一种高径厚比薄壁光学元件的层级材料去除制造方法技术

本发明专利技术公开了一种高径厚比薄壁光学元件的层级材料去除制造方法，属于精密光学元件制造领域。针对高径厚比薄壁光学元件壁薄易碎难加工的难题，构建了新型薄壁斜面体层级材料去除模型，可对切削后元件研磨去除过程的材料去除效率及深度做定量化计算，精确指导材料的加工工艺参数规划；通过对研磨盘、工装夹具和工件进行运动学建模，计算获得工件相对于研磨盘的运动轨迹；结合材料接触去除特性和工艺参数去除过程理论计算得到材料的去除率。本发明专利技术适用于切削加工后斜面体零件在研磨机上进行研磨加工时采用不同加工参数下材料去除率的计算，同时也适用于根据材料去除率反推加工参数的计算，完成对高径厚比薄壁光学元件制造过程的精确控制。的精确控制。的精确控制。

【技术实现步骤摘要】
一种高径厚比薄壁光学元件的层级材料去除制造方法


[0001]本专利技术属于精密光学元件制造领域，具体涉及一种高径厚比薄壁光学元件的层级材料去除制造方法。

技术介绍

[0002]平面研磨及抛光是获取高精度光学元件的重要途经，在电子信息、激光和航空航天等领域有着普遍的应用。材料的平面研磨和抛光加工是一个复杂精密的多输入多输出系统，其输出的材料去除率和表面精度受多种输入因素制约，众多因素共同对加工过程和结果产生影响。尤其对于高径厚比薄壁光学元件，其具有易损不可控等难加工特点。目前鲜有人对其提出精准的数字建模方法，并用于加工工艺参数规划。

技术实现思路

[0003]为了解决现有行业中薄壁光学元件加工难题，本专利技术提供了一种高径厚比薄壁光学元件的层级材料去除制造方法。该方法将切削后元件截面看为斜面，建立层级加工去除模型及相对运动轨迹运动学模型，推导了材料去除率模型，指导加工工艺规划和元件的精确制造，解决了高径厚比薄壁光学元件的研磨去除率的计算问题。
[0004]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案来实现的：
[0005]一种高径厚比薄壁光学元件的层级材料去除制造方法，包括以下步骤：
[0006]1)对于工件的研磨加工过程提出斜面体层级模型；
[0007]2)对研磨机上斜面体工件相对研磨盘的运动轨迹完成运动学建模；
[0008]3)构建新型光学元件研磨加工过程工艺参数与材料去除效率的关系式；
[0009]4)指导特定材料特定去除工艺的正向工艺规划和逆向工艺规划。
[0010]本专利技术进一步的改进在于，步骤1)建立高径厚比薄壁光学元件的研磨去除模型，对行星式研磨机建立工件
‑
研磨机相对运动轨迹的运动学模型，结合材料接触去除特性和工艺参数去除过程理论计算对应加工参数下的材料去除率。
[0011]本专利技术进一步的改进在于，步骤1)的具体实现方法为将高径厚比的薄壁光学元件研磨表面看作一个斜面，根据元件研磨时的装夹方式，推导出实际参与研磨的元件表面是一个随时间变化的层级平面。
[0012]本专利技术进一步的改进在于，步骤2)对研磨机上斜面体工件相对研磨盘的运动轨迹完成运动学建模，通过坐标变换求得工件与研磨机的相对运动速度，完成对斜面体层级研磨相对运动轨迹的计算建模。
[0013]本专利技术进一步的改进在于，坐标变换是将工件坐标系变换到研磨机坐标系，并且考虑到工件在研磨过程中的斜面体层级模型，工件坐标系上的点随研磨时间的不同相应具有不同的取值范围。
[0014]本专利技术进一步的改进在于，步骤2)的具体实现方法为：对研磨盘建立坐标系A，对工件建立坐标系B，通过坐标变换将工件坐标系B变换至磨盘坐标系A，所得坐标即工件上任
意点相对于磨盘随时间的运动轨迹，并结合层级材料去除模型列出其取值范围，对时间t求导得到二者的相对运动速度。
[0015]本专利技术进一步的改进在于，步骤3)对于高径厚比薄壁光学元件考虑了材料接触去除特性和工艺参数去除过程理论，建模构建光学元件研磨加工过程工艺参数输入与材料去除效率的关系式。
[0016]本专利技术进一步的改进在于，步骤3)的具体实现方法为：
[0017](301)在宏观接触面和微观研磨去除两个方面对材料磨削去除过程进行建模；宏观上，通过工件的磨削斜面体模型，求得宏观上的实际接触面积，用于求解材料去除厚度；微观上，基于颗粒间作用力，认为材料去除率与微观颗粒有关，同时认为磨盘与元件的接触为弹塑性接触，利用工件磨盘材料的接触特性求得微观上材料的实际贴合面积，用于求解实际作用的磨粒个数；
[0018](302)将工件与研磨盘的相对运动速度v、研磨液颗粒直径和浓度、磨盘转速以及上述宏观、微观接触面积等参数作为输入参数，利用材料去除的体积关系，综合各参数求解，得到输出参数——材料去除率。
[0019]本专利技术进一步的改进在于，步骤4)提出基于建立的去除模型完成对特定材料特定去除工艺的正向工艺规划和逆向工艺规划，即以工艺参数输入对材料去除效率和深度进行精确计算，或以确定的材料去除效率和深度完成对工艺参数的反推。
[0020]和现有技术相比，本专利技术至少具有如下有益的技术效果：
[0021]本专利技术提供的一种高径厚比薄壁光学元件的层级材料去除制造方法，针对切削加工后的高径厚比光学薄壁元件研磨表面进行建模，提出了研磨“斜面体”模型，对斜面体的层级材料去除分布进行了建模；
[0022]本专利技术提供的一种高径厚比薄壁光学元件的层级材料去除制造方法，针对切削加工后的高径厚比光学薄壁元件研磨加工工艺参数控制难题，基于斜面体层级材料去除模型及相对运动轨迹模型，可通过工艺参数输入完成对高径厚比光学薄壁元件的精确制造。
附图说明
[0023]图1为本专利技术实施例中研磨结构示意图；
[0024]图2为本专利技术实施例中光学元件研磨模型；
[0025]图3为本专利技术实施例中光学元件研磨材料去除计算模型；
[0026]图4为本专利技术实施例中工件与磨台坐标变换示意图；
[0027]图5为本专利技术实施例中k9玻璃实验测量过程图；
[0028]图6为理论与实际去除量对比图。
具体实施方式
[0029]下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。
[0030]本专利技术提供的一种高径厚比薄壁光学元件的层级材料去除制造方法，包括以下输入参数：研磨液体积浓度χ、磨粒直径D、磨盘转速、光学元件切削面倾斜角和直径等。
[0031]一种高径厚比薄壁光学元件的层级材料去除制造方法，包括以下步骤：
[0032](1)建立经过切削工艺后得到的薄壁光学元件的研磨模型，认为研磨加工部位是斜面体，加工面是一个斜面，研究元件与磨盘接触面积随时间变化而变化的规律，同时变化的接触面积也会影响材料去除率的大小。
[0033](2)对研磨盘建立坐标系A，对工件建立坐标系B，两个坐标系上点的坐标是关于时间的函数。将工件坐标系B上的点P(x2，y2)坐标变换至磨盘坐标系A，所得坐标P
’
(x1，y1)即工件上任意点相对于磨盘随时间的运动轨迹，对坐标中的参数时间t求导可得二者的相对运动速度v。
[0034](3)在宏观接触表面和微观颗粒磨削两个方面对材料研磨去除过程进行建模。宏观上提出工件的研磨“斜面体”模型，该模型认为切削得到的光学元件切削表面都呈现一定的倾斜角度，随着研磨加工的进行，倾斜高度逐渐减小，而工件与研磨盘的接触面积逐渐增大，具体参照图1；微观上基于颗粒间作用力进行计算，认为研磨颗粒嵌入工件表面和研磨中进行研磨加工本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高径厚比薄壁光学元件的层级材料去除制造方法，其特征在于，包括以下步骤：1)对于工件的研磨加工过程提出斜面体层级模型；2)对研磨机上斜面体工件相对研磨盘的运动轨迹完成运动学建模；3)构建新型光学元件研磨加工过程工艺参数与材料去除效率的关系式；4)指导特定材料特定去除工艺的正向工艺规划和逆向工艺规划。2.根据权利要求1所述的一种高径厚比薄壁光学元件的层级材料去除制造方法，其特征在于，步骤1)建立高径厚比薄壁光学元件的研磨去除模型，对行星式研磨机建立工件
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研磨机相对运动轨迹的运动学模型，结合材料接触去除特性和工艺参数去除过程理论计算对应加工参数下的材料去除率。3.根据权利要求2所述的一种高径厚比薄壁光学元件的层级材料去除制造方法，其特征在于，步骤1)的具体实现方法为将高径厚比的薄壁光学元件研磨表面看作一个斜面，根据元件研磨时的装夹方式，推导出实际参与研磨的元件表面是一个随时间变化的层级平面。4.根据权利要求3所述的一种高径厚比薄壁光学元件的层级材料去除制造方法，其特征在于，步骤2)对研磨机上斜面体工件相对研磨盘的运动轨迹完成运动学建模，通过坐标变换求得工件与研磨机的相对运动速度，完成对斜面体层级研磨相对运动轨迹的计算建模。5.根据权利要求4所述的一种高径厚比薄壁光学元件的层级材料去除制造方法，其特征在于，坐标变换是将工件坐标系变换到研磨机坐标系，并且考虑到工件在研磨过程中的斜面体层级模型，工件坐标系上的点随研磨时间的不同相应具有不同的取值范围。6.据权利要求4所述的一种高径厚比薄壁光学元件的层级材料去除制造方法，其特征在于，步骤2...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙林，卢光超，丁建军，李云飞，刘阳鹏，李常胜，白杨，仙丹，金雨生，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：