CN115302381A - 曲面光学微结构磁流变抛光装置及其应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种曲面光学微结构磁流变抛光装置及其应用方法，本发明装置包括支撑机构和设于支撑机构上方的磁流变抛光组件，支撑机构包括旋转台和设于旋转台上的工作台，工作台上设有用于固定曲面光学微结构工件的夹具，磁流变抛光组件包括运动调节机构、抛光轮以及磁流变抛光液循环系统，抛光轮安装在运动调节机构上，磁流变抛光液循环系统的磁流变抛光液喷射出口布置于抛光轮上侧以用于将磁流变抛光液喷射到抛光轮的圆周上，抛光轮为磁性以用于吸附磁流变抛光液中的磁性磨粒。本发明采用抛光轮以偏转角度以适应不同曲面基底的光学微结构抛光，具有抛光加工速度快、加工效率高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光学元件的微结构抛光技术，具体涉及一种曲面光学微结构磁流变抛光装置及其应用方法。
背景技术
微结构化功能表面以其优异的性能，在先进科学和工业领域得到广泛应用，但是其性能因制造方法表面质量受到限制。金刚石车削工艺的高加工精度已被证明适用于加工不连续的微结构和自由曲面等高级功能光学表面。但是直接车削获得的曲面光学微结构工件表面仍然存在刀痕和毛刺，削弱其光学性能，故还需对车削获得的曲面光学微结构工件进行光整加工。
现有技术中常采用超声波磁流变复合抛光的方法对硬脆材料的表面进行研磨加工，如公布号为CN205342683U、CN1613605A等中国专利文献，记载了在超声波发生装置的下部设置磁性研磨头，超声研磨装置产生高频振动，使得磨粒在超声振动和压力下不停冲击工件表面，同时利用超声振动产生空化现象强化抛光研磨的作用。公布号为CN 111215970A的中国专利文献提出了一种双超声辅助磁力抛光微结构模具的装置和方法适用于硬质合金微结构模具的抛光，通过机床超声主轴平行于微结构模具的待抛光表面设置，利用环形永磁体的圆周面进行抛光加工，增大了抛光加工速度。申请号为201910856141.6的中国专利文献提出一种用于微结构的振动辅助磁性磨料抛光装置及方法，基于柔顺机构的振动平台使研磨力均匀分布，有效解决了材料堆积、应力集中等问题，以达到精准、均匀、高效的光整加工的效果。磨料水射流抛光也是一种可行的微结构抛光方法。公布号为CN109877710A的中国专利文献公开了一种周期性微型槽磨料水射流抛光装置，通过步进电机驱动射流喷头，使其在垂直平面内有角度的调整，实现对多条微型槽抛光，但是该装置中射流喷头与微结构阵列之间距离较大，磨料液难以均匀地对沟槽表面加工。公告号为CN208289640U的中国专利文献公开了一种抛光模具微结构表面的抛光头以及抛光装置，抛光头外表面采用软毛带动磨粒的方法进行抛光，但是该装置中软毛之间存在缝隙，且磨粒在加工过程中分布不均匀，大大降低了高精度微结构的抛光效果。目前，利用磨料水射流抛光周期性微型槽存在抛光喷嘴难以伸入微型槽，磨料液对微型槽的划擦程度不同而存在微结构抛光不均匀的问题。公布号为CN111438641A的中国专利文献提出一种异形喷嘴微结构射流抛光方法及装置，虽然解决了传统磨料射流喷嘴难以伸入微结构工件中的微型槽、加工效率低、微结构表面加工不均匀的问题，但是仅适用于平面基底的大尺寸微结构表面。目前尚未有针对曲面基底的光学微结构工件表面进行光整加工的方案。
总而言之，针对曲面基底并具有线性或旋转特征的曲面光学微结构工件表面质量的提升，有必要寻求一种新的加工方法，解决上述问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种曲面光学微结构磁流变抛光装置及其应用方法，本发明采用抛光轮以偏转角度以适应不同曲面基底的光学微结构抛光，整个抛光加工区域的切向线速度方向始终与曲面光学微结构切向方向保持一致，因此增大了抛光加工速度，提高了加工效率，适用于曲面光学微结构的抛光。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种曲面光学微结构磁流变抛光装置，包括支撑机构和设于支撑机构上方的磁流变抛光组件，所述支撑机构包括旋转台和设于旋转台上的工作台，所述工作台上设有用于固定曲面光学微结构工件的夹具，所述磁流变抛光组件包括运动调节机构、抛光轮以及磁流变抛光液循环系统，所述抛光轮安装在运动调节机构上，所述磁流变抛光液循环系统的磁流变抛光液喷射出口布置于抛光轮上侧以用于将磁流变抛光液喷射到抛光轮的圆周上，所述抛光轮为磁性以用于吸附磁流变抛光液中的磁性磨粒。
可选地，所述支撑机构安装在X轴运动组件上，所述运动调节机构包括依次相连的Y轴平移运动组件、Z轴平移运动组件以及A轴转动运动组件，所述抛光轮安装在A轴转动运动组件的端面上，且所述抛光轮带有驱动机构以用于驱动抛光轮绕抛光轮的轴心B自转。
可选地，所述抛光轮采用钕铁硼材料制成。
可选地，所述旋转台和工作台之间通过一微振动装置相连，所述微振动装置用于在抛光轮进行抛光作业时对曲面光学微结构工件施加振动，使得抛光轮表面上吸附的磁性磨粒持续冲击曲面光学微结构工件的微结构表面以提高磁流变抛光磨料的相对速度、增大磁流变抛光磨料的抛光压力。
可选地，所述微振动装置的振动频率为20～50Hz、振幅为2～5mm。
本发明还提供一种前述曲面光学微结构磁流变抛光装置的应用方法，包括：
S1、配置含有磁性磨粒的磁流变抛光液并装入磁流变抛光液循环系统；
S2、将曲面光学微结构工件安装到工作台的夹具中；
S3、判断曲面光学微结构工件的曲面光学微结构是否具有旋转特征，若具有旋转特征，则开启旋转台，并调节旋转台的转速；
S4、根据曲面光学微结构工件的曲面基底轮廓，确定抛光轮的扫描路径和偏转角度；
S5、选择抛光轮的转速和进给速度对曲面光学微结构工件抛光，且通过运动调节机构调节抛光轮的偏转角度以适应曲面光学微结构工件的曲面基底轮廓，整个抛光加工区域的切向线速度方向始终与曲面光学微结构工件的微结构表面切向方向保持一致；
S6、检测曲面光学微结构工件的曲面光学微结构的表面质量和形状精度，若表面质量和形状精度满足要求，则表示加工完毕，结束并退出；否则，若表面质量和形状精度的检测方式为原位检测，则跳转步骤S3继续进行加工，若表面质量和形状精度的检测方式为非原位检测，则跳转步骤S2继续进行加工。
可选地，步骤S1中配置的磁流变抛光液中包含纳米SiO2颗粒，所述纳米SiO2颗粒的粒径为30～80nm，所述纳米SiO2颗粒用于使磁流变抛光液在抛光轮上形成柔性抛光膜时，磁流变抛光液中的磁性颗粒受均匀磁场的作用约束纳米SiO2颗粒沿抛光轮外沿均匀分布，进而对曲面光学微结构工件的微结构表面进行抛光。
可选地，所述磁性磨粒由羰基铁粉和氧化铝颗粒混合制成，其中羰基铁粉粒径为3～10μm，氧化铝颗粒粒径为1～3μm。
可选地，所述磁流变抛光液中纳米SiO2颗粒、松散剂、水以及磁性磨粒中羰基铁粉和氧化铝颗粒的成分配比为：纳米SiO2颗粒的重量百分比为2％～8％，松散剂的重量百分比为1％～5％，水的重量百分比为35％～60％，羰基铁粉的重量百分比为30％～50％，氧化铝颗粒的重量百分比为10％～15％。
和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：不同于现有技术中平板式永磁体的磁性磨料抛光装置，本发明中的抛光轮可以偏转角度以适应不同曲面基底的光学微结构抛光，整个抛光加工区域的切向线速度方向始终与曲面光学微结构切向方向保持一致，因此增大了抛光加工速度，提高了加工效率，适用于曲面光学微结构的抛光。
附图说明
图1为本发明实施例一中曲面光学微结构磁流变抛光装置的结构示意图。
图2为本发明实施例一中抛光初始位置示意图。
图3为本发明实施例一中抛光结束位置示意图。
图4为本发明实施例二中曲面光学微结构磁流变抛光装置的结构示意图。
图5为本发明实施例一中抛光方法的流程示意图。
图例说明：1、支撑机构；11、旋转台；12、工作台；13、微振动装置；2、磁流变抛光组件；21、运动调节机构；211、Y轴平移运动组件；212、Z轴平移运动组件；213、A轴转动运动组件；22、抛光轮；23、磁流变抛光液循环系统，a、磁性磨粒；b、SiO2磨粒。
具体实施方式
实施例一：
如图1所示，本实施例曲面光学微结构磁流变抛光装置包括支撑机构1和设于支撑机构1上方的磁流变抛光组件2，支撑机构1包括旋转台11和设于旋转台11上的工作台12，工作台12上设有用于固定曲面光学微结构工件的夹具，磁流变抛光组件2包括运动调节机构21、抛光轮22以及磁流变抛光液循环系统23，抛光轮22安装在运动调节机构21上，磁流变抛光液循环系统23的磁流变抛光液喷射出口布置于抛光轮22上侧以用于将磁流变抛光液喷射到抛光轮22的圆周上，抛光轮22为磁性以用于吸附磁流变抛光液中的磁性磨粒(如图2和图3中a所示)。
旋转台11仅在抛光具有旋转特征的曲面光学微结构工件时启动，一般情况下旋转台11的转速为5～15rpm。
工作台12用于固定曲面光学微结构工件(非磁性材料)。
运动调节机构21用于调节抛光轮22的运动姿态，使得抛光轮22可以偏转角度以适应不同曲面基底的光学微结构抛光，整个抛光加工区域的切向线速度方向始终与曲面光学微结构切向方向保持一致。
抛光轮22用于做旋转运动并根据曲面基底轮廓偏转角度沿预定方向进给，带动吸附的磁性磨粒不断冲击所述光学微结构表面，起到抛光作用。
本实施例中，抛光轮22是直径为100～200mm的环状永磁体，其转速为500～1500rpm，一对磁极对称分布于抛光轮22端面两侧，抛光轮22的圆周上吸附有磁性磨粒以用于形成柔性抛光膜。
磁流变抛光液循环系统23用于使得磁流变抛光液形成循环，将磁流变抛光液喷射到抛光轮22的圆周上。
本实施例中，支撑机构1安装在X轴运动组件上，运动调节机构21包括依次相连的Y轴平移运动组件211、Z轴平移运动组件212以及A轴转动运动组件213，抛光轮22安装在A轴转动运动组件213的端面上，且抛光轮22带有驱动机构以用于驱动抛光轮22绕抛光轮22的轴心B自转，通过上述结构的配合，可实现X、Y、Z三轴方向的平移加工，结合A轴方向的转动加工，使得抛光轮22可以偏转角度以适应不同曲面基底的光学微结构抛光，整个抛光加工区域的切向线速度方向始终与曲面光学微结构切向方向保持一致，图2为本实施例中抛光初始位置示意图，图3为本实施例中抛光结束位置示意图，在抛光过程中，随着曲面光学微结构工件的光学微结构的变化，抛光轮22需要通过A轴转动运动组件213不断调整其偏转角度，以满足曲面光学微结构工件的光学微结构的加工要求。
本实施例中，抛光轮22采用钕铁硼材料(NdFeB)制成，有利用提高吸附磁流变抛光液中的磁性磨粒的吸附力强度，提升加工效率。
如图5所示，本实施例还提供一种前述曲面光学微结构磁流变抛光装置的应用方法，包括：
S1、配置含有磁性磨粒的磁流变抛光液并装入磁流变抛光液循环系统23；
S2、将曲面光学微结构工件安装到工作台12的夹具中，此时曲面光学微结构工件应当与抛光轮22保持一定间距，以确保抛光轮22可偏转加工曲面光学微结构上的结构面；
S3、判断曲面光学微结构工件的曲面光学微结构是否具有旋转特征，若具有旋转特征，则开启旋转台11，并调节旋转台11的转速；一般情况下开启旋转台11后旋转台11的转速为5～15rpm；
S4、根据曲面光学微结构工件的曲面基底轮廓，确定抛光轮22的扫描路径和偏转角度；
S5、选择抛光轮22的转速和进给速度对曲面光学微结构工件抛光，且通过运动调节机构21调节抛光轮22的偏转角度以适应曲面光学微结构工件的曲面基底轮廓，整个抛光加工区域的切向线速度方向始终与曲面光学微结构工件的微结构表面切向方向保持一致；
S6、检测曲面光学微结构工件的曲面光学微结构的表面质量和形状精度，若表面质量和形状精度满足要求，则表示加工完毕，结束并退出；否则，若表面质量和形状精度的检测方式为原位检测，则跳转步骤S3继续进行加工，若表面质量和形状精度的检测方式为非原位检测，则跳转步骤S2继续进行加工。
本实施例步骤S6中检测曲面光学微结构工件的曲面光学微结构的表面质量和形状精度为采用白光干涉仪，利用非原位检测的方式实现，因此检测时需要将曲面光学微结构工件从夹具上取下再检测，检测完以后如需要继续加工，则需要跳转步骤S2将曲面光学微结构工件安装到工作台12的夹具中继续进行加工。
本实施例中，步骤S1中配置的磁流变抛光液中包含纳米SiO2颗粒(如图2和图3中b所示)，纳米SiO2颗粒的粒径为30～80nm，纳米SiO2颗粒用于使磁流变抛光液在抛光轮上形成柔性抛光膜时，磁流变抛光液中的磁性颗粒受均匀磁场的作用约束纳米SiO2颗粒沿抛光轮外沿均匀分布，进而对曲面光学微结构工件的微结构表面进行抛光，磁性抛光液中的纳米SiO2颗粒对曲面光学微结构材料有一定抛光作用，有利于提高抛光表面质量。
本实施例中，磁性磨粒由羰基铁粉和氧化铝颗粒混合制成，其中羰基铁粉粒径为3～10μm，氧化铝颗粒粒径为1～3μm。
本实施例中，磁流变抛光液中纳米SiO2颗粒、松散剂、水以及磁性磨粒中羰基铁粉和氧化铝颗粒的成分配比为：纳米SiO2颗粒的重量百分比为2％～8％，松散剂的重量百分比为1％～5％，水的重量百分比为35％～60％，羰基铁粉的重量百分比为30％～50％，氧化铝颗粒的重量百分比为10％～15％。
实施例二：
本实施例为对实施例一的进一步改进。
如图4所示，本实施例中旋转台11和工作台12之间通过一微振动装置13相连，该微振动装置13用于在抛光轮22进行抛光作业时对曲面光学微结构工件施加振动，使得抛光轮22表面上吸附的磁性磨粒持续冲击曲面光学微结构工件的微结构表面以提高磁流变抛光磨料的相对速度、增大磁流变抛光磨料的抛光压力。
微振动装置13可根据需要采用振动电机实现，本实施例中微振动装置13的振动频率为20～50Hz、振幅为2～5mm，该振动频率和振幅设置有利于抛光轮22表面上吸附的磁性磨粒持续冲击曲面光学微结构工件的微结构表面的效率。
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，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的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，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种曲面光学微结构磁流变抛光装置，其特征在于，包括支撑机构(1)和设于支撑机构(1)上方的磁流变抛光组件(2)，所述支撑机构(1)包括旋转台(11)和设于旋转台(11)上的工作台(12)，所述工作台(12)上设有用于固定曲面光学微结构工件的夹具，所述磁流变抛光组件(2)包括运动调节机构(21)、抛光轮(22)以及磁流变抛光液循环系统(23)，所述抛光轮(22)安装在运动调节机构(21)上，所述磁流变抛光液循环系统(23)的磁流变抛光液喷射出口布置于抛光轮(22)上侧以用于将磁流变抛光液喷射到抛光轮(22)的圆周上，所述抛光轮(22)为磁性以用于吸附磁流变抛光液中的磁性磨粒。
2.根据权利要求1所述的曲面光学微结构磁流变抛光装置，其特征在于，所述支撑机构(1)安装在X轴运动组件上，所述运动调节机构(21)包括依次相连的Y轴平移运动组件(211)、Z轴平移运动组件(212)以及A轴转动运动组件(213)，所述抛光轮(22)安装在A轴转动运动组件(213)的端面上，且所述抛光轮(22)带有驱动机构以用于驱动抛光轮(22)绕抛光轮(22)的轴心B自转。
3.根据权利要求1所述的曲面光学微结构磁流变抛光装置，其特征在于，所述抛光轮(22)采用钕铁硼材料制成。
4.根据权利要求1所述的曲面光学微结构磁流变抛光装置，其特征在于，所述旋转台(11)和工作台(12)之间通过一微振动装置(13)相连，所述微振动装置(13)用于在抛光轮(22)进行抛光作业时对曲面光学微结构工件施加振动，使得抛光轮(22)表面上吸附的磁性磨粒持续冲击曲面光学微结构工件的微结构表面以提高磁流变抛光磨料的相对速度、增大磁流变抛光磨料的抛光压力。
5.根据权利要求4所述的曲面光学微结构磁流变抛光装置，其特征在于，所述微振动装置(13)的振动频率为20～50Hz、振幅为2～5mm。
6.一种权利要求1～5中任意一项所述的曲面光学微结构磁流变抛光装置的应用方法，其特征在于，包括：
S1、配置含有磁性磨粒的磁流变抛光液并装入磁流变抛光液循环系统(23)；
S2、将曲面光学微结构工件安装到工作台(12)的夹具中；
S3、判断曲面光学微结构工件的曲面光学微结构是否具有旋转特征，若具有旋转特征，则开启旋转台(11)，并调节旋转台(11)的转速；
S4、根据曲面光学微结构工件的曲面基底轮廓，确定抛光轮(22)的扫描路径和偏转角度；
S5、选择抛光轮(22)的转速和进给速度对曲面光学微结构工件抛光，且通过运动调节机构(21)调节抛光轮(22)的偏转角度以适应曲面光学微结构工件的曲面基底轮廓，整个抛光加工区域的切向线速度方向始终与曲面光学微结构工件的微结构表面切向方向保持一致；
S6、检测曲面光学微结构工件的曲面光学微结构的表面质量和形状精度，若表面质量和形状精度满足要求，则表示加工完毕，结束并退出；否则，若表面质量和形状精度的检测方式为原位检测，则跳转步骤S3继续进行加工，若表面质量和形状精度的检测方式为非原位检测，则跳转步骤S2继续进行加工。
7.根据权利要求6所述的曲面光学微结构磁流变抛光装置的应用方法，其特征在于，步骤S1中配置的磁流变抛光液中包含纳米SiO2颗粒，所述纳米SiO2颗粒用于使磁流变抛光液在抛光轮上形成柔性抛光膜时，磁流变抛光液中的磁性颗粒受均匀磁场的作用约束纳米SiO2颗粒沿抛光轮外沿均匀分布，进而对曲面光学微结构工件的微结构表面进行抛光。
8.根据权利要求7所述的曲面光学微结构磁流变抛光装置的应用方法，其特征在于，所述纳米SiO2颗粒的粒径为30～80nm。
9.根据权利要求8所述的曲面光学微结构磁流变抛光装置的应用方法，其特征在于，所述磁性磨粒由羰基铁粉和氧化铝颗粒混合制成，其中羰基铁粉粒径为3～10μm，氧化铝颗粒粒径为1～3μm。
10.根据权利要求9所述的曲面光学微结构磁流变抛光装置的应用方法，其特征在于，所述磁流变抛光液中纳米SiO2颗粒、松散剂、水以及磁性磨粒中羰基铁粉和氧化铝颗粒的成分配比为：纳米SiO2颗粒的重量百分比为2％～8％，松散剂的重量百分比为1％～5％，水的重量百分比为35％～60％，羰基铁粉的重量百分比为30％～50％，氧化铝颗粒的重量百分比为10％～15％。
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2022
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