CN112658812A - 一种ccos剪切增稠抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CCOS剪切增稠抛光方法，在CCOS工艺采用抛光盘对工件进行加工的过程中，引入剪切增稠抛光液进行增稠，来提升CCOS加工的平整度和面形精度。该方法具有对低、中、高精度的工件表面修形的能力，不需要辗转各种加工设备之间，避免了由于更换设备引起的各种误差，不仅对工件表面具有修形能力，同时还可以提高工件表面的平整度和面形精度，具有装置简单，容易搭建，成本较低的优点。

Description

一种CCOS剪切增稠抛光方法

技术领域

本发明光学加工技术领域，具体涉及一种CCOS剪切增稠抛光方法，用于实现高效率、高表面质量的修形加工。

背景技术

光学加工技术在航空、航天、电子、半导体等行业具有极其重要的地位，特别是要求高面形质量的精密光学元件是现代超精密光学系统的核心元件。在各种激光系统、微机电系统、激光陀螺、磁头加工、深紫外、X射线等领域都有非常重要的应用。

但是计算机控制光学表面技术(Computer Controlled Optical Surfacing,CCOS)的面形和粗糙度收敛速度太慢，影响加工效率，且易受到抛光盘质量、平面度等因素的影响，往往容易因抛光盘不平、压力分布不均匀等原因，出现加工后的工件表面很容易出现划痕、损伤等缺陷，导致粗糙度下降，面形不收敛等问题，进而限制了工件的大规模生产和表面质量。

发明内容

本发明要解决的问题是克服现有技术的缺陷，提供一种CCOS剪切增稠的抛光方法。本发明的方法具有对低、中、高精度的工件表面修形的能力，不需要辗转各种加工设备之间，避免了由于更换设备引起的各种误差，不仅对工件表面具有修形能力，同时还可以降低工件表面的粗糙度，提高工件表面的平整度和面形精度，且具有设备简单，容易搭建，成本较低等优点。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种CCOS剪切增稠抛光方法，在CCOS抛光方法中，采用抛光盘对工件进行加工的过程中，引入剪切增稠抛光液进行增稠，利用抛光盘上处于不同半径的圆弧上的速度不一样，获得不一样的增稠效果，进而获得不同的去除效率，来提升CCOS加工的平整度和面形精度。本方案中，加工包括抛光和修形两个作用。

上述的CCOS剪切增稠抛光方法，优选地，通过引入两种以上含剪切增稠剂浓度不同的剪切增稠抛光液进行增稠；

所述引入两种以上含剪切增稠剂浓度不同的剪切增稠抛光液为：按照加工的先后顺序，引入的剪切增稠抛光液含有的剪切增稠剂浓度依次提高，当采用第N剪切增稠抛光液进行CCOS迭代加工至工件面形收敛速度趋于0或为负时，更换含剪切增稠剂浓度更高的第N+1剪切增稠抛光液继续进行CCOS迭代加工，直至满足面形需求，其中N≥1。

上述的CCOS剪切增稠抛光方法，优选地，所述剪切增稠抛光液包括剪切增稠剂、磨粒、分散剂和去离子水，所述剪切增稠剂的质量分数为0.5～50％，磨粒的质量分数为20％～70％，分散剂的质量分数为1％以下，其余为去离子水。

上述的CCOS剪切增稠抛光方法，优选地，所述剪切增稠剂的组成包括黄原胶和去离子水，其中黄原胶的质量分数为0.1～1％；

所述分散剂为HPMA或者聚羧酸盐；

所述磨粒为二氧化硅或三氧化二铝磨粒。

上述的CCOS剪切增稠抛光方法，优选地，所述抛光盘的直径≥10mm；

所述抛光盘具有与工件待加工表面形状相适应的表面，以使抛光盘与待加工面贴合。

上述的CCOS剪切增稠抛光方法，优选地，包括如下步骤：

S1、对工件表面面形误差进行测量；

S2、使用两种以上含剪切增稠剂浓度不同的剪切增稠抛光液进行CCOS抛光，获得与各剪切增稠抛光液一一对应的各去除函数；

S3、按照加工的先后顺序，引入的剪切增稠抛光液的剪切增稠剂浓度依次提高，当采用第N剪切增稠抛光液及对应的去除函数进行CCOS迭代加工，待加工至工件面形收敛速度趋于0或为负时，更换含剪切增稠剂浓度更高的第N+1剪切增稠抛光液继续进行CCOS迭代加工，直至满足面形需求，其中N≥1。

上述的CCOS剪切增稠抛光方法，优选地，包括如下步骤：

S1、对工件表面面形误差进行测量；

S2、使用两种含剪切增稠剂浓度不同的剪切增稠抛光液进行CCOS抛光，获得对应的两个去除函数；

S3、初始阶段采用第一剪切增稠抛光液和对应的去除函数进行CCOS迭代加工；

S4、待面形收敛速度趋近于0或为负(即所述工件面形不再收敛)时，使用第二剪切增稠抛光液和对应的去除函数，继续进行CCOS迭代加工，直到工件表面质量满足所需要求，所述第二剪切增稠抛光液中含有的剪切增稠剂的浓度大于第一剪切增稠抛光液中的浓度。

上述的CCOS剪切增稠抛光方法，优选地，所述第一剪切增稠抛光液包括如下组分：质量分数为0.1～10％的剪切增稠剂、质量分数为40～70％的二氧化硅或三氧化二铝磨粒、质量分数为1％以下的分散剂和余量的去离子水。

上述的CCOS剪切增稠抛光方法，优选地，所述第二剪切增稠抛光液包括如下组分：质量分数为10～50％的剪切增稠剂、质量分数为20～50％的二氧化硅或三氧化二铝磨粒、质量分数为1％以下的分散剂和余量的去离子水。

上述的CCOS剪切增稠抛光方法，优选地，所述抛光方法为浸没式抛光；所述采用抛光盘对工件进行加工的过程中，在抛光盘和工件之间会形成一层减摩降阻的抛光膜，可屏蔽抛光盘表面质量和平面度等外在因素对抛光的影响。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：

1、本发明具有对低、中、高精度的工件表面修形的能力，不需要辗转各种加工设备之间，避免了由于更换设备引起的各种误差；通过在CCOS抛光过程中增加剪切增稠剂，利用CCOS抛光盘不同圆弧上的速度不一样，从而获得在不同圆弧上不一样的增稠效果，实现对工件的抛光和修形，可在工件表面材料去除效率不降低的情况下极大地提升表面平整度和面形精度，该方法工艺简单、可控性强、成本较低，且使用的设备简单，容易搭建。

2、本发明的方法中，剪切增稠抛光液中剪切增稠剂浓度高时剪切增稠效果好，颗粒聚集效果较强，此时抛光盘仅能接触部分抛光颗粒进行加工，具有较小尺寸的去除函数，可得到小于抛光盘的去除函数，具有更强的修形能力，利用该原理根据工件加工不同的阶段的不同工件表面情况，采用适合组成的剪切增稠抛光液进行CCOS剪切增稠抛光，能够在保持加工效率基本不变的情况下，能够让面形得到更好的收敛，极大地降低工件表面的粗糙度。

3、本发明的方法弥补了CCOS加工严重依赖抛光盘性能和质量等外界因素的影响，避免了因抛光盘不平、压力分布不均匀等原因，加工后的工件表面很容易出现划痕、损伤等缺陷，导致粗糙度下降，面形不收敛等问题。

附图说明

图1为现有的CCOS抛光示意图。

图2为本发明CCOS剪切增稠抛光示意图。

图3为本发明中工件表面与抛光盘的抛光面的对应图。

图4为实施例中初始面形。

图5为实施例中采用低浓度的剪切增稠抛光液1进行CCOS剪切增稠抛光的去除函数。

图6为实施例中采用高浓度的剪切增稠抛光液2进行CCOS剪切增稠抛光的去除函数。

图7为实施例中剪切增稠加工后面形。

图8为无剪切增稠加工后面形。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

为了解决现有的CCOS的面形和粗糙度收敛速度太慢，且易受到抛光盘质量、材质、平面度等因素的影响，限制了工件的大规模生产和表面质量等问题，本发明经研究发现，将CCOS修形和剪切增稠抛光液结合，可利用CCOS抛光盘上同一圆弧上的速度一样，不同圆弧上的速度不一样，从而获得在不同圆弧上不一样的增稠效果，即不同圆弧上剪切增稠剂的聚集效果不同，使得在抛光盘和工件之间的抛光颗粒大小不一致，速度越大的地方，抛光颗粒越大，去除效率越高。通过利用上述原理来强化增稠效果，从而解决了现有的CCOS工艺存在的问题。进一步地，剪切增稠抛光液中剪切增稠剂浓度高时剪切增稠效果好，颗粒聚集效果较强，此时抛光盘仅能接触部分抛光颗粒进行加工，具有较小尺寸的去除函数，可得到小于抛光盘的去除函数，具有更强的修形能力，基于该原理进一步优化了对现有CCOS工艺问题的解决。

现有的CCOS抛光的表面质量依赖于抛光盘的材质和质量，易受外界因素的影响，其抛光示意图如图1所示。

本发明的CCOS剪切增稠的抛光方法提供了一种不受限于抛光盘的抛光方法，其抛光示意图如图2所示，工件的直径大于抛光盘的直径，为CCOS抛光方法和剪切增稠抛光方法的组合工艺，通过在CCOS工艺采用抛光盘对工件进行抛光过程中，引入剪切增稠抛光液进行增稠，利用抛光盘、抛光颗粒以及工件之间的三体摩擦磨损实现材料去除，来降低CCOS加工的粗糙度和提升面形精度。本方案中，由于CCOS抛光盘上同一半径的圆弧上个点的速度一样，不同半径圆弧上的点的速度不一样，因此在不同半径的圆弧上的增稠效果不一样。

该CCOS剪切增稠的抛光方法在抛光盘和工件之间存在一层剪切粘性膜，对抛光盘、抛光颗粒和工件之间的三体摩擦磨损具有减摩降阻作用。该CCOS剪切增稠的抛光方法中，由于不同位置的增稠效果不同，从而使得在抛光盘和工件之间的抛光颗粒大小不一致，速度越大的地方，抛光颗粒越大，去除效率越高。

本方案中，抛光盘的直径≥10mm。

本发明的CCOS剪切增稠抛光方法，根据工件形貌的不同采用合适的抛光盘，即抛光盘的表面应与工件待加工表面相适应(相匹配)，以使抛光盘与工件的待加工面贴合；即作为举例，如图3所示，当工件表面为平面结构时，采用平板抛光盘，当工件的待加工表面为内凹面时，则与工件待加工表面对应的抛光盘表面为凸面，以便于进行本发明的加工；优选地，所述抛光盘的抛光面的曲率与工件的待加工表面曲率相同，这样一方面能避免蹭到工件表面，另一方面，能避免加工不均匀的问题。

优选地，通过在抛光过程中采用两种以上含不同浓度剪切增稠剂的剪切增稠抛光液来进行剪切增稠，当压力一定时，剪切增稠抛光液中剪切增稠剂浓度低时剪切增稠效果较低，颗粒聚集效果较弱，此时抛光盘能接触所有抛光颗粒进行加工，具有较高的效率，但表面粗糙度在剪切润滑膜的作用下得到极大的降低。本方案中，优选地，所述引入两种以上含不同浓度剪切增稠剂的剪切增稠抛光液为：按照加工的先后顺序，引入的剪切增稠抛光液的剪切增稠剂浓度依次提高，当采用第N剪切增稠抛光液进行CCOS迭代加工至工件面形不再收敛时，更换含剪切增稠剂浓度更高的第N+1剪切增稠抛光液继续进行CCOS迭代加工，直至满足面形需求，其中N≥1。剪切增稠抛光液中剪切增稠剂浓度高时剪切增稠效果好，颗粒聚集效果较强，此时抛光盘仅能接触部分抛光颗粒进行加工，具有较小尺寸的去除函数，可得到小于抛光盘的去除函数，具有更强的修形能力。

经发明人研究，提供了一种新的剪切增稠抛光液，不仅组成简单，容易配制，而且采用该剪切增稠液进行CCOS剪切增稠抛光，相比于现有的剪切增稠抛光液，能够提高去除效果的稳定性和去除效率。

优选地，所述剪切增稠抛光液包括剪切增稠剂、磨粒、分散剂和去离子水，所述剪切增稠剂的质量分数为0.5～50％，磨粒的质量分数为20％～70％，分散剂的质量分数为1％以下，其余为去离子水。

本方案中，优选地，所述剪切增稠剂的组成包括黄原胶和去离子水，其中黄原胶的质量分数为0.1～1％，采用该组成的剪切增稠剂去除效率更稳定，去除效率更高，且增稠液配制简单。

本方案中，优选地，所述分散剂为HPMA或者聚羧酸盐，采用该组成的分散剂能够让抛光液更加稳定，且不易沉降；

所述磨粒为二氧化硅或三氧化二铝磨粒。

本方案中，该方法具体包括如下步骤：

S1、对工件表面面形误差进行测量；

S2、使用两种以上的含剪切增稠剂浓度不同的剪切增稠抛光液进行CCOS抛光，获得与各剪切增稠抛光液一一对应的各去除函数；

S3、按照加工的先后顺序，引入的剪切增稠抛光液的剪切增稠剂浓度依次提高，当采用第N剪切增稠抛光液及对应的去除函数进行CCOS迭代加工，待加工至工件面形收敛速度趋于0或为负时，更换含剪切增稠剂浓度更高的第N+1剪切增稠抛光液继续进行CCOS迭代加工，直至满足面形需求，其中N≥1。

优选地，该方法包括如下步骤：

S1、对工件表面面形误差进行测量，获得其表面各点面形数据；

S2、使用两种不同比例的剪切增稠抛光液进行去除函数试验，获得相对应的去除函数；

S3、初始抛光阶段采用第一剪切增稠抛光液，进行CCOS迭代加工，来快速去除工件表面材料，降低表面粗糙度；

S4、待面形收敛速度趋近于0或为负时，使用第二剪切增稠抛光液，获得小尺寸去除函数，继续进行CCOS修形迭代加工，直到工件表面质量满足所需要求，所述第二剪切增稠抛光液中含有的剪切增稠剂的浓度大于第一剪切增稠抛光液中的浓度。

当压力一定时，剪切增稠抛光液中剪切增稠剂浓度低时剪切增稠效果较低，颗粒聚集效果较弱，此时抛光盘能接触所有抛光颗粒进行加工，具有较高的去除效率，但表面粗糙度在剪切润滑膜的作用下得到极大的降低；当压力一定时，剪切增稠抛光液中剪切增稠剂浓度高时剪切增稠效果好，颗粒聚集效果较强，此时抛光盘仅能接触部分抛光颗粒进行加工，具有较小尺寸的去除函数，可得到小于抛光盘的去除函数，具有更强的修形能力。

本方案中，通过配制合适的剪切增稠抛光液，可获得单峰的高斯形小尺寸去除函数，具有更好的确定性修形能力，小尺寸的去除函数能抛更小的地方，甚至于点对点的去除。

优选地，所述第一剪切增稠抛光液的包括如下组分：质量分数为0.1～10％的剪切增稠剂、质量分数为40～70％的二氧化硅或三氧化二铝磨粒、质量分数为1％以下的分散剂和余量的去离子水。

优选地，所述第二剪切增稠抛光液包括如下组分：质量分数为10～50％的剪切增稠剂、质量分数为20～50％的二氧化硅或三氧化二铝磨粒、质量分数为1％以下的分散剂和余量的的去离子水。

优选地，所述抛光方法为浸没式抛光，即抛光液的表面高度应超过抛光盘。

所述抛光方法在进行抛光时，在抛光盘和工件之间会形成一层减摩降阻的抛光膜，可屏蔽抛光盘表面质量和平面度等外在因素对抛光的影响。

实施例1

本实施例中，CCOS剪切增稠的抛光方法将剪切增稠剂的增稠和润滑特性统一应用于CCOS加工。

本实施例基于剪切增稠抛光的修形装置确定性去除的数学模型是Preston方程，即：

R(x,y)＝kP(x,y,t)V(x,y,t)

上式中，(x，y)是工件上的某点的坐标，R(x,y)表示去除效率，k表示与被加工材料、工艺参数等有关的系数，P(x,y,t)表示t时刻抛光盘施加在工件表面上某个点的压力，即工件表面的压力分布函数，V(x,y,t)表示该点在t时刻与抛光盘的相对运动速度。

具体步骤如下：

1、配制适宜的剪切增稠剂，实现在常用的加工速率下出现剪切增稠现象，本实施例中剪切增稠剂由质量分数为0.3％的黄原胶和余量的去离子水组成，然后将配制不同比例的剪切增稠抛光液，其中低浓度的剪切增稠抛光液1的组成为(按质量分数)：5％增稠剂、二氧化硅或者三氧化二铝抛光颗粒40％、分散剂(聚羧酸盐)1％，余量为去离子水；高浓度的剪切增稠抛光液2的组成为(按质量分数)：20％增稠剂、二氧化硅或者三氧化二铝抛光颗粒40％、分散剂(聚羧酸盐)1％，余量为去离子水；

2、利用光学干涉仪对工件表面面形误差进行测量，获得其表面各点面形数据。其初始形貌的面形数据数据如图3所示。

3、使用不同比例的剪切增稠抛光液进行去除函数试验，即使用剪切增稠抛光液1和剪切增稠抛光液2进行去除函数试验，获得相对应的抛光去除函数1和2，如图4和5所示。

4、初始阶段选择低浓度的剪切增稠抛光液1和对应的抛光去除函数1，根据工件面形进行CCOS迭代加工，可快速去除工件表面材料，降低表面粗糙度。

5、当大尺寸去除函数很难继续修形时，即面形收敛速度较低时(即加工时面形基本没有变化甚至出现发散时)，使用高浓度的剪切增稠抛光液2，获得小尺寸去除函数，继续进行CCOS修形迭代加工，直到工件表面质量满足所需要求，其面形数据如图6所示。

采用常规的CCOS抛光方法抛光后，所得加工后工件的面形数据如图7所示。

经过相同时间的加工，普通CCOS抛光将初始面形从2.7λ降低到1.2λ，而剪切增稠的将初始面形从2.7λ降低到0.5λ，收敛速度得到了很大的提高。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种CCOS剪切增稠抛光方法，其特征在于，在CCOS抛光方法中，采用抛光盘对工件进行加工的过程中，引入剪切增稠抛光液进行增稠，来提升CCOS加工的平整度和面形精度。

2.如权利要求1所述的CCOS剪切增稠抛光方法，其特征在于，通过引入两种以上含剪切增稠剂浓度不同的剪切增稠抛光液进行增稠；

所述引入两种以上含剪切增稠剂浓度不同的剪切增稠抛光液为：按照加工的先后顺序，引入的剪切增稠抛光液含有的剪切增稠剂浓度依次提高，当采用第N剪切增稠抛光液进行CCOS迭代加工至工件面形收敛速度趋于0或为负时，更换含剪切增稠剂浓度更高的第N+1剪切增稠抛光液继续进行CCOS迭代加工，直至满足面形需求，其中N≥1。

3.如权利要求1或2所述的CCOS剪切增稠抛光方法，其特征在于，所述剪切增稠抛光液包括剪切增稠剂、磨粒、分散剂和去离子水，所述剪切增稠剂的质量分数为0.5～50％，磨粒的质量分数为20％～70％，分散剂的质量分数为1％以下，其余为去离子水。

4.如权利要求3所述的CCOS剪切增稠抛光方法，其特征在于，所述剪切增稠剂的组成包括黄原胶和去离子水，其中黄原胶的质量分数为0.1～1％；

所述分散剂为HPMA或者聚羧酸盐；

所述磨粒为二氧化硅或三氧化二铝磨粒。

5.如权利要求1或2所述的CCOS剪切增稠抛光方法，其特征在于，所述抛光盘的直径≥10mm。

6.如权利要求1或2所述的CCOS剪切增稠抛光方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、对工件表面面形误差进行测量；

S2、使用两种以上含剪切增稠剂浓度不同的剪切增稠抛光液进行CCOS抛光，获得与各剪切增稠抛光液一一对应的各去除函数；

S3、按照加工的先后顺序，引入的剪切增稠抛光液含有的剪切增稠剂浓度依次提高，当采用第N剪切增稠抛光液及对应的去除函数进行CCOS迭代加工，待加工至工件面形收敛速度趋于0或为负时，更换含剪切增稠剂浓度更高的第N+1剪切增稠抛光液继续进行CCOS迭代加工，直至满足面形需求，其中N≥1。

7.如权利要求1或2所述的CCOS剪切增稠抛光方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、对工件表面面形误差进行测量；

S2、使用两种含剪切增稠剂浓度不同的剪切增稠抛光液进行CCOS抛光，获得对应的两个去除函数；

S3、初始阶段采用第一剪切增稠抛光液和对应的去除函数进行CCOS迭代加工；

S4、待面形收敛速度趋近于0或为负时，使用第二剪切增稠抛光液和对应的去除函数，继续进行CCOS迭代加工，直到工件表面质量满足所需要求，所述第二剪切增稠抛光液中含有的剪切增稠剂的浓度大于第一剪切增稠抛光液中的浓度。

8.如权利要求7所述的CCOS剪切增稠抛光方法，其特征在于，所述第一剪切增稠抛光液包括如下组分：质量分数为0.1～10％的剪切增稠剂、质量分数为40～70％的二氧化硅或三氧化二铝磨粒、质量分数为1％以下的分散剂和余量的去离子水。

9.如权利要求7所述的CCOS剪切增稠抛光方法，其特征在于，所述第二剪切增稠抛光液包括如下组分：质量分数为10～50％的剪切增稠剂、质量分数为20～50％的二氧化硅或三氧化二铝磨粒、质量分数为1％以下的分散剂和余量的去离子水。

10.如权利要求1或2所述的CCOS剪切增稠抛光方法，其特征在于，所述抛光方法为浸没式抛光；

所述采用抛光盘对工件进行加工的过程中，在抛光盘和工件之间会形成一层减摩降阻的抛光膜。

Images