CN112059813A - 一种柱状二次曲线组合曲面超光滑保形抛光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种柱状二次曲线组合曲面超光滑保形抛光装置，包括床身和设置在床身上的主轴单元、机床框架、尾座单元，所述机床框架上吊装水平运动单元，所述水平运动单元上设有抛光单元；所述主轴单元和尾座单元的回转轴线共线，所述主轴单元和尾座单元通过顶尖夹紧圆柱状工件及其工装，且使得工件的回转轴线和主轴单元的回转轴线同心，所述抛光单元位于工件及其工装的上方。与现有技术相比，本发明抛光单元中的气缸可以实时调节抛光垫的压力，保证了抛光过程去除函数的相对稳定性；通过主轴运动单元的回转运动和抛光垫的往复直线运动，实现圆柱状二次曲线组合曲面的超光滑保形抛光工艺。

Description

一种柱状二次曲线组合曲面超光滑保形抛光装置
技术领域
本发明涉及光学抛光领域，尤其是涉及一种柱状二次曲线组合曲面超光滑保形抛光装置。
背景技术
随着现代光学技术以及光学加工水平的发展，光学探测手段从长波红外、可见光等逐渐向紫外、X射线等波段发展。例如对黑洞、中子星、太阳等辐射的X射线，对于探究宇宙起源及其演化过程以及太阳活动等科学问题具有十分重要的意义。由于X射线波长短、能量大、容易穿透物质，在这个波段所有材料的正入射反射率极低，即使采用多层膜技术，目前也无法满足实用化的要求。为了实现对X射线的聚焦成像，目前国际上一般采取掠入射Wolter型成像系统，即由两段不同的旋转二次曲面组成的同轴共焦系统实现对X射线的聚焦成像，获得较高的成像分辨率。
嵌套式X射线掠入射Wolter型结构能够提供更高的角分辨率、更大的集光面积，广泛应用到高精度X射线聚焦望远镜中。芯轴复制技术是一种可行的嵌套式X射线掠入射反射镜的制作方法，其关键工艺是制造亚微米级面形精度、亚纳米级表面质量的芯轴。一般满足X射线成像需求的Wolter型芯轴为一段抛物线或者椭圆与一段双曲线的组合，由于光学参数的限制，其形状近似于圆柱面(与圆柱面的偏差为几微米到毫米量级不等)。目前芯轴制造一般采用单点金刚石车削技术直接加工出符合面形精度指标的Wolter型二次曲面，但是单点金刚石车削后的表面粗糙度一般仅为纳米级别，不满足X射线光学的需求，因此，车削后的芯轴表面还需要进行一步超光滑抛光工序。然而，由于其特殊的形状结构，目前商用的柱面抛光机只能够对标准圆柱体进行抛光，对这种由二次曲面组合而成的类圆柱体进行抛光时，由于抛光盘在抛光过程中压力不能调节，抛光垫的姿态不能实现俯仰变化，造成抛光垫无法完全贴合芯轴表面，破坏芯轴的原始面形，从而造成芯轴加工失败。
因此，如何提供针对柱状二次曲线组合曲面的超光滑保形抛光装置，能够对由二次曲面甚至更为复杂的曲面组合而成的类圆柱体表面进行抛光，并且获得亚纳米级表面质量，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种柱状二次曲线组合曲面超光滑保形抛光装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种柱状二次曲线组合曲面超光滑保形抛光装置，包括床身和设置在床身上的主轴单元、机床框架、尾座单元，所述机床框架上吊装水平运动单元，所述水平运动单元上设有抛光单元；所述主轴单元和尾座单元的回转轴线共线，所述主轴单元和尾座单元通过顶尖夹紧圆柱状工件及其工装，且使得工件的回转轴线和主轴单元的回转轴线同心，所述抛光单元位于工件及其工装的上方。
优选的，所述抛光单元包括导向轴基座、抛光支架、抛光垫导向轴和抛光垫，所述抛光垫导向轴包括两组，分别竖直连接在抛光垫沿主轴单元轴线方向的两端，用于控制抛光垫的俯仰姿态；所述抛光垫导向轴分别与抛光支架连接，所述抛光支架通过支架导向轴和导向轴锁紧座固定在导向轴基座上，所述导向轴基座与水平运动单元连接。
优选的，每个所述抛光垫导向轴的顶端均设有导向气缸，所述导向气缸的导向杆与抛光垫导向轴同轴。
优选的，所述导向气缸的压力可以独立控制，在水平运动单元的往复运动过程中实时调节抛光垫两端的接触压力和俯仰姿态。
优选的，所述抛光垫在导向气缸的压力作用下，其抛光工作面与工件的外表面接触。
优选的，所述抛光垫的工作面面形和工件的外圆柱面相吻合。
优选的，所述抛光垫的长度为工件的轴向长度的％～％之间。
优选的，所述主轴单元提供绕自身轴线的回转运动，其结构形式为气浮、液压和机械轴承结构中的一种。
优选的，所述抛光单元位于工件及其工装的回转轴线的正上方。
优选的，所述水平运动单元提供沿着所述主轴单元的轴线方向的往复运动。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、通过将抛光垫置于工件正上方，可以避免抛光垫的横向窜动对抛光面形的影响，在精密抛光压力的控制下实现均匀恒定的纳米级去除量，从而实现超光滑保形抛光，最终完成X射线成像系统光学芯轴的超精密制造。
2、抛光单元中的气缸可以实时调节抛光垫的压力，保证了抛光过程去除函数的相对稳定性，通过主轴运动单元的回转运动和抛光垫的往复直线运动，实现圆柱状二次曲线组合曲面的超光滑保形抛光工艺。
3、可以根据多个气缸独立控制的布局方式使得抛光垫的俯仰姿态可以随着工件外圆柱面形实时改变，保证抛光垫始终与工件外表面接触。
附图说明
图1为本发明柱状二次曲线组合曲面超光滑保形抛光装置正视图；
图2为本发明柱状二次曲线组合曲面超光滑保形抛光装置右视图；
图3为本发明抛光装置中的抛光单元右视剖面示意图；
图4为本发明抛光装置中的抛光单元正视剖面示意图。
图中标注：1、主轴单元，2、机床框架，3、水平运动单元，4、抛光单元，5、尾座单元，6、床身，7、圆柱状工件，401、导向轴基座，402、支架导向轴，403、导向轴锁紧座，404、抛光支架，405、导向气缸，406、抛光垫导向轴，407、抛光垫。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图1、2所示，本申请提出一种柱状二次曲线组合曲面超光滑保形抛光装置，能够对Wolter型二次曲面组合而成的类圆柱体表面进行抛光，并且获得亚纳米级表面质量，从而提升嵌套式X射线望远镜光学镜片的加工质量和加工精度。
如图1、2所示，本装置包括主轴单元1、机床框架2、水平运动单元3、抛光单元4和尾座单元5。主轴单元1和尾座单元5均安装在床身6上，且主轴单元1和尾座单元5的回转轴线共线。抛光单元4安装在水平运动单元3上，水平运动单元3吊装在机床框架2上，机床框架2安装的床身6上。主轴单元1和尾座单元5通过顶尖夹紧将圆柱状工件7及其安装工装，且使得工件7的回转轴线和主轴单元1的回转轴线同心。抛光单元4位于工件7及其工装的回转轴线的正上方。
主轴单元1提供回转运动，其结构形式可以是气浮、液压和机械等提供回转运动的结构，动力系统可以是电主轴，也可以是电机和皮带传动等形式。水平运动单元3提供沿着主轴单元1轴线方向的往复运动。
如图3所示，抛光单元4包括抛光垫407、抛光垫导向轴406、抛光支架404、支架导向轴402、导向气缸405、导向轴锁紧座403和导向轴基座401。如图4所示，抛光垫导向轴406包括两组，分别通过销钉竖直连接在抛光垫407沿主轴单元1轴线方向的两端，用于控制抛光垫407的俯仰姿态。抛光垫导向轴406分别与抛光支架404连接，抛光支架404通过支架导向轴402和导向轴锁紧座403固定在导向轴基座401上，导向轴基座401与水平运动单元3连接。每个抛光垫导向轴406的顶端均设有导向气缸405，导向气缸405固定在的抛光支架404上，导向气缸405的导向杆与抛光垫导向轴406同轴，通过气压调节抛光垫407与工件7的抛光压力。抛光垫407在导向气缸405的压力作用下，其抛光工作面与工件7的外表面接触。
如图4所示，导向气缸405的压力可以独立控制，在水平运动单元3的往复运动过程中实时调节抛光垫407前后两端的接触压力和俯仰姿态。抛光垫407的工作面面形和加工工件7的外圆柱面相吻合，长度为工件7的轴向长度的50％-100％之间。
实际抛光加工时，首先将工件7通过顶尖安装在抛光装置上，将满足抛光要求的抛光垫407安装到抛光单元4上；调节抛光支架404，使得抛光垫407刚好能贴合到工件7外圆柱表面上，固定导向轴锁紧座403，启动主轴单元1，使得工件7做回转运动，同时，抛光垫407在水平运动单元3的带动下做往复运动，导向气缸405的气压根据工件7面形和抛光垫407的运动方向实时动态调节。

Claims (10)

1.一种柱状二次曲线组合曲面超光滑保形抛光装置，包括床身(6)和设置在床身(6)上的主轴单元(1)、机床框架(2)、尾座单元(5)，其特征在于，所述机床框架(2)上吊装水平运动单元(3)，所述水平运动单元(3)上设有抛光单元(4)；所述主轴单元(1)和尾座单元(5)的回转轴线共线，所述主轴单元(1)和尾座单元(5)通过顶尖夹紧圆柱状工件(7)及其工装，且使得工件(7)的回转轴线和主轴单元(1)的回转轴线同心，所述抛光单元(4)位于工件(7)及其工装的上方。
2.根据权利要求1所述的一种柱状二次曲线组合曲面超光滑保形抛光装置，其特征在于，所述抛光单元(4)包括导向轴基座(401)、抛光支架(404)、抛光垫导向轴(406)和抛光垫(407)，所述抛光垫导向轴(406)包括两组，分别竖直连接在抛光垫(407)沿主轴单元(1)轴线方向的两端，用于控制抛光垫(407)的俯仰姿态；所述抛光垫导向轴(406)分别与抛光支架(404)连接，所述抛光支架(404)通过支架导向轴(402)和导向轴锁紧座(403)固定在导向轴基座(401)上，所述导向轴基座(401)与水平运动单元(3)连接。
3.根据权利要求2所述的一种柱状二次曲线组合曲面超光滑保形抛光装置，其特征在于，每个所述抛光垫导向轴(406)的顶端均设有导向气缸(405)，所述导向气缸(405)的导向杆与抛光垫导向轴(406)同轴。
4.根据权利要求3所述的一种柱状二次曲线组合曲面超光滑保形抛光装置，其特征在于，所述导向气缸(405)的压力可以独立控制，在水平运动单元(3)的往复运动过程中实时调节抛光垫(407)两端的接触压力和俯仰姿态。
5.根据权利要求3所述的一种柱状二次曲线组合曲面超光滑保形抛光装置，其特征在于，所述抛光垫(407)在导向气缸(405)的压力作用下，其抛光工作面与工件(7)的外表面接触。
6.根据权利要求2所述的一种柱状二次曲线组合曲面超光滑保形抛光装置，其特征在于，所述抛光垫(407)的工作面面形和工件(7)的外圆柱面相吻合。
7.根据权利要求2所述的一种柱状二次曲线组合曲面超光滑保形抛光装置，其特征在于，所述抛光垫(407)的长度为工件(7)的轴向长度的50％～100％之间。
8.根据权利要求1所述的一种柱状二次曲线组合曲面超光滑保形抛光装置，其特征在于，所述主轴单元(1)提供绕自身轴线的回转运动，其结构形式为气浮、液压和机械轴承结构中的一种。
9.根据权利要求1所述的一种柱状二次曲线组合曲面超光滑保形抛光装置，其特征在于，所述抛光单元(4)位于工件(7)及其工装的回转轴线的正上方。
10.根据权利要求1所述的一种柱状二次曲线组合曲面超光滑保形抛光装置，其特征在于，所述水平运动单元(3)提供沿着所述主轴单元(1)的轴线方向的往复运动。
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