置磁流变循环装置输出的磁流变抛光液通过中空通孔14沿加工装置轴线输送到加工区域，磁流变抛光液在循环装置的输入泵压和装置回转离心力的双重作用下，使沿径向向加工区域扩散，加工后的磁流变抛光液流出加工区域后被软胶环5封闭在装置内部。在磁流变循环装置回收泵压作用下，磁流变抛光液富集在装置内环形回收槽11区域，经由回收孔12输送回循环置，完成磁流变抛光液的循环。
所述装置通过控制隔离板4的底面与工件之间的距离，形成不同的磁流变抛光液压入深度，实现不同的材料去除效率。
所述装置可通过增减永磁体阵列3中的永磁体个数实现永磁体阵列3的尺寸变化，可以获不同口径的磁流变子孔径抛光装置尺寸；在永磁体数量一定的情况下，可通过增减永磁体阵列3中的永磁体个数，获得不同口径的磁流变子孔径抛光装置尺寸，获取合适的加工口径。通过增加永磁体阵列3中永磁体的个数和永磁体尺寸，可获得更大尺寸的磁流变子孔径抛光装置，有效提升加工效率。
其中，所述装置在永磁体阵列3尺寸一定的情况下，可通过更改单个永磁体充磁强度大小和厚度，在加工区域获得不同的磁场强度；通过控制单个永磁体尺寸大小和排布，获得不同的磁场均匀性。
其中，所述装置可改变纯铁背板2、永磁体阵列3和隔离板4的尺寸形状，使之与待加工光学元件具有相匹配的曲率，以实现对大曲率高陡度光学元件的加工。
本发明的有益效果是：
本发明能大大提升磁流变抛光装置的有效加工区域，以显著增加磁流变抛光效率。采用N、S极间隔的永磁体阵列布局，首先该布局利于在加工区域获得均匀的磁场；其次通过扩展永磁体阵列或增加永磁体尺寸，可以获得大的磁流变子孔径抛光装置尺寸，进一步提升加工效率；第三是通过更改纯铁背板和永磁体的形状及布局，使本发明装置底面曲率与工件曲率相匹配，可以加工高陡度或大曲率的光学元件
本发明装置利于磁流变抛光液循环回收，通过沿加工装置轴线的送液管路将磁流变抛光液输送到加工区域中。利用磁流变循环装置的输入泵压和工具回转离心力双重作用，使磁流变抛光液沿径向向加工区域扩散，提高了磁流变抛光液在加工区域的流动，便于加工区域的磁流变抛光液更新，可提高材料去除的均匀性，保证去除函数的稳定一致，提升本发明装置加工的确定性。
附图说明
图1是实现本发明的适用于大口径光学元件的磁流变子孔径抛光装置爆炸图；
图2是磁流变子孔径抛光装置主体图；
图3是磁流变子孔径抛光装置主体剖视图；
图4是纯铁背板图；
图5是永磁体阵列布局图；
图6是隔离板图；
图7是软胶环图；
图8是平板式及小曲率磁流变子孔径抛光装置工作原理图；
图9是大曲率磁流变子孔径抛光装置工作原理图；
图10是永磁体阵列中相邻永磁体磁场分布图。
图中：1为磁流变子孔径抛光装置主体，2为纯铁背板，3为永磁体阵列，4为隔离板，5为软胶环，6为加工腔，11为回收槽，12为回收孔，13为磁流变抛光液供给柱，14为中空通孔，15为环形凹槽，16为螺纹，17为浅凹槽，21为凹槽，22为纯铁背板中心通孔，2-1为纯铁背板一，3-1为永磁体阵列一，4-1为隔离板一，31为N极，32为S极，33为永磁体阵列中心，41为中心孔。
具体实施方式
为了更好的呈现本发明的技术方案和优势，结合附图1-10对具体实施方案进行阐述。本部分呈现的是本发明的典型实施方式，可以根据光学元件的加工需求对实施方式进行的优化，都属于本专利的保护范围。
具体实施方式一：本实施方式主要针对平板类光学元件，以及曲率较小的光学元件，集合附图中图1至图8说明本实施方式，如4所示纯铁背板2为平板，通过过盈配合嵌入到图1所示磁流变子孔径抛光装置主体1的环形凹槽15中。
永磁体阵列3中的永磁体以N极31和S极32交叉排布嵌入到纯铁背板2的凹槽中，阵列中相邻永磁体中的磁感线闭合形成加工用磁场。永磁体阵列中心33处无永磁体排布，永磁体在磁力作用下可吸附在纯铁背板2上。纯铁背板2的凹槽深度小于永磁体厚度20％以上，以便于永磁体的安装和更换。永磁体阵列3下表面与隔离板4上表面贴合，对于平板类和曲率较小的光学元件，隔离板4为不导磁材料的薄平板，厚度在1mm～2mm之间，如铝、铜和不锈钢等材质，与永磁体之间无相互作用，便于磁场穿过。采用薄板可保证尽可能多的磁场透过隔离板，充分利用永磁体阵列3产生的磁场，防止永磁体阵列3与加工区域的距离过大导致的磁场衰减。
所述隔离板4与磁流变子孔径抛光装置主体1底面的浅凹槽17中，浅凹槽17深度与隔离板4的厚度一致，且为过盈配合。隔离板4的中心孔41与磁流变抛光液供给柱13为过盈配合，隔离板4与磁流变子孔径抛光装置主体1配合形成的空间，将永磁体阵列3与磁流变抛光液隔离。
软胶环5的内径小于磁流变子孔径抛光装置主体1的外径，保证软胶环5可以通过张紧力张紧在磁流变子孔径抛光装置主体1上，软胶环5的下表面与磁流变子孔径抛光装置主体1的下表面距离较加工过程中磁流变抛光液最小压入深度时的磁流变抛光液厚度大2mm～3mm，保证加工过程中软胶环5下表面与工件表面贴合，形成加工腔6，将磁流变抛光液封闭在加工腔6中，便于磁流变抛光液的回收。加工后的磁流变抛光液在泵压和离心力的作用下富集在装置外缘的回收槽11中，经由均布在回收槽11上的回收孔12输送至抛光循环装置，回收孔12的数量在根据磁流变子孔径抛光装置主体1的外径大小确定，外径越大则回收孔12的数量越多，保证磁流变抛光液的均匀回收。
在加工过程中，首先运动机构输入的公自转运动，通过与运动机构相连的外螺纹16将运动传递给本发明装置，并精确控制隔离板4的下表面与工件表面之间的距离。磁流变抛光液在抛光液循环装置的输送压力下，经由中空通孔14输送至加工腔6中，磁流变抛光液在永磁体阵列3的作用下由液态变为具有一定硬度的半固体Bingham体，磁流变抛光液中的抛光剂富集到与元件接触区域，与发生相对运动并去除元件表面材料。在磁流变循环装置输送压力和装置自转离心力作用下，磁流变抛光液经由加工区域向装置外缘的回收槽11内富集，富集的磁流变抛光液经回收孔12，在磁流变抛光液回收装置的负压作用下由均布在磁流变子孔径抛光装置主体上的回收孔12回收，经由回收孔12输运回磁流变循环装置，完成磁流变抛光液的回收和循环利用。
在装置尺寸一定的条件下，可以通过控制隔离板4与光学元件表面距离和间隙，获得不同的材料去除效率。当间隙控制不能达到所需加工效率时，还可通过采用增加永磁体厚度或增大永磁充磁强度，提升加工区域的磁场强度，从而提高材料去除率。
具体实施方式二：具体实施方式二主要针对大曲率和高陡度光学元件，结合具体实施方式一和图9说明具体实施方式二，具体实施方式二的装置装配和使用方法与具体实施方式一相同，区别在于需将纯铁背板2、永磁体阵列3和隔离板4更改为具有一定曲率，且曲率与待加工工件曲率相匹配的纯铁背板一2-1、永磁体阵列一3-1和隔离板一4-1。
Claims (1)
1.一种适用于大口径光学元件的磁流变子孔径抛光装置，用于安装在具有公自转运动的抛光设备上，其特征在于：所述磁流变子孔径抛光装置由磁流变子孔径抛光装置主体(1)，纯铁背板(2)，永磁体阵列(3)，隔离板(4)和软胶环(5)组成，其中，
所述磁流变子孔径抛光装置主体(1)为不导磁材料，通过螺纹(16)与输入公自转的传动机构相连接，以实现装置运动所需的自转运动和公转运动，磁流变子孔径抛光装置主体(1)末端的中空通孔(14)与磁流变抛光液供给装置相连，环形凹槽(15)与纯铁背板(2)相配合，磁流变抛光液供给柱(13)与纯铁背板中心通孔(22)相配合，永磁体阵列(3)中的永磁体单元以N极(31)和S极(32)相交叉排布，嵌入到纯铁背板(2)上的凹槽(21)中，隔离板(4)为不导磁材料，隔离板(4)嵌入磁流变子孔径抛光装置主体(1)底面的浅凹槽(17)中，浅凹槽(17)深度与隔离板(4)的厚度一致，隔离永磁体与磁流变抛光液，软胶环(5)通过张紧力张紧在磁流变子孔径抛光装置主体(1)外侧，加工过程中，软胶环(5)的下底面与工件接触，阻断磁流变抛光液流出加工区域，利于磁流变抛光液的回收利用；
所述装置的中空通孔(14)与磁流变抛光液循环装置的输出口相连接，回收孔(12)与磁流变抛光液循环装置的输入口相连；
工作过程中，所述装置磁流变循环装置输出的磁流变抛光液通过中空通孔(14)沿加工装置轴线输送到加工区域，磁流变抛光液在循环装置的输入泵压和装置回转离心力的双重作用下，使沿径向向加工区域扩散，加工后的磁流变抛光液流出加工区域后被软胶环(5)封闭在装置内部，在磁流变循环装置回收泵压作用下，磁流变抛光液富集在装置内环形回收槽(11)区域，经由回收孔(12)输送回循环置，完成磁流变抛光液的循环；
所述装置通过控制隔离板(4)的底面与工件之间的距离，形成不同的磁流变抛光液压入深度，实现不同的材料去除效率；
所述装置可通过增减永磁体阵列(3)中的永磁体个数实现永磁体阵列(3)的尺寸变化，可以获不同口径的磁流变子孔径抛光装置尺寸；在永磁体数量一定的情况下，可通过增减永磁体阵列(3)中的永磁体个数，获得不同口径的磁流变子孔径抛光装置尺寸，获取合适的加工口径，通过增加永磁体阵列(3)中永磁体的个数和永磁体尺寸，可获得更大尺寸的磁流变子孔径抛光装置，有效提升加工效率；
所述装置在永磁体阵列(3)尺寸一定的情况下，可通过更改单个永磁体充磁强度大小和厚度，在加工区域获得不同的磁场强度；通过控制单个永磁体尺寸大小和排布，获得不同的磁场均匀性；
所述装置可改变纯铁背板(2)、永磁体阵列(3)和隔离板(4)的尺寸形状，使之与待加工光学元件具有相匹配的曲率，以实现对大曲率高陡度光学元件的加工；
该装置能大大提升磁流变抛光装置的有效加工区域，以显著增加磁流变抛光效率，采用N、S极间隔的永磁体阵列布局，首先该布局利于在加工区域获得均匀的磁场；其次通过扩展永磁体阵列或增加永磁体尺寸，可以获得大的磁流变子孔径抛光装置尺寸，进一步提升加工效率；第三是通过更改纯铁背板和永磁体的形状及布局，使本发明装置底面曲率与工件曲率相匹配，可以加工高陡度或大曲率的光学元件；
该装置利于磁流变抛光液循环回收，通过沿加工装置轴线的送液管路将磁流变抛光液输送到加工区域中，利用磁流变循环装置的输入泵压和工具回转离心力双重作用，使磁流变抛光液沿径向向加工区域扩散，提高了磁流变抛光液在加工区域的流动，便于加工区域的磁流变抛光液更新，可提高材料去除的均匀性，保证去除函数的稳定一致，提升该装置加工的确定性。
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| CN102990481A (zh) * | 2013-01-05 | 2013-03-27 | 长沙纳美特超精密制造技术有限公司 | 一种双面磁流变抛光装置及方法 |
| CN106272086A (zh) * | 2016-09-20 | 2017-01-04 | 中国工程物理研究院机械制造工艺研究所 | 一种磁流变抛光液回收器 |
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