一种子孔径中心供液光学表面系列加工工艺与工具制造技术

本发明专利技术公开了一种子孔径中心供液光学表面系列加工工艺，该系列加工工艺是基于流体动压原理从毛坯表面到超光滑表面的系统性工艺方法，主要包括流体动压固结磨料磨抛工序、中心供液小磨头抛光工序以及盘式流体动压抛光工序。所述的子孔径中心供液光学表面加工工具包含有弹性联轴器、抛光盘、抛光垫，柔性联轴器两端分别连接抛光盘和旋转轴，在同一加工工具上通过更换不同的磨抛垫和抛光垫，以实现光学表面低频、中频及高频误差的逐次递归的抑制过程。同时，为获得高质量、低损伤的超精密光滑表面，不同磨抛抛光垫的组合应用，将前序工艺抛光表面后表明残余的亚表面损伤层去除同时不再形成新的亚表面损伤，经过多次加工使亚表面损伤降低至最小。

A series of processing technology and tools for optical surface with center of seed aperture

【技术实现步骤摘要】
一种子孔径中心供液光学表面系列加工工艺与工具
本专利技术属于光学加工领域，是一种基于流体动压原理的超光滑光学表面系列加工工艺，特别是一种涉及光学表面从磨削后表面到超光滑表面加工的系统工艺技术。
技术介绍
光学玻璃由于其具有透明性高、光学均匀性、化学性能稳定等特性，被广泛应用于航天,信息,能源,化工,微电子等领域。随着光学技术的蓬勃发展和光学材料应用的日益广泛，对光学元件的表面质量提出了更高的要求。特别针对于高功率激光装置系统，微型机电系统等大型的光学系统，对元件的表面质量和加工效率要求极为苛刻，微米级的加工精度以及纳米级的表面粗糙度已经成为了日常的生产需求。因此，如何在加工过程中获得更高质量，更高效率的光学元件成为了目前急于待解决的问题。为了满足现代先进光学技术的应用需求，光学元件加工技术需要具备加工精度高、周期短、成本低等特征，精度、效率、成本已经成为衡量光学加工技术的重要指标。为了获得高质量的光学玻璃、硅片、砷化镓等硬脆性材料通常进行的超精密加工方法是磨抛和抛光。每一道工序对加工精度和去除效率的要求都有所不同。在实际加工过程中，通常需要结合使用多种抛光工艺和方法。例如，通常在磨抛阶段使用材料去除效率较高的应力盘抛光和传统小磨头抛光，在精抛和面形修整阶段使用面形控制能力更强的磁流变抛光，而在超光滑表面加工方面通常使用高能离子束抛光方法。现有的抛光工艺技术路线表面单一的抛光方法无法支撑光学元件的整体加工流程，这就造成了在实际制造过程中不同工艺之间的转换增加了困难，从而影响加工效率，并且多次装卡工件或工具造成的定位基准改变等，造成加工精度和加工效率的下降。基于以上问题，公开日为2018年3月2日，公开号为CN107745324A的中国专利技术专利披露了一种光学玻璃表面成型方法，主要是基于中心供液小磨头抛光工具作为磨抛和抛光工具来加工光学玻璃工件；虽然该方法能够有效降低玻璃表面成型时间和加工精度，而且有利于提高加工效率。然而，随着现代光学技术的发展，一方面不仅对光学表面精度具有较高的要求，而且同时也提出对加工后光学表面的亚表面损伤和光学表面在全频段内误差都能得到有效控制。根据大口径光学元件加工技术要求和国际标准(ISO10110)对大口径非球面光学元件在其低频误差(波长大于33mm)、中频误差(波长介于0.25至33mm之间)以及高频误差(波长小于0.25mm)均需要得到有效控制才能满足其光学使用性能。否则，其高频和低频误差会引起球差、像差、畸变等成像影响光学的成像质量，而高频误差在强光光学元件应用中会引起能量的损失。上述光学玻璃表面成型方法中主要针对的光学表面面型加工工艺和方法，而缺乏对大口径非球面光学元件表面从低频到高频的全频段内误差的有效控制和加工后表面损伤抑制能力。
技术实现思路
针对上述现有技术，本专利技术提出一种子孔径中心供液光学表面系列加工工艺与工具，该方法基于中心供液流体动压原理，将中心供液子孔径加工工具应用于大口径光学元件从磨削后表面到超光滑表面的加工方法。该方法在同一加工工具上通过更换不同的磨抛垫和抛光垫，以实现光学表面低频、中频及高频误差的逐次递归的抑制过程。同时，为获得高质量、低损伤的超精密光滑表面，不同磨抛抛光垫的组合应用，将前序工艺抛光表面后表明残余的亚表面损伤层去除同时不再形成新的亚表面损伤，经过多次加工使亚表面损伤降低至最小。本专利技术的目的是针对大口径非球面光学元件以及强光光学元件的超精密、高效、低损伤的加工需求，提出应用子孔径中心供液光学表面加工工具实现光学元件表面从磨削后表面到超光滑表面的抛光工艺。本专利技术基于流体动压原理设计出一种子孔径中心供液光学表面加工工具，该工具通过更换不同的磨抛垫或抛光垫能够对磨削后的光学表面进行快速磨抛、抛光以及超精密抛光加工。为了解决上述技术问题，本专利技术提出的一种子孔径中心供液光学表面加工工具，该工具包含有弹性联轴器、抛光盘和抛光垫，所述抛光盘一端为连接轴段，所述抛光盘的另一端为盘面，所述柔性联轴器的一端连接有旋转轴，所述柔性联轴器的另一端与所述抛光盘连接，所述抛光盘的盘面上通过弹性粘接层与所述抛光垫粘接，所述抛光垫用于磨抛和抛光加工，所述抛光垫的类型是固结磨料抛光垫、中心供液小磨头抛光皮以及盘式流体动压抛光垫中的一种；根据不同的加工工艺要求更换不同类型的抛光垫，以达到光学元件表面工艺设计的需求，实现光学元件表面从粗到精的系统加工工艺；贯穿于所述旋转轴、所述抛光盘、所述弹性粘接层和抛光垫的轴向设有中心供液孔；使用该工具时，该工具装夹于具有中心供液功能的电机或者抛光执行器上，所述电机或者抛光执行器的供液导管与所述中心供液孔导通，通过电机驱动所述旋转轴，从而使该工具自传或行星运动。进一步讲，本专利技术所述的子孔径中心供液光学表面加工工具，其中，所述固结磨料磨抛垫中含有的磨抛颗粒是金刚石、氧化铈和氧化铝磨抛颗粒的其中一种或几种混合磨抛颗粒，所述磨抛颗粒的粒径范围为0.1～10μm。所述中心供液小磨头抛光皮是多孔聚氨酯抛光片、海绵抛光片和合成纤维制成的抛光片中的任何一种；所述中心供液小磨头抛光皮的工作表面具有导流槽。所述盘式流体动压抛光垫的材质是软质金属或是抛光沥青。所述盘式流体动压抛光垫的表面设计有动压槽，当所述盘式流体动压抛光垫高速旋转、抛光液从中心供液孔注入时，所述盘式流体动压抛光垫与工件的抛光加工表面之间形成稳定的动压液膜，依靠液膜间隙内的流体动压力驱动所述抛光液中的抛光颗粒冲蚀工件表面、抛光加工表面材料以达到超精密抛光工艺的目的。同时，本专利技术中还提出了利用上述子孔径中心供液光学表面加工工具的子孔径中心供液光学表面系列加工工艺，主要包括流体动压固结磨料磨抛、中心供液小磨头抛光以及盘式流体动压抛光。进一步讲，所述的子孔径中心供液光学表面系列加工工艺的具体步骤如下：步骤1、流体动压固结磨料磨抛：将粘接有固结磨料磨抛垫的加工工具装夹于具有中心供液功能的电机或者抛光执行器上，调整磨抛垫的表面与待加工工件表面接触；将研磨液注入工具的中心供液孔内，由旋转轴驱动磨抛盘转动，转速范围50-1000rpm；在转动的同时在旋转轴上施加载荷，载荷范围10～50N；控制加工工具的路径，按照栅格轨迹移动，移动速度范围为0.5～5mm/s；改变加工工具的进给路径对工件表面进行多轮加工，经过1～3轮加工，抑制光学表面的低频和中频误差；步骤2、中心供液小磨头抛光：将磨抛后表面进行清洗；将加工工具上的磨抛垫更换为中心供液小磨头抛光皮，使用浓度为5％～15％的氧化铈或氧化铝抛光液，将抛光液以一定压力注入中心供液孔，抛光液供给压力范围为：0.1～0.5Mpa；通过旋转轴对抛光盘施加10～30N的轴向载荷，并且抛光盘以200～1000r/min速度自转，50～200rpm的速度公转，抛光盘公转/自转的偏心率为0.1～1.0；在抛光过程中，控制抛光盘抛光路径按照栅格轨迹或者随机轨迹移动，移动速度范围为：0.1～10mm/s，使得抛光盘能够加工整个加工表面，完成第一次小磨头抛光工艺；然后按照上述参数，重复进行多次抛光，抑制光学表面的中频本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种子孔径中心供液光学表面加工工具，其特征在于，该工具包含有弹性联轴器(1)、抛光盘(3)和抛光垫(5)，所述抛光盘(3)一端为连接轴段，所述抛光盘(3)的另一端为盘面，所述柔性联轴器(1)的一端连接有旋转轴(6)，所述柔性联轴器(1)的另一端与所述抛光盘(3)连接，所述抛光盘(3)的盘面上通过弹性粘接层(4)与所述抛光垫(5)粘接，所述抛光垫(5)用于磨抛和抛光加工，所述抛光垫(5)的类型是固结磨料抛光垫(501)、中心供液小磨头抛光皮(502)以及盘式流体动压抛光垫(503)中的一种；根据不同的加工工艺要求更换不同类型的抛光垫，以达到光学元件表面工艺设计的需求，实现光学元件表面从粗到精的系统加工工艺；贯穿于所述旋转轴(6)、所述抛光盘(3)、所述弹性粘接层(4)和抛光垫(5)的轴向设有中心供液孔(500)；使用该工具时，该工具装夹于具有中心供液功能的电机或者抛光执行器上，所述电机或者抛光执行器的供液导管与所述中心供液孔(500)导通，通过电机驱动所述旋转轴(6)，从而使该工具自传或行星运动。/n

【技术特征摘要】
1.一种子孔径中心供液光学表面加工工具，其特征在于，该工具包含有弹性联轴器(1)、抛光盘(3)和抛光垫(5)，所述抛光盘(3)一端为连接轴段，所述抛光盘(3)的另一端为盘面，所述柔性联轴器(1)的一端连接有旋转轴(6)，所述柔性联轴器(1)的另一端与所述抛光盘(3)连接，所述抛光盘(3)的盘面上通过弹性粘接层(4)与所述抛光垫(5)粘接，所述抛光垫(5)用于磨抛和抛光加工，所述抛光垫(5)的类型是固结磨料抛光垫(501)、中心供液小磨头抛光皮(502)以及盘式流体动压抛光垫(503)中的一种；根据不同的加工工艺要求更换不同类型的抛光垫，以达到光学元件表面工艺设计的需求，实现光学元件表面从粗到精的系统加工工艺；贯穿于所述旋转轴(6)、所述抛光盘(3)、所述弹性粘接层(4)和抛光垫(5)的轴向设有中心供液孔(500)；使用该工具时，该工具装夹于具有中心供液功能的电机或者抛光执行器上，所述电机或者抛光执行器的供液导管与所述中心供液孔(500)导通，通过电机驱动所述旋转轴(6)，从而使该工具自传或行星运动。


2.根据权利要求1所述的子孔径中心供液光学表面加工工具，其特征在于，所述固结磨料磨抛垫(501)中含有的磨抛颗粒是金刚石、氧化铈和氧化铝磨抛颗粒的其中一种或几种混合磨抛颗粒，所述磨抛颗粒的粒径范围为0.1～10μm。


3.根据权利要求1所述的子孔径中心供液光学表面加工工具，其特征在于，所述中心供液小磨头抛光皮(502)是多孔聚氨酯抛光片、阻尼布、海绵抛光片和合成纤维制成的抛光片中的任何一种；所述中心供液小磨头抛光皮(502)的工作表面具有导流槽。


4.根据权利要求1所述的子孔径中心供液光学表面加工工具，其特征在于，所述盘式流体动压抛光垫(503)的材质是软质金属或是抛光沥青。


5.根据权利要求4所述的子孔径中心供液光学表面加工工具，其特征在于，所述盘式流体动压抛光垫(503)的表面设计有动压槽，当所述盘式流体动压抛光垫(503)高速旋转、抛光液从中心供液孔(500)注入时，所述盘式流体动压抛光垫(503)与工件的抛光加工表面之间形成稳定的动压液膜，依靠液膜间隙内的流体动压力驱动所述抛光液中的抛光颗粒冲蚀工件表面、抛光加工表面材料以达到超精密抛光工艺的目的。


6.一种子孔径中心供液光学...

【专利技术属性】
技术研发人员：林彬，姜向敏，曹中臣，黄田，李世鹏，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12