CN113118918B - 一种基于热塑性材料的变形研抛磨盘 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于热塑性材料的变形研抛磨盘，通过在研抛磨盘结构中加入硬度随着温度升高而降低的柔性层，使研抛磨盘具备一定变形能力，在加工非球面光学元件过程中能够保证研抛磨盘的加工面与非球面光学元件的球面保持吻合，提高了材料去除的稳定性，因此可以增大研抛磨盘的变形基板直径尺寸，使得非球面光学加工过程中能够应用更大口径研抛盘，提高加工效率；同时，采用硬度随着温度升高而降低的热塑性材料制作柔性层，通过加热电加热片从而改变研抛磨盘的温度进而控制研抛磨盘的整体刚度，使研抛磨盘兼具面形误差去除和平滑作用，提高了研抛磨盘的适用范围，并且还具有结构较为简单，成本较低的优点。

Description

一种基于热塑性材料的变形研抛磨盘
技术领域
本发明属于光学器件加工技术领域，尤其涉及一种基于热塑性材料的变形研抛磨盘。
背景技术
用非球面可以有效提升光学系统成像质量，简化系统结构，因此在现代光学系统中，非球面光学元件得到了广泛的应用。与球面或平面光学元件相比，非球面光学元件表面各点曲率都不相同，大尺寸刚性研抛盘无法与变化的非球面表面曲率相适应，因此无法满足非球面光学元件加工需求。目前，主要的非球面光学元件加工方法是采用计算机控制小研抛盘的计算机表面成型技术。该方法通常使用尺寸远小于非球面光学元件尺寸的研抛盘进行加工。这种方法通过减小研抛盘尺寸提高其与非球面表面吻合度，但是由于减小了研抛盘尺寸，因此材料去除效率大幅降低。无法满足非球面光学元件高效率加工需求。
现有技术中，为解决大尺寸研抛盘与镜面吻合问题而提出的是应力盘加工技术，其中，应力盘基本原理如图1所示，该技术通过使用力驱动器调节应力盘面形以达到研抛盘表面与非球面表面吻合的目的。由于应力盘背部必须使用力驱动器或相近的结构进行变形控制，需要额外加入控制系统，因此结构较为复杂。而且由于应力盘背部需要安装变形控制系统，研抛盘必须大于一定尺寸，因此很难制作小尺寸研抛盘，对于面形误差尺度较小的面形误差控制能力也较差，不适于加工中小口径非球面光学元件。
美国亚利桑那大学提出了另一种解决方案为非牛顿体研抛盘。该技术是在研抛盘中加入一种非牛顿体材料。非牛顿体是指不满足牛顿黏性实验定律的流体，即其剪应力与剪切应变率之间不是线性关系的流体。非牛顿体研抛盘使用搞得非牛顿体特性为：在瞬时力作用下，该材料表现出刚性，不易变形。在长时间力作用下该材料表现出柔性，可在力的作用下缓慢变形。通过该作用，使非牛顿体研抛盘兼具刚性研抛盘与柔性研抛盘特性，使研抛盘在非球面表面研抛过程中产生变形，从而满足吻合需求。该方法的问题是在加工过程中变形特性完全由非牛顿体提供，该性质无法根据不同非球面曲率进行改变，无法主动调节刚度和柔性。而通常情况下，针对不同陡度的非球面表面，其对磨头柔性要求不同。对于高陡度，曲率变化较大非球面表面要求柔性较高，对于低陡度，曲率变化较小的飞球面表面，对刚性要求较高，因此，同一个非牛顿体研抛的通用性较差。另外，由于非牛顿体本身变形特性，在非球面边缘处非牛顿体研抛盘探出镜面时，其非牛顿体会使研抛盘表面变形，可能导致边缘处产生较大的材料去除，形成塌边。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于热塑性材料的变形研抛磨盘，具备一定变形能力，在加工非球面光学元件过程中能够保证研抛磨盘的加工面与非球面光学元件的球面保持吻合，提高了材料去除的稳定性，使得非球面光学加工过程中能够应用更大口径研抛磨盘，提高加工效率。
一种基于热塑性材料的变形研抛磨盘，包括两个以上的电加热片1、数控电源2以及均为圆盘结构且尺寸相同的刚性基底3、柔性层4、变形基板5；
所述电加热片1布置在刚性基底3上；同时，刚性基底3的下方依次铺设柔性层4与变形基板5，其中，柔性层4的硬度随着温度升高而降低，变形基板5的下表面用于粘接研抛磨材料层；
所述数控电源2用于为电加热片1供电。
进一步地，一种基于热塑性材料的变形研抛磨盘，还包括密封圈6；
所述密封圈6设置于刚性基底3、柔性层4以及变形基板5的外侧用于对三者的外沿进行密封。
进一步地，所述刚性基底3上表面中心处设置有带螺纹的凹槽，所述凹槽用于连接所述变形研抛磨盘与外部数控机床。
进一步地，所述刚性基底3的材质为金属。
进一步地，所述刚性基底3的材质为铝。
进一步地，所述柔性层4为热塑性材料。
进一步地，所述柔性层4为淀粉基塑料。
进一步地，所述变形基板5材质为铝。
进一步地，所述变形基板5材质为尼龙。
有益效果：
本发明提供一种基于热塑性材料的变形研抛磨盘，通过在研抛磨盘结构中加入硬度随着温度升高而降低的柔性层，使研抛磨盘具备一定变形能力，在加工非球面光学元件过程中能够保证研抛磨盘的加工面与非球面光学元件的球面保持吻合，提高了材料去除的稳定性，因此可以增大研抛磨盘的变形基板直径尺寸，使得非球面光学加工过程中能够应用更大口径研抛盘，提高加工效率；同时，采用硬度随着温度升高而降低的热塑性材料制作柔性层，通过加热电加热片从而改变研抛磨盘的温度进而控制研抛磨盘的整体刚度，使研抛磨盘兼具面形误差去除和平滑作用，提高了研抛磨盘的适用范围，并且还具有结构较为简单，成本较低的优点。
附图说明
图1为现有的应力盘的基本原理示意图；
图2为本发明提供的基于热塑性材料的变形研抛磨盘的剖面示意图；
图3为本发明提供的基于热塑性材料的变形研抛磨盘的圆盘结构的俯视图；
1-电加热片、2-数控电源、3-刚性基底、4-柔性层、5-变形基板、6-密封圈。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
参见图2，该图为本实施例提供的一种基于热塑性材料的变形研抛磨盘的剖面示意图。一种基于热塑性材料的变形研抛磨盘，包括两个以上的电加热片1、数控电源2、密封圈6以及尺寸相同且均为圆盘结构的刚性基底3、柔性层4、变形基板5；
所述电加热片1均匀布置在刚性基底3上，并对刚性基底3进行加热；同时，刚性基底3的下方依次铺设柔性层4与变形基板5，其中，柔性层4的硬度随着温度升高而降低，变形基板5的下表面用于粘接研抛磨材料层；所述刚性基底3上表面中心处设置有带螺纹的凹槽，所述凹槽用于连接所述变形研抛磨盘与外部数控机床。
所述数控电源2用于为电加热片1供电。可选的，所述数控电源2为机床主轴预留接口，主轴内部通过滑环结构保证变形研抛磨盘旋转过程中数控电源电线不会发生缠绕。
所述密封圈6设置于刚性基底3、柔性层4以及变形基板5的外侧用于对三者的外沿进行密封，从而包裹整个变形研抛磨盘，避免柔性材料的露出。
可选的，所述刚性基底3的材质为导热性良好的金属，如铝板。
变形基板5另一面粘接的研抛磨材料层可以为抛光革或者其他研抛磨材料。
可选的，所述柔性层4为热塑性材料，热塑性材料的材料性质是随温度升高材料硬度降低并具有一定变形能力，在温度降低后材料硬度恢复，优选淀粉基塑料，例如可以选用INPD3淀粉塑料，则柔性层4使研抛磨盘具备一定变形能力。
变形基板5要求其本身具备一定刚性，但是在压力作用下可以产生变形，具体材料选择、厚度由被加工非球面陡度以及研抛磨盘尺寸决定。变形基板5的材质优选铝或尼龙薄板，变形基板5的一面为平面，与柔性层4接触连接，另一面可以在压力作用下可以产生变形，变为与被加工非球面相接触的球面曲率一致的球面，与变形基板5粘接的研抛磨材料层也随之变为与被加工非球面相接触的球面曲率一致的球面，提高了材料加工去除的稳定性。
可选的，所述电加热片1的参数、数量及排列方式由所述柔性层4的材料性质及厚度、所述基于热塑性材料的变形研抛磨盘的变形基板5尺寸、被加工非球面的陡度决定。
可选的，所述电加热片1为PTC加热片，加热温度设置为80℃，额定电压为220V，功率为2-10W。
电加热片1可以通过机床预留导线与数控电源2相连，电加热片2的参数、数量及排列方式由柔性层4的材料性质及厚度、基于热塑性材料的变形研抛磨盘的变形基板5尺寸、被加工非球面的陡度决定，使得研抛磨盘能够均匀升温。如图2所述为本发明基于热塑性材料的变形研抛磨盘的结构的俯视图，在本实施例中，基于热塑性材料的变形研抛磨盘的变形基板5直径为300mm，柔性层4的材质为淀粉基塑料，该材料在温度达到50℃后开始变软，达到80℃时变为柔性材料，因此在本实施例中选择的是加热温度为80℃，额定电压220V，功率为2-10W的PTC加热片1，也就是说，只要为该PTC加热片通电，PTC加热器就能逐渐上升到80℃，如果需要其他加热温度，选用另一种规格的PTC加热片即可；如图3所示，PTC加热片1的数量为12个，沿径向由内向外均匀分布粘贴于刚性基底3的上方，使刚性基底3能均匀受热。
数控电源2控制电加热片1的加热，通过改变电加热片1的加热时间可以实现控制基于热塑性材料的变形研抛磨盘中刚性基底3的温度，柔性层4的温度分布从与刚性基底3的接触面至与变形基板5的接触面呈现梯度分布。因此，可以通过控制刚性基底3的温度可实现柔性层4刚度调节，从而使研抛磨盘变形，满足研抛磨盘与非球面光学元件的吻合性要求，使大口径研抛磨盘的使用变为可能，从而有效提高了加工效率。
变形研抛磨盘的工作原理为：
首先数控电源1的导线通过滑环安装在机床主轴上，给电加热片1供电；电加热片1升温，从而加热刚性基底3；通过热传递的作用，电加热片1的热量传导到柔性层4上，柔性层4的硬度随着温度升高而降低，使研抛磨盘具备一定变形能力，满足研抛磨盘与非球面光学元件的吻合性要求；变形基板5的一面为平面，与柔性层4接触连接，另一面可以在压力作用下可以产生变形，变为与被加工非球面相接触的球面曲率一致的球面，与变形基板5粘接的研抛磨材料层也随之变为与被加工非球面相接触的球面曲率一致的球面。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于热塑性材料的变形研抛磨盘，其特征在于，包括两个以上的电加热片(1)、数控电源(2)以及均为圆盘结构且尺寸相同的刚性基底(3)、柔性层(4)、变形基板(5)；
所述电加热片(1)布置在刚性基底(3)上；同时，刚性基底(3)的下方依次铺设柔性层(4)与变形基板(5)，其中，柔性层(4)的硬度随着温度升高而降低，变形基板(5)的下表面用于粘接研抛磨材料层；
所述数控电源(2)用于为电加热片(1)供电。
2.如权利要求1所述的一种基于热塑性材料的变形研抛磨盘，其特征在于，还包括密封圈(6)；
所述密封圈(6)设置于刚性基底(3)、柔性层(4)以及变形基板(5)的外侧用于对三者的外沿进行密封。
3.如权利要求1所述的一种基于热塑性材料的变形研抛磨盘，其特征在于，所述刚性基底(3)上表面中心处设置有带螺纹的凹槽，所述凹槽用于连接所述变形研抛磨盘与外部数控机床。
4.如权利要求1所述的一种基于热塑性材料的变形研抛磨盘，其特征在于，所述刚性基底(3)的材质为金属。
5.如权利要求4所述的一种基于热塑性材料的变形研抛磨盘，其特征在于，所述刚性基底(3)的材质为铝。
6.如权利要求1所述的一种基于热塑性材料的变形研抛磨盘，其特征在于，所述柔性层(4)为热塑性材料。
7.如权利要求1所述的一种基于热塑性材料的变形研抛磨盘，其特征在于，所述柔性层(4)为淀粉基塑料。
8.如权利要求1所述的一种基于热塑性材料的变形研抛磨盘，其特征在于，所述变形基板(5)材质为铝。
9.如权利要求1所述的一种基于热塑性材料的变形研抛磨盘，其特征在于，所述变形基板(5)材质为尼龙。
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