CN111482905A - 一种射流抛光中形成高斯型去除函数的组件及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种射流抛光中形成高斯型去除函数的组件及其装置，属于光学制造技术领域，包括本体，本体包括旋转轴，旋转轴下端沿轴线方向上设置有标准锥，标准锥至少有一侧倾斜设置有喷嘴，旋转轴中心设置有用于流通抛光液的入流通道，入流通道下端与喷嘴连通，抛光液在喷嘴末端形成有射流束，射流束与旋转轴线的交点应位于工件表面上方，且交点且离工件表面的距离0‑1000μm,采用斜入射旋转扫略的方式来产生高斯型去除函数，通过在旋转轴、标准锥、喷嘴和测头，调整喷嘴距离工件表面的高度，可以在材料表面形成具有一定的高斯曲线，并且可以对抛光液进行收集，并且通过供液泵进行回收利用，提高资源利用效率。
Description
技术领域
本发明属于光学制造技术领域，具体地涉及一种射流抛光中形成高斯型去除函数的装置。
背景技术
本实射流抛光（FJP）作为一种新型超精密加工技术，在光学元件的高精度、高洁净度及低亚表面损伤加工方面具有广阔的应用前景及重要的研究意义。FJP利用具有初始压力的抛光液介质（通常情况下为磨料与水的混合物或纯水）流经喷嘴而形成射流束，射流束以一定速度到达材料表面，利用磨料或水对材料的剪切力而达到去除作用。与传统抛光技术及其他超精密加工技术相比，FJP的主要特点与优势体现在以下三方面。首先，由于射流束的压力较低（通常为0.2～2MPa），因此在加工过程中不会引入新的材料亚表面缺陷。其次，抛光工艺中的“刀具”为循环柱状射流，不存在接触式抛光中的刀具磨损问题，从而能保证去除函数的稳定性，易于控制面形精度；且其去除率较低，能获得较高的表面加工精度。另外，FJP中射流束的尺寸通常较小（一般直径为0.2～2mm），不易受工件形状及位置的限制，从而可加工多种复杂曲面，特别是针对高陡度、小曲率半径的工件及细长管件，利用射流束可以避免机械干涉而深入工件内部，进行内表面的加工并获得较高的加工精度。
虽然FJP有诸多优点，但常规的入射方法产生的抛光斑具有明显劣势。垂直入射条件下，抛光斑的中间区域会存在一个凸起，从截面上看，抛光斑呈现“Ｗ”型，这种抛光斑用于光学表面加工容易带来高频误差。而斜入射所产生的抛光斑呈现“弦月”型，此种去除函数不具备严格对称性，加工过程中难以精确控制去除量。作为一种确定性的抛光方法，FJP首先要解决的问题是如何获得能满足光学加工要求的去除函数。高斯型分布去除函数具有良好的对称性，且最大去除量的坐标点和抛光过程中的实际控制点重合，使得抛光过程中的误差控制更易实现，其已成为迄今为止可达到最优去除效果的函数分布形态。
因此，如何形成高斯型去除函数是急需解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的射流抛光加工中实现高斯型去除函数的技术问题，目的在于提供一种射流抛光中形成高斯型去除函数的组件及其装置。
本发明通过下述技术方案实现：
一种射流抛光中形成高斯型去除函数的组件，包括用于倾斜旋转的喷嘴，喷嘴的中心轴线和其倾斜旋转的中心轴线所形成的交点位于工件表面上方；在入射角度、抛光液浓度及入射压力等条件一定的前提下，射流束在工件表面形成的路径圆的直径ｄ为关键的工艺参数之一, 但是，在实际的加工过程中，无法直接测量和控制ｄ，而ｄ又直接与喷嘴距工件的高度ｈ相对应。因此，寻找不同工艺参数条件下合适的直径ｄ并转化为确定相同条件下的喷嘴高度ｈ,喷嘴高度ｈ将直接反映在机床的坐标轴上，因此对运动控制而言更加简单可靠,以４５°斜入射为例，采用质量分数为８％的Ｃ１６６３号ＣｅＯ２，抛光液，入射压力为１ＭＰａ，喷嘴口径为１ｍｍ，喷嘴高度为１０ｍｍ，分别以不同的入射角度（７５°，６０°，４５°），进行２ｍｉｎ的定点采斑实验，结果在实施案例1中，喷嘴高度处于不同位置时材料去除的形貌示意图如图2所示，当射流束与回转轴线的交点位于工件表面下方时，旋转扫掠过程中材料去除量基本没有重叠，整体材料去除呈现环状。当射流束与回转轴线的交点位于工件表面时，只有材料去除较少的一侧有部分重叠，整体材料去除仍呈现环状。进一步提高喷头高度，当射流束与回转轴线的交点位于工件表面上方时，材料去除较深的部分开始重叠，整体材料去除有可能呈现高斯型。继续提高喷头高度，当射流束与回转轴线的交点离工件表面上方较远时，两侧的材料去除出现分离，整体材料去除呈现环状。根据以上分析可初步得出，射流束与回转轴线的交点应位于工件表面上方，且离工件表面的距离不应过大，综上所示，可知随着喷头高度逐渐增大，抛光斑的形态由“Ｗ”型逐渐收敛至高斯型；
且交点与工件表面的距离为0-1000μm；
一种射流抛光中形成高斯型去除函数的装置，包括本体，本体包括旋转轴，旋转轴下端沿轴线方向上设置有标准锥，标准锥至少有一侧倾斜设置有喷嘴，旋转轴中心设置有用于流通抛光液的入流通道，入流通道下端与喷嘴连通，抛光液在喷嘴末端形成有射流束；
射流束与旋转轴线的交点应位于工件表面上方，且交点且离工件表面的距离0-1000μm。
本发明的进一步优选，所述喷嘴与标准锥的中心线夹角呈锐角，大于0°而小于90°(直角)的角。
本发明的进一步优选，所述标准锥的一侧设置有测头，测头为红宝石测头，通过红宝石测头测量喷嘴高度距离工件表面的距离。
本发明的进一步优选，所述测头与旋转轴之间设置有测头安装盘连接，测头通过螺钉固定在测头安装盘上。
本发明的进一步优选，所述工作台下表面设置有回流槽，回流槽连通有抛光液存储罐，在工作台的表面设置回流槽，对抛光液进行收集，为下道工序提供条件。
本发明的进一步优选，所述抛光液存储罐连通有回收组件，回收组件包括供液泵，供液泵与入流通道上端连通，通过供液泵对抛光液存储罐进行泵送连通，保证可持续回收利用。
本发明的进一步优选，所述标准锥的中心线和旋转轴的中心线在同一条直线上；
工作原理：本申请采用斜入射旋转扫略的方式来产生高斯型去除函数，根据剪切去除理论和不同方向速度变化量以及斜入射材料去除实验可以得出，定点斜入射产生的材料去除在入射点后方，加工过程中，一般保持入射角度和射流压力等参数不变，因此，影响最终材料去除的关键因素即为喷嘴距离工件的高度。图2所示为不同喷嘴高度对应的材料去除情况；
当射流束与回转轴线的交点位于工件表面下方时，如图2（ａ）所示，旋转扫掠过程中材料去除量基本没有重叠，整体材料去除呈现环状；
当射流束与回转轴线的交点位于工件表面时，如图2（ｂ）所示，只有材料去除较少的一侧有部分重叠，整体材料去除仍呈现环状；
进一步提高喷头高度，当射流束与回转轴线的交点位于工件表面上方时，如图2（ｃ）所示，材料去除较深的部分开始重叠，整体材料去除有可能呈现高斯型；
继续提高喷头高度，当射流束与回转轴线的交点离工件表面上方较远时，如图2（ｄ）所示，两侧的材料去除出现分离，整体材料去除呈现环状；
根据以上分析可初步得出，射流束与回转轴线的交点应位于工件表面上方，且离工件表面的距离不应过大；标准锥和测头端点分别记为Ａ、Ｂ。装置装配好后通过触碰法检测Ａ、Ｂ两点之间的高度差，记为Δz，将标准锥安装在主轴的回转轴线上，调整喷嘴的角度和方向，使射流束刚好经过标准锥的顶点Ａ以进行校准，此时标准锥的端点Ａ即为射流束与回转轴线的交点，利用测头测量工件的表面高度，记录此时对应的机床Ｚ轴坐标z1，根据相对位置关系，Ｚ轴高度调整为（z1-Δz）时射流束与Ｚ轴的交点应正好位于工件上表面，进行对材料的回转扫略去除，射流下的废液经过回流槽，进入到抛光液存储罐，并且通过供液泵进行回收利用，提高资源的利用效率。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明采用斜入射旋转扫略的方式来产生高斯型去除函数，根据剪切去除理论和不同方向速度变化量以及斜入射材料去除实验可以得出，定点斜入射产生的材料去除在入射点后方，加工过程中，一般保持入射角度和射流压力等参数不变，因此，影响最终材料去除的关键因素即为喷嘴距离工件的高度，与现有技术相比，本发明通过在旋转轴、标准锥、喷嘴和测头，调整喷嘴距离工件表面的高度，可以在材料表面形成具有一定的高斯曲线，并且可以对抛光液进行收集，并且通过供液泵进行回收利用，提高资源利用效率。
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为本发明的结构示意图；
图2为本发明的不同喷嘴高度对应的材料去除情况；
图3为本发明的高度为50μm的材料去除量截面轮廓曲线；
图4为本发明的高度为400μm的材料去除量截面轮廓曲线。
附图标记及对应的零部件名称：1-喷嘴，2-射流束，3-标准锥，4旋转主轴，5-测头安装盘，6-锁紧螺钉，7-测头，8-工件，9-工作台，10-抛光液存储罐，11-供液泵。
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。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
下面结合图1-4对本发明作详细说明。
实施案例一：一种射流抛光中形成高斯型去除函数的组件，包括用于倾斜旋转的喷嘴1，喷嘴1的中心轴线和其倾斜旋转的中心轴线所形成的交点位于工件8表面上方；在入射角度、抛光液浓度及入射压力等条件一定的前提下，射流束2在工件8表面形成的路径圆的直径ｄ为关键的工艺参数之一, 但是，在实际的加工过程中，无法直接测量和控制ｄ，而ｄ又直接与喷嘴1距工件8的高度ｈ相对应。因此，寻找不同工艺参数条件下合适的直径ｄ并转化为确定相同条件下的喷嘴1高度ｈ,喷嘴1高度ｈ将直接反映在机床的坐标轴上，因此对运动控制而言更加简单可靠, 以４５°斜入射为例，采用质量分数为８％的Ｃ１６６３号ＣｅＯ２，抛光液，入射压力为１ＭＰａ，喷嘴1口径为１ｍｍ，喷嘴1高度为１０ｍｍ，分别以不同的入射角度（７５°，６０°，４５°），进行２ｍｉｎ的定点采斑实验，结果如图３所示，喷嘴1高度处于不同位置时材料去除的形貌示意图如图2所示，如图2ａ所示，当射流束2与回转轴线的交点位于工件8表面下方时，旋转扫掠过程中材料去除量基本没有重叠，整体材料去除呈现环状。当射流束2与回转轴线的交点位于工件8表面时，如图2ｂ所示，只有材料去除较少的一侧有部分重叠，整体材料去除仍呈现环状。进一步提高喷头高度，当射流束2与回转轴线的交点位于工件8表面上方时，如图2ｃ所示，材料去除较深的部分开始重叠，整体材料去除有可能呈现高斯型。继续提高喷头高度，当射流束2与回转轴线的交点离工件8表面上方较远时，如图2ｄ所示，两侧的材料去除出现分离，整体材料去除呈现环状。根据以上分析可初步得出，射流束2与回转轴线的交点应位于工件8表面上方，且离工件8表面的距离不应过大，举例：当高度为50μm时，如图3所示，当喷嘴1高度为400μm时，如图4所示，综上所示，可知随着喷头高度逐渐增大，抛光斑的形态由“Ｗ”型逐渐收敛至高斯型；
且交点与工件8表面的距离为0-1000μm；
实施案例二：一种射流抛光中形成高斯型去除函数的装置，包括本体，本体包括旋转轴4，旋转轴4下端沿轴线方向上设置有标准锥3，标准锥3至少有一侧倾斜设置有喷嘴1，旋转轴4中心设置有用于流通抛光液的入流通道，入流通道下端与喷嘴1连通，抛光液在喷嘴1末端形成有射流束2，
射流束2与旋转轴4线的交点应位于工件8表面上方，且交点且离工件8表面的距离0-1000μm。
喷嘴1与标准锥3的中心线夹角呈锐角，大于0°而小于90°直角的角，标准锥3的一侧设置有测头7，测头7为红宝石测头7，通过红宝石测头7测量喷嘴1高度距离工件8表面的距离，测头7与旋转轴4之间设置有测头安装盘5连接，测头7通过螺钉固定在测头安装盘5上。
工作台9下表面设置有回流槽，回流槽连通有抛光液存储罐10，在工作台9的表面设置回流槽，对抛光液进行收集，为下道工序提供条件，抛光液存储罐10连通有回收组件，回收组件包括供液泵11，供液泵11与入流通道上端连通，通过供液泵11对抛光液存储罐10进行泵送连通，保证可持续回收利用。
工作原理：本申请采用斜入射旋转扫略的方式来产生高斯型去除函数，根据剪切去除理论和不同方向速度变化量以及斜入射材料去除实验可以得出，定点斜入射产生的材料去除在入射点后方，加工过程中，一般保持入射角度和射流压力等参数不变，因此，影响最终材料去除的关键因素即为喷嘴1距离工件8的高度。图2所示为不同喷嘴1高度对应的材料去除情况；
当射流束2与回转轴线的交点位于工件8表面下方时，如图2ａ所示，旋转扫掠过程中材料去除量基本没有重叠，整体材料去除呈现环状；
当射流束2与回转轴线的交点位于工件8表面时，如图 2ｂ所示，只有材料去除较少的一侧有部分重叠，整体材料去除仍呈现环状；
进一步提高喷头高度，当射流束2与回转轴线的交点位于工件8表面上方时，如图2ｃ所示，材料去除较深的部分开始重叠，整体材料去除有可能呈现高斯型；
继续提高喷头高度，当射流束2与回转轴线的交点离工件8表面上方较远时，如图2ｄ所示，两侧的材料去除出现分离，整体材料去除呈现环状；
根据以上分析可初步得出，射流束2与回转轴线的交点应位于工件8表面上方，且离工件8表面的距离不应过大；标准锥3和测头7端点分别记为Ａ、Ｂ。装置装配好后通过触碰法检测Ａ、Ｂ两点之间的高度差，记为Δz，将标准锥3安装在主轴的回转轴线上，调整喷嘴1的角度和方向，使射流束2刚好经过标准锥3的顶点Ａ以进行校准，此时标准锥3的端点Ａ即为射流束2与回转轴线的交点，利用测头7测量工件8的表面高度，记录此时对应的机床Ｚ轴坐标z1，根据相对位置关系，Ｚ轴高度调整为（z1-Δz）时射流束2与Ｚ轴的交点应正好位于工件8上表面，进行对材料的回转扫略去除，射流下的废液经过回流槽，进入到抛光液存储罐10，并且通过供液泵11进行回收利用，提高资源的利用效率。
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 (8)
1.一种射流抛光中形成高斯型去除函数的组件，其特征在于，包括用于倾斜旋转的喷嘴(1)，喷嘴(1)的中心轴线和其倾斜旋转的中心轴线所形成的交点位于工件(8)表面上方；
且交点与工件(8)表面的距离为0-1000μm。
2.一种射流抛光中形成高斯型去除函数的装置，其特征在于，包括本体，本体包括旋转轴(4)，旋转轴(4)下端沿轴线方向上设置有标准锥(3)，标准锥(3)至少有一侧倾斜设置有喷嘴(1)，旋转轴(4)中心设置有用于流通抛光液的入流通道，入流通道下端与喷嘴(1)连通，抛光液在喷嘴(1)末端形成有射流束(2)；
射流束(2)与旋转轴(4)线的交点应位于工件(8)表面上方，且交点且离工件(8)表面的距离0-1000μm。
3.根据权利要求2所述的射流抛光中形成高斯型去除函数的装置，其特征在于，所述喷嘴(1)与标准锥(3)的中心线夹角呈锐角。
4.根据权利要求2所述的射流抛光中形成高斯去除函数的装置，其特征在于，所述标准锥(3)的一侧设置有测头(7)，测头(7)为红宝石测头(7)。
5.根据权利要求4所述的射流抛光中形成高斯去除函数的装置，其特征在于，所述测头(7)与旋转轴(4)之间设置有测头安装盘(5)连接，测头(7)通过螺钉固定在测头安装盘(5)上。
6.根据权利要求2所述的射流抛光中形成高斯去除函数的装置，其特征在于，所述工作台(9)下表面设置有回流槽，回流槽连通有抛光液存储罐(10)。
7.根据权利要求6所述的射流抛光中形成高斯去除函数的装置，其特征在于，所述抛光液存储罐(10)连通有回收组件，回收组件包括供液泵(11)，供液泵(11)与入流通道上端连通。
8.根据权利要求2所述的射流抛光中形成高斯去除函数的装置，其特征在于，所述标准锥(3)的中心线和旋转轴(4)的中心线在同一条直线。
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