CN114473718B - 一种光学透镜非接触抛光方法及装置 - Google Patents

一种光学透镜非接触抛光方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光学透镜非接触抛光方法及装置，属于超精密加工领域。通过一种特制磨具实现抛光液的内部供给并设置磨具和透镜相距指定的间隙。随着磨具的旋转带动具有剪切增稠效应的抛光液转动，磨具与透镜产生相对运动从而导致其间的抛光液发生剪切增稠效应。由于工件表面抛光液的黏度随着磨具的旋转发生急剧变化，其粘度随着剪切速率的增加而增大并表现出固体特性，其与工件表面接触位置会形成一个“柔弹性磨具”从而有效带动磨粒，增加磨粒对工件表面的微切削作用，实现工件表面微观凸峰的去除。该方法利用非牛顿流体的剪切增稠效应，可以实现对透镜表面的全口径非接触抛光，无表面损伤，抛光效率高。

Description

一种光学透镜非接触抛光方法及装置
技术领域
本发明属于精密/超精密加工领域，涉及一种光学透镜非接触抛光方法及装置。
背景技术
透镜是由透明物质(如玻璃、水晶等)制成的一种光学元件，通过影响光的波前曲率，能将光线聚合或分散的器件。广泛应用于安防、车戴、数码相机、激光、光学仪器等各个领域。由包括熔石英，氟化钙，氟化镁，硅，锗，硒化锌等材料制成的各种波段的平凸透镜，双凸透镜，平凹透镜，双凹透镜。同时对于尺寸小、集成度高的微阵列透镜，面形、尺寸和表面质量决定了其最终应用性能，通常要求其表面质量达到纳米级，面形精度达微米级。对于特殊性能要求的元件甚至要求达到纳米级粗糙度和亚微米面形精度且无表面划痕、麻点破边等缺陷。为了满足质量要求，准球心抛光被广泛用于光学透镜的加工。传统的接触式抛光被广泛用于非球面的抛光，但会在抛光表面引入抛光痕迹和磨粒嵌入，同时传统透镜准球心抛光过程中抛光液难以均匀分布在磨具表面，尤其难以进入透镜中心位置，造成中心位置供液不充分，影响其表面质量和面形精度，因此中心供液悬浮抛光和非接触抛光-剪切增稠抛光可以一定程度上解决曲面光学元件的表面光整加工中。
中国专利CN201280058226.6公开了一种光学透镜的抛光设备，该设备基于准球心抛光原理，通过特定定位装置和轴线旋转装置以使得透镜可以在相应球面移动，实现透镜球面均匀抛光。但抛光方式属于接触式抛光，抛光后表面易出现划痕和麻点等缺陷。中国专利 CN202010438339.5公开了一种中心供液行星抛光装置，该装置通过设置公转单元和自转单元完成抛光头的平面行星运动，中心供液装置向抛光头中供给抛光液完成平面元件的子口径抛光。该抛光装置复杂且只适用于平面工件表面处理，并不适用于透镜表面加工。中国专利 202010492399.5公开了一种适用于剪切增稠抛光的抛光头及抛光方法。该发明可以实现剪切增稠的定点局部加工并且实现压力可控。但是装置搭建困难，面形控制能力差，批量加工难以实现。中国专利CN202011504672.8公开了一种CCOS剪切增稠抛光方法。该方法具有对低、中、高精度的工件表面修形能力。但是该方法不适用透镜曲面加工，并且抛光工具实现轨迹移动困难。
目前，光学透镜抛光方法中，使用接触式抛光方法抛光球面，柱面等简单的曲面时，表面易出现划痕、麻点等问题，且透镜面形不易控制。非接触式抛光方法抛光光学透镜时，存在加工效率低、不易流水线生产等问题。目前对于透镜非接触抛光没有高效可行的抛光方案，因此，亟待提出一种可实现透镜表面非接触抛光方法及装置。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明提出了一种高效率、高精度、无损伤的光学透镜非接触抛光方法及装置。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种光学透镜非接触抛光装置，所述的抛光装置包括供液接头1、变径接头2、抛光液槽3、下磨具4、透镜5、万向接头连杆6、万向接头7、透镜夹具8、密封O型圈9、磨具供液盘10、软管11、泵12、快插接头13。
所述抛光液槽3中部设有用于穿过磨具供液盘10垂直部分的通孔，一侧底部设有用于与软管11连通的通孔，抛光液槽3用于收集剪切增稠液体。
所述的变径接头2用于连接底部供液接头1和顶部磨具供液盘10，变径接头2外圈与带轮过盈配合，通过带轮带动磨具供液盘旋转。
所述的供液接头1底部进液口与快插接头13连接，上端出液口与变径接头2下半部分连接，供液接头1主要功能是完成在磨具供液盘10旋转的过程中对下磨具4进行中心位置供给抛光液的作用。所述的快插接头13通过软管与泵12连通，同时泵12还通过软管11与抛光液槽3底部通孔连通。
所述的磨具供液盘10与电机连接，磨具供液盘10为T型结构，包括水平和垂直部分，其上方水平部分为凹槽结构，其内用于放置下磨具4，垂直部分中部设有用于通过抛光液的通孔。
所述的下磨具4中间部分开有多个通孔用于供给剪切增稠抛光液体，下磨具4固定于磨具供液盘10上，且磨具供液盘10上同心设置有密封O型圈9，用于下磨具4和磨具供液盘10之间密封。
所述的透镜夹具8置于下磨具4上方，其顶部与万向连接杆6之间通过万向接头7连接，底部弧形内表面设有透镜5，透镜夹具8内表面轮廓与透镜5相接触表面匹配，通过透镜夹具8带动透镜5运动；所述透镜夹具8边缘位置设置台阶用于约束夹持透镜5，设置台阶用于约束透镜5边缘。所述透镜5下表面通过下磨具4上表面加工。
所述透镜5由透镜夹具8固定约束，同时完成相对于下磨具4的往复摆动，且在运动过程中始终与下磨具4保持一定间隙，利用剪切增稠液体相对运动实现材料去除。剪切增稠液体必须通过磨具中心位置供给，能够使抛光液均匀覆盖磨具表面，使透镜表面材料经剪切增稠液体非接触式均匀去除。
所述剪切增稠液体通过抛光液槽3收集后，由软管11经由抛光液泵12输送至供液接头 1，再经供液接头1通过变径接头2输送至下磨具4。
进一步的，所述的下磨具4中心位置开孔数量为3-6个、口径为3-5mm。
进一步地，为了适应不同类型透镜及微阵列透镜，下磨具4表面可以设置为不同曲率半径凸面和凹面。相同的，透镜夹具需要设计不同曲率半径的凹面和凸面以吻合待加工透镜5 表面。为了实验更好的抛光效果，增加接触区域抛光液的黏度，会使抛光液更好的呈现固体特性，增强了对磨粒的把持力，同时增大动压效应，增大了抛光液的动压力，从而加大了磨粒对于工件的接触压力，实现光学透镜高效高精度抛光。
一种基于上述光学透镜非接触抛光装置实现的光学透镜非接触抛光方法，包括以下步骤：
第一步：将透镜5通过透镜夹具8固定，根据透镜5口径及下磨具尺寸设定好往复运动轨迹。针对不同口径范围(100-200mm)设定往复摆动行程(30-75mm)。
第二步：开启电机使磨具供液盘10旋转，磨具供液盘10带动下磨具4旋转，抛光过程应调整透镜5与下磨具4间隙为0.1-0.3mm，抛光液流量为500-750ml/min，防止出现抛光液流动不稳定。
第三步：开启泵12供给剪切增稠液体，剪切增稠液体通过软管经由供液接头1、变径接头2、磨具供液盘10的垂直部分至下磨具4，同时使透镜夹具8往复运动，带动透镜5吻合磨具表面往复运动。
第四步：由下磨具4旋转带动剪切增稠抛光液形成一定剪切速率(1-4m/s)，为了使得透镜5表面与发生剪切增稠的抛光液体形成相对运动，下磨具4口径一般为光学透镜口径1.5-2倍，转速一般设置为500-2000rpm，完成高效无损伤透镜曲面抛光。
进一步的，所述用于剪切增稠的抛光液，包括去离子水、多羟基聚合物粒子、磨粒、所述多羟基聚合物粒子，比例为25～35wt％；所述磨粒选用氧化铝、碳化硅、金刚石、氧化铈、氧化锆中的一种或多种组合，粒径0.5～10μm,比例15～25wt％，其余为去离子水。
本发明的工作原理及具体过程如下：磨具供液盘10带动下磨具4进行旋转，因抛光透镜5表面过程中无法从下磨具4边缘均匀供给剪切增稠抛光液，针对这种情况，通过下磨具中心位置供给剪切增稠抛光液，随着下磨具4的旋转带动具有剪切增稠效应的抛光液转动，将抛光液均匀输送至下磨具4表面，并保证产生的剪切速率可以使抛光液发生剪切增稠效应。由于中心位置至边缘的的剪切速率不断增大，通过控制下磨具4中心位置开孔数量3-6个、口径3-5mm及剪切增稠抛光液流量500-750ml/min，使更多抛光液状态进入剪切增稠的剪切速率范围内。如图2所示，下磨具4带动具有剪切增稠效应的抛光液转动，当抛光液与透镜 5发生相对运动速度达到临界点时，抛光液与透镜5接触部分受到剪切作用发生剪切增稠现象(与工件相接触的区域表现为粘度增大)。抛光液的黏度急剧随着剪切速度发生变化，该剪切增稠抛光液粘度随着剪切速度的增加，使抛光液表现出固体特性，磨粒会牢固得把持在抛光液表面，在与工件表面接触位置形成一个“柔弹性磨具”，从而带动磨粒，增加磨粒对工件表面微切削作用，实现工件表面微观凸峰的去除。此外，剪切增稠抛光液具有流动性，使形成的“柔弹性磨具”与各类工件面形都具有良好接触状态。下磨具4表面中的动压效应区形成动压效应，增大了抛光液的动压力，从而加大了磨粒对于透镜5表面的接触压力，此外中心供液有利于增加下磨具4中心位置接触压力，进而增加下磨具4中间位置和边缘的去除均匀性，可以有次去除透镜5表面微观凸峰，提高了抛光效率。最终在剪切增稠效应成的剪切力和动压力的作用下，在非接触状态下实现材料的高效去除。
与现有技术相比较，本发明的有益效果体现在：
(1)本发明提出采用非接触的方法对光学透镜进行抛光，可实现对光学透镜及微阵列透镜的低损伤甚至无损伤抛光，可实现纳米甚至亚纳米粗糙度。
(2)基于透镜准球心抛光特点，通过增加中心供给剪切增稠抛光液，实现抛光液均匀分布在透镜曲面，进而达到非接触均匀抛光透镜曲面。
(3)使用非接触方式抛光光学透镜，相比接触式抛光可以更好的保持透镜及微阵列透镜面形，且可以很大程度上减轻抛光垫磨损程度。
附图说明
图1是光学透镜中心供给抛光液抛光装置图；
图2是抛光过程示意图；
图3是剪切增稠原理示意图；
图中：1供液接头；2变径接头；3抛光液槽；4下磨具；5透镜；6万向接头连杆；7 万向接头；8透镜夹具；9O型圈；10磨具供液盘；11软管；12泵；13快插接头。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
实施例：口径100mm正弯月形透镜抛光。
如附图1，附图2，附图3所示，本实施案例是口径100mm正弯月形透镜抛光方法及装置，本装置是依附于三轴联动平台，通过加装旋转电机，抛光液泵12，带有万向接头7的透镜夹具8，磨具供液盘8及旋转电机，供液接头1，抛光液槽3，使用变径接头2连接供液接头1和抛光供液盘9，使用该装置完成其抛光功能。
所述变径接头2用于连接供液接头和磨具供液盘10，变径接头2外圈与带轮过盈配合，通过带轮带动磨具供液盘旋转。
所述供液接头1底部进液口与快插接头12连接，上端出液口与变径接头2下半部分连接，供液接头主要功能是完成在磨具供液盘10旋转的过程中对下磨具4进行中心位置供给抛光液的作用。
所述下磨具4中间部分开有多个通孔用于供给剪切增稠抛光液体，下磨具4固定于磨具供液盘10上，且磨具供液盘10上同心设置有密封O型圈9，用于下磨具4和磨具供液盘10之间密封。
所述透镜夹具8与万向连接杆6经万向接头7连接，透镜夹具内表面轮廓与透镜5表面相吻合，透镜夹具为带动透镜运动，设置台阶用于约束透镜边缘。
所述透镜5由透镜夹具8固定约束，同时完成相对于下磨具的往复摆动，且在运动过程中始终与下磨具4保持一定间隙，利用剪切增稠液体相对运动实现材料去除。剪切增稠液体必须通过磨具中心位置供给，能够使抛光液均匀覆盖磨具表面，使透镜表面材料经剪切增稠液体非接触式均匀去除。
所述抛光液槽3用于收集剪切增稠液体，该液体通过抛光液泵12将抛光液经供液接头1 输送至下磨具4。
所述的下磨具4中心位置开孔数量为5个、口径为5mm。
所述一种光学透镜非接触抛光方法，包括以下步骤：
第一步：将透镜5通过透镜夹具8固定，根据透镜5口径及下磨具尺寸设定好往复运动轨迹。透镜口径为100mm，针对透镜口径设定往复摆动行程为30mm。
第二步：开启电机使磨具供液盘10旋转，抛光过程调整透镜5与下磨具4间隙为0.1mm，抛光液流量为500ml/min，防止出现抛光液流动不稳定。
第三步：开启泵12供给剪切增稠液体至下磨具4，同时使透镜夹具8往复运动，带动透镜5吻合磨具表面往复运动。
第四步：由下磨具4旋转带动剪切增稠抛光液形成的剪切速率约为2m/s，为了使得透镜5表面与发生剪切增稠的抛光液体形成相对运动，下磨具4口径设置为透镜口径的1.5倍，转速设置为1500rpm，完成高效无损伤透镜曲面抛光。
进一步的，所述用于剪切增稠的抛光液，包括去离子水、多羟基聚合物粒子、磨粒、所述多羟基聚合物粒子的比例为25wt％；所述磨粒为氧化铈，粒径为100nm，比例为10wt％，其余为去离子水。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (6)

1.一种光学透镜非接触抛光装置，其特征在于，所述的抛光装置包括供液接头(1)、变径接头(2)、抛光液槽(3)、下磨具(4)、透镜(5)、万向接头连杆(6)、万向接头(7)、透镜夹具(8)、密封O型圈(9)、磨具供液盘(10)、软管(11)、泵(12)、快插接头(13)；
所述抛光液槽(3)中部设有用于穿过磨具供液盘(10)垂直部分的通孔，一侧底部设有用于与软管(11)连通的通孔，抛光液槽(3)用于收集剪切增稠液体；
所述的变径接头(2)用于连接底部供液接头(1)和顶部磨具供液盘(10)，变径接头(2)外圈与带轮过盈配合，通过带轮带动磨具供液盘旋转；
所述的供液接头(1)底部进液口与快插接头(13)连接，上端出液口与变径接头(2)下半部分连接，供液接头(1)主要功能是完成在磨具供液盘(10)旋转的过程中对下磨具(4)进行中心位置供给抛光液的作用；所述的快插接头(13)通过软管与泵(12)连通，同时泵(12)还通过软管(11)与抛光液槽(3)底部通孔连通；
所述的磨具供液盘(10)与电机连接，磨具供液盘(10)为T型结构，包括水平和垂直部分，其上方水平部分为凹槽结构，其内用于放置下磨具(4)，垂直部分中部设有用于通过抛光液的通孔；
所述的下磨具(4)中间部分开有多个通孔用于供给剪切增稠抛光液体，下磨具(4)固定于磨具供液盘(10)上，且磨具供液盘(10)上同心设置有密封O型圈(9)，用于下磨具(4)和磨具供液盘(10)之间密封；
所述的透镜夹具(8)置于下磨具(4)上方，其顶部与万向连接杆6之间通过万向接头(7)连接，底部弧形内表面设有透镜(5)，透镜夹具(8)内表面轮廓与透镜(5)相接触表面匹配，通过透镜夹具(8)带动透镜(5)运动；所述透镜夹具(8)边缘位置设置台阶用于约束夹持透镜(5)，设置台阶用于约束透镜(5)边缘；所述透镜(5)下表面通过下磨具(4)上表面加工；
所述透镜(5)由透镜夹具(8)固定约束，同时完成相对于下磨具(4)的往复摆动，且在运动过程中始终与下磨具(4)保持一定间隙，利用剪切增稠液体相对运动实现材料去除；剪切增稠液体必须通过磨具中心位置供给，能够使抛光液均匀覆盖磨具表面，使透镜表面材料经剪切增稠液体非接触式均匀去除；
所述剪切增稠液体通过抛光液槽(3)收集后，由软管(11)经由抛光液泵(12)输送至供液接头(1)，再经供液接头(1)通过变径接头(2)输送至下磨具(4)。
2.根据权利要求1所述的一种光学透镜非接触抛光装置，其特征在于，所述的下磨具(4)中心位置开孔数量为3-6个、口径为3-5mm。
3.根据权利要求1所述的一种光学透镜非接触抛光装置，其特征在于，为了适应不同类型透镜及微阵列透镜，下磨具(4)表面可以设置为不同曲率半径凸面和凹面；相同的，透镜夹具需要设计不同曲率半径的凹面和凸面以吻合待加工透镜(5)表面。
4.一种基于权利要求1-3任一所述的光学透镜非接触抛光装置实现的光学透镜非接触抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：将透镜(5)通过透镜夹具(8)固定，根据透镜(5)口径及下磨具尺寸设定好往复运动轨迹；针对不同口径范围设定往复摆动行程；
第二步：开启电机使磨具供液盘(10)旋转，磨具供液盘(10)带动下磨具(4)旋转，抛光过程应调整透镜(5)与下磨具(4)间隙为0.1-0.3mm，抛光液流量为500-750ml/min，防止出现抛光液流动不稳定；
第三步：开启泵(12)供给剪切增稠液体，剪切增稠液体通过软管经由供液接头(1)、变径接头(2)、磨具供液盘(10)的垂直部分至下磨具(4)，同时使透镜夹具(8)往复运动，带动透镜(5)吻合磨具表面往复运动；
第四步：由下磨具(4)旋转带动剪切增稠抛光液形成一定剪切速率，为了使透镜(5)表面与发生剪切增稠的抛光液体形成相对运动，下磨具(4)口径一般为光学透镜口径1.5-2倍，转速一般设置为500-2000rpm，完成高效无损伤透镜曲面抛光。
5.根据权利要求4所述的一种光学透镜非接触抛光装置实现的光学透镜非接触抛光方法，其特征在于，所述第一步中，所述不同口径范围为100-200mm，设定的往复摆动行程为30-75mm。
6.根据权利要求4所述的一种光学透镜非接触抛光装置实现的光学透镜非接触抛光方法，其特征在于，所述第四步中，剪切速率为1-4m/s。
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