CN113245956B - 一种具备公自转的主动射流抛光方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具备公自转的主动射流抛光方法，包括以下步骤：在抛光过程中，恒定压力的抛光液通过抛光工具头的偏心喷嘴，偏心喷嘴内抛光销在恒定压力流动的抛光液作用下，抛光液通过抛光销使其旋转起来实现自转；同时抛光工具头旋转带动偏心喷嘴内抛光销实现公转；抛光销的公转与自转，以及抛光液对抛光销轴向的压力共同作用下，实现对与抛光销接触的元件的材料去除。本发明的主动射流抛光方法需要抛光销不仅绕工具回转轴公转运动，同时绕其自身回转轴自转，实现了抛光接触区中心去除量大、边缘平缓过度的更理想的去除函数形状、同时对其公转速度要求不高的目的。

Description

一种具备公自转的主动射流抛光方法
技术领域
本发明属于抛光技术领域，具体涉及一种具备公自转的主动射流抛光方法。
背景技术
主动射流抛光[Active Fluid Jet Polishing Process(A-FJP)]技术由德国OPTOTECH公司最先提出，并应用在该公司生产的MCP系列抛光机上，其属于小工具CCOS技术，适用范围广，可抛光平面，球面，非球面等不同形状光学元件(High-Speed Fabrication ofAspheres and Optical Free-Form Surfaces)。具有较高材料去除效率，抛光经济性，去除函数具备回转对称的特点。技术核心是：
1、抛光工具头内管道通过可控压力的液体，将放在抛光工具头前端喷嘴圆柱腔内的一个前端具有抛光基质(包括但不限于聚氨酯，抛光布等)的圆柱销(其材料包括但不限于橡胶，毛毡等。)压在被加工的玻璃表面上。
2、圆柱销与抛光喷嘴的间隙流出的液体同时起到抛光工艺中抛光液的作用。
3、抛光工具旋转，与回转轴有一定偏心量的喷嘴圆柱带动其内部的圆柱销绕旋转轴公转，产生相对速度。
以上三点功能描述具备抛光中材料去除的必备要求。
有学者通过建立了运动学和压力分布的数学模型，讨论了压力，圆柱销尺寸和工具速度对材料去除率和表面不规则性的影响，认为该工艺可以实现较高精度面形修正并改善中高频误差(Analysis of the Material Removal Rate and Smoothing Effect ofActive Fluid Jet Polishing)。Roland Maure等通过实验分析喷嘴的旋转速度，进给速度，喷嘴内圆柱销材料方面的影响。认为较硬的圆柱销材料具有稳定的去除函数，喷嘴转速达1500r/min抛光结果更为稳定，同时过高的进给速度也会导致抛光结果的不稳定(Determination of a suitable parameter field for the active fluid jetpolishing process)。Manuela.Falte提出了将圆柱销端面增加贯通孔的改进方法，得出改进后的圆柱销对光学元件抛光后的表面粗糙度优于改进前的圆柱销(Roughnessimprovement in Active Fluid Jet Polis hing(A-FJP)by optimization of thepolishing pin)。
但是上述主动射流抛光技术的圆柱销仅绕工具回转轴做公转运动，存在的缺陷是：
1、抛光去除函数不理想(不是近似高斯函数形状)，其抛光接触区域中心去除量少。
2、如要保证较高去除效率，则工具转速要求较高。
发明内容
本发明要解决现有技术中的技术问题，提供一种具备公自转的主动射流抛光方法。本发明的主动射流抛光方法需要抛光销不仅绕工具回转轴公转运动，同时绕其自身回转轴自转，实现了抛光接触区中心去除量大、边缘平缓过度的更理想的去除函数形状、同时对其公转速度要求不高的目的。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
本发明提供一种具备公自转的主动射流抛光方法，包括以下步骤：
在抛光过程中，恒定压力的抛光液通过抛光工具头的偏心喷嘴，偏心喷嘴内抛光销在恒定压力流动的抛光液作用下，抛光液通过抛光销使其旋转起来实现自转；同时抛光工具头旋转带动偏心喷嘴内抛光销实现公转；抛光销的公转与自转，以及抛光液对抛光销轴向的压力共同作用下，实现对与抛光销接触的元件的材料去除。
在上述技术方案中，所述具备公自转的主动射流抛光方法的一种具体实施方式为：
步骤1、首先设计抛光销形状，使其能够在恒定压力流动的抛光液作用下，实现自转；
步骤2、在抛光过程中，抛光液循环系统将一定压力的抛光液输入到抛光工具头的输入端，经抛光工具内管道将抛光液作用在抛光销上；
步骤3、一部分抛光液经由抛光销与抛光工具偏心喷嘴内壁的缝隙中流出，在二者之间形成水膜，起到一定的润滑作用；
步骤4、另一部分抛光液经由抛光销的水道流出，使得抛光销产生自转旋转；
步骤5、同时抛光工具头与抛光设备主轴相连，主轴旋转带动抛光工具头旋转，进而带动抛光销绕主轴公转；
步骤6、同时抛光液使得抛光销受到轴向的压力，使得抛光销紧压在光学元件表面；
步骤7、抛光销在抛光液轴向压力、自转和公转、以及抛光液的影响因素下产生对光学元件的材料去除。
在上述技术方案中，所述抛光销包括：
支撑柱，所述支撑柱底部设置有圆柱体，外围设置有多个叶片，所述叶片外套有薄壁圆柱管。
在上述技术方案中，所述圆柱体的下端粘贴有聚氨酯抛光膜。
在上述技术方案中，所述偏心喷嘴与光学元件间保留一定的缝隙，确保抛光液能够流出。
在上述技术方案中，所述抛光销旋转转速可由流体力学计算获得。
本发明的有益效果是：
本发明的主动射流抛光方法的抛光销需要不仅绕工具回转轴公转运动，同时绕其自身回转轴自转，实现了抛光接触区中心去除量大、边缘平缓过度的更理想的去除函数形状、同时对其公转速度要求不高的目的。
本发明优选设计的具有叶片结构的抛光销实现了压力液体驱动抛光销旋转的功能，利用抛光工具头内管道通过的可控压力液体驱动其旋转，实现其自转，实现更优的材料去除函数。抛光销的自转，大大提高了材料的去除效率。抛光销自转的实现，在相同去除效率下，可降低对公转转速的要求。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的具备公自转的主动射流抛光方法的抛光过程示意图。
图2为本发明的公自转主动射流结构图。
图3为本发明的公自转主动射流结构中抛光销的结构示意图。
图4为本发明的公自转主动射流结构中抛光销的切面图。
图5为本发明的抛光方法的仿真结果并对其归一化处理后的结果图。
图6为本发明的抛光方法的验证实验1的实验结果图。
图7为本发明的抛光方法的验证实验2的实验结果图。
图中的附图标记表示为：
1-抛光工具头，2-抛光销，3-光学元件，4-抛光膜，5-抛光液，6-公转，7-自转；
21-圆柱体，22-叶片，23-支撑柱，24-薄壁圆柱管。
具体实施方式
本发明的目的是实现利用抛光工具头1内管道通过的可控压力抛光液5驱动抛光销2旋转，实现其自转7。在抛光过程中，恒定压力的抛光液5通过抛光工具头1的偏心喷嘴。偏心喷嘴内抛光销2在恒定压力流动的抛光液5作用下，抛光液5通过抛光销2上叶片22旋转起来，实现自转7。同时抛光工具头1旋转带动偏心喷嘴内抛光销2实现公转6。抛光销2的公转6与自转7，以及抛光液5对抛光销2轴向的压力共同作用下，实现对与抛光销2接触的光学元件3的材料去除，获得更优的材料去除函数，应用在抛光领域。
结合图1-5具体说明本发明的具备公自转的主动射流抛光方法的一种具体实施方式如下：
步骤1、首先设计抛光销2形状，该抛光销2包括支撑柱23，所述支撑柱23底部设置有圆柱体21、外围设置有15个叶片22；所述叶片22外套有薄壁圆柱管24；所述圆柱体21下方粘贴有聚氨酯抛光膜4。
步骤2、在抛光过程中，抛光液循环系统将一定压力的抛光液5输入到抛光工具头1的输入端，经抛光工具内管道将抛光液5作用在抛光销2上。
步骤3、一部分抛光液5经由抛光销2与抛光工具偏心喷嘴(偏心喷嘴与光学元件间保留一定的缝隙，确保液体能够流出)内壁的缝隙中流出，在二者之间形成水膜，起到一定的润滑作用。
步骤4、另一部分抛光液5经由抛光销2内叶片22水道流出，使得抛光销2产生自转7旋转(抛光销2旋转转速可由流体力学等知识计算)。
步骤5、同时抛光工具头1与抛光设备主轴相连，主轴旋转带动抛光工具头1旋转，进而带动抛光销2绕主轴公转7。
步骤6、同时抛光液5使得抛光销2受到轴向的压力，使得抛光销2紧压在光学元件3表面。
步骤7、抛光销2在抛光液5轴向压力、自转7和公转6、以及抛光液5等影响因素下产生对光学元件3的材料去除。
上述方法仿真结果通过实验证明该方法实用有效，具体如下：
一、去除函数(TIF，tool influence function)仿真，根据推导的数学模型公式(该公式可参见光学非球面镜可控柔体制造技术，李圣怡144-145)：
Figure BDA0003111982340000061
其中，Δz(r)——去除量；
K——比例常数，由除速度和压力以外的其他因素决定；
p——抛光压力；
ω1——公转转速；
f——转速比(自转/公转)；
e——偏心率；
r0——抛光销直径；
r∈[0,(1+e)r0]；
Figure BDA0003111982340000062
其中，r0＝6mm,ω1＝100rpm,f＝1/3,e＝1/3,K＝1,p＝2bar，计算仿真结果，并对其归一化处理后结果如图5，从仿真结果可以看出抛光接触区中心去除量大、边缘平缓且去除量小的材料去除形状。
二、验证实验1，实验元件是直径100mm，厚30mm的平面镜。实验参数如下表：
表l为主要实验参数
Figure BDA0003111982340000063
Figure BDA0003111982340000071
干涉仪测量材料去除量结果，如图6，可以看出，实验结果与理论仿真结果形状基本一致，既说明了去除函数理论模型的正确性，也验证了本发明的可行性。
三、验证实验2，实验元件同验证实验1，实验参数入下表：
表2为实验2主要参数
Figure BDA0003111982340000072
干涉仪测量结果，如图7，几乎相同的材料去除量，传统AFJP的停留时间是本发明提出的AFJP的4.5倍，证明本发明更高的材料去除率，优势明显。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。例如改换电磁驱动抛光销旋转实现自转，进而实现上述提出的公自转抛光工艺等。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种具备公自转的主动射流抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：
在抛光过程中，恒定压力的抛光液(5)通过抛光工具头(1)的偏心喷嘴，偏心喷嘴内抛光销(2)在恒定压力流动的抛光液(5)作用下，抛光液(5)通过抛光销(2)使其旋转起来实现自转(7)；同时抛光工具头(1)旋转带动偏心喷嘴内抛光销(2)实现公转(6)；抛光销(2)的公转(6)与自转(7)，以及抛光液(5)对抛光销(2)轴向的压力共同作用下，实现对与抛光销(2)接触的光学元件(3)的材料去除。
2.根据权利要求1所述的具备公自转的主动射流抛光方法，其特征在于，其一种具体实施方式为：
步骤1、首先设计抛光销(2)形状，使其能够在恒定压力流动的抛光液(5)作用下，实现自转(7)；
步骤2、在抛光过程中，抛光液循环系统将一定压力的抛光液(5)输入到抛光工具头(1)的输入端，经抛光工具内管道将抛光液(5)作用在抛光销(2)上；
步骤3、一部分抛光液(5)经由抛光销(2)与抛光工具偏心喷嘴内壁的缝隙中流出，在二者之间形成水膜，起到一定的润滑作用；
步骤4、另一部分抛光液(5)经由抛光销(2)的水道流出，使得抛光销(2)产生自转(7)旋转；
步骤5、同时抛光工具头(1)与抛光设备主轴相连，主轴旋转带动抛光工具头(1)旋转，进而带动抛光销(2)绕主轴公转(6)；
步骤6、同时抛光液(5)使得抛光销(2)受到轴向的压力，使得抛光销(2)紧压在光学元件(3)表面；
步骤7、抛光销(2)在抛光液(5)轴向压力、自转(7)和公转(6)、以及抛光液(5)的影响因素下产生对光学元件(3)的材料去除。
3.根据权利要求1或2所述的具备公自转的主动射流抛光方法，其特征在于，所述抛光销(2)包括：
支撑柱(23)，所述支撑柱(23)底部设置有圆柱体(21)，外围设置有多个叶片(22)，所述叶片(22)外套有薄壁圆柱管(24)。
4.根据权利要求3所述的具备公自转的主动射流抛光方法，其特征在于，所述圆柱体(21)的下端粘贴有聚氨酯抛光膜(4)。
5.根据权利要求1或2所述的具备公自转的主动射流抛光方法，其特征在于，所述偏心喷嘴与光学元件(3)间保留一定的缝隙，确保抛光液(5)能够流出。
6.根据权利要求1或2所述的具备公自转的主动射流抛光方法，其特征在于，所述抛光销(2)旋转转速可由流体力学计算获得。
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