专利名称：光学元件内凹面抛光方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于精密光学抛光加工技术领域，特别涉及一种光学元件内凹面抛光 方法及装置。
背景技术：
随着光学设计及加工技术的发展，非球面元件的应用越来越广泛，高陡度非 球面光学元件也诞生并发展起来，部分非球面光学元件例如共形光学元件甚至采
用长径比(轴向长度与最大直径之比)在l-3范围的非球面面形。这种共形光学 元件，大部分具有深腔尖拱的特征，它应用在光学整流罩、车头灯等既作为光学 元件又作为外形轮廓和连接支撑元件的场合具有明显优势，如降低光学整流罩空 气阻力、提高导弹的射程射速和扩大视场氛围等，同时满足了系统光学要求和力 学、热学等非光学要求。但共形光学元件在带来性能上的优势之外，在加工方面 带来了许多问题和挑战。早期光学整流罩多采用同心球面的形式，其加工方法和 普通光学球面镜的加工相似，在抛光内外表面阶段都是采用球面沥青模进行，由 于抛光模和工件的接触面为球面，所以能够实现摆动和旋转的复合抛光运动，而 共形整流罩的加工由于其高陡度非球面的特点在抛光加工阶段不能再采用传统 的抛光方式，需要研究新的加工方法和工艺。
磁流变抛光是美国罗彻斯特(Rochester)大学的COM (光学制造中心)发 明，并且近年来由美国QED公司推向商业化应用的精密抛光技术。磁流变液由载 液、铁磁微粒、研磨抛光剂和辅助添加剂组成，磁流变液具有流变性，在磁场中 能够形成一种具有粘塑性的Bingham体，在合适的外部磁场梯度下，可以使固化 的磁流变液形成一个具有剪切应力的柔性抛光模，借助抛光轮的辅助转动，使得
该抛光模在工件的被加工区域形成抛光所需的相对运动和压力分布，可以在加工 区产生抛光去除分布。由于磁流变在形成柔性抛光模的过程中是不断循环更新 的，所以在一定的时间范围内不存在常规的磨头磨损问题，同时在磁场分布和与 工件相对位置关系不变的情况下，该抛光模的压力、剪切力和形状等性质也保持 相对稳定，所以能够产生稳定的去除分布。通过计算机控制磨光模在加工表面不 同位置的驻留时间，便可以对整个加工工件的面形进行控制。
但是这种商用磁流变抛光方法抛光内凹面存在一定的局限，它采用抛光轮固 定，工件自转并且摆动的方式进行加工，适用于轴对称光学元件凸面的加工，但 无法适应曲率半径小的深凹面特别是共形光学整流罩内凹面的加工，其抛光轮无 法伸入腔内，或者工件摆动范围有限，无法满足整个内凹面的加工。
发明内容
本发明提供了一种光学元件内凹面抛光方法，其特征在于，包括以下步骤
(1) 将加工工件用夹具15固定在抛光转盘14上，调节工件内凹面和带有
槽路的芯模(18)之间的间隙在0. 2 0. 5mm的范围内，芯模18外表面与待加工 内凹面形状吻合，并开有槽路；
(2) 在储液筒9内加入适量的磁流变液IO，启动搅拌装置7，启动输送泵8， 磁流变液在输送泵8的驱动下经由循环管路6以及芯模18上的槽路和工件内凹 面围成的槽型腔体再通过循环管路回到储液筒中，在整个加工过程中不停循环流 动；
(3) 内磁极激励线圈16通电，在芯模18的槽路中形成均匀的发散梯度磁 场，外磁极工具头3中的电磁铁通电工作，内外磁极共同在外磁极位置对应的槽 路区域形成一个强度在300 2000高斯的加强磁场；循环的磁流变液通过该区域 时，发生流变作用，形成类固体状的Bingham体，由于磁流变液中包含研磨抛光
磨料，因而形成一段柔性抛光模；
(4)外磁极工具头3的运动形式由数控垂直分度盘1和Z向工作台4来实 现，外磁极工具头3在加工过程中可以沿着加工工件的外表面母线的等距线作往 复摆动，并且始终保持与加工工件的表面垂直；上述柔性抛光模由外磁极工具头 3控制，在流体的推动下与工件内凹面发生抛光相对运动，产生材料去除作用， 实现官学元件内凹面的抛光。
所述磁流变液为水基或油基；水基磁流变液包含水、羰基铁粉、研磨抛光剂 和添加剂，其中水的体积分数为50-70%，羰基铁粉的体积分数为30-50%，研磨 抛光剂的体积分数为2-15%，添加剂的体积分数不超过5%;油基磁流变液包含 硅油、羰基铁粉、研磨抛光剂和添加剂，其中硅油的体积分数为40-70%，羰基 铁粉的体积分数为30-60%，研磨抛光剂的体积分数为2-20%，添加剂的体积分 数不超过5%。
所述研磨抛光剂包括氧化铝磨料、氧化铈磨料、碳化硅磨料和金刚石微粉。
本发明还提供了一种光学元件内凹面抛光装置，其特征在于，抛光转台底座 5与数控XY工作台11固定连接，内磁极激励线圈16和内磁极铁芯17以及芯模 18组成一体固定在数控XY工作台11上，并且与抛光转台底座5保持同心；夹具 15将加工工件19固定在抛光转盘14上，抛光转盘14与抛光转台底座5采用轴 承连接，使得连同加工工件19 一起在转台驱动电机12和传动轮13的作用下转 动，转动中心轴与芯模18的轴线重合，并保持加工工件19的内凹面与芯模18 之间的微小间隙，两个表面在转动过程中不发生任何接触；磁流变液10存于储 液筒9中，搅拌器7固定于储液筒9上方，搅拌桨伸入到磁流变液当中；储液筒 9下部呈圆弧形；循环管路6分为三段分别固定连接于抛光转台底座5和储液筒 9之间，储液筒9和输送泵8之间，输送泵8和抛光转台底座5之间；在抛光转
台底座5内部，与储液筒9连接的循环管路6和与输送泵8连接的循环管路6的 另一端分别与芯模18的槽路两端对接，由槽路和加工工件19的内凹面围成的腔 体以及输送管路IO，储液筒9，输送泵8构成整个磁流变液循环系统；外磁极工 具头3与工具头座2固定连接，工具头座2底部固定在数控垂直分度盘1的分度 盘面上，数控垂直分度盘1底部与数控Z向垂直工作台4台面固定连接，使得加 工过程中外磁极工具头3可以保持与加工工件19表面垂直，并维持一定间隙， 沿着加工工件19的外表面母线等距线作往复摆动。
所述输送泵8为变量泵，控制循环管路中的流速和压力，加工过程中流速 《2. 5m/s，管路压力《0.3MPa。
所述芯模18外表面与待加工内凹面形状吻合。
所述芯模18由包括铝合金材料、铜合金材料、ABS工程塑料、尼龙材料在内 的非磁性的易加工材料制成，其上带有槽路。
所述外磁极工具头3采用对极或多极的复合磁极头，并可以绕自身中心轴旋 转，形成旋转外部加强磁场。
所述内磁极铁芯17改为永磁形式代替原有内磁极铁芯和内磁极激励线圈 16，或外磁极工具头3采用永磁形式，或内外均采用永磁形式，通过调节各磁极 到加工区的距离来改变磁场强度。
所述装置不安装数控垂直分度盘1、工具头座2、外磁极工具头3和数控Z 向垂直工作台4，用于对光学元件内凹面进行均匀微量去除精抛光阶段。
本发明的有益效果为利用磁流变液形成柔性循环抛光模吸附于内凹面进行 加工，并且能够采用计算机控制抛光去除量和面形精度，本发明在采用新的结构 形式的同时继承了磁流变加工的高精度和高可控性；它适用于各种回转对称光学 元件的内凹面抛光加工，包括球面、非球面及高陡度共形光学非球面的内凹面加 工，并且具备计算机辅助控制抛光功能，能够获得确定性的抛光去除分布，对于
自动化批量加工有很高的实用价值；对于光学玻璃(K9)可以获得纳米级的表面 粗糙度，通过对磁流变液中磨料的选配，同样也适用整流罩红外材料(MgK等) 的抛光加工。
图1为本发明所述装置的结构示意图2为带槽路芯模和被加工工件的位置关系示意图3为本发明所述装置的抛光运动关系示意图； 图4为实施例5中所述装置的结构示意图。 图中标号
l-数控垂直分度盘；2-工具头座；3-外磁极工具头；4-数控Z向垂直工作台；
5-抛光转台底座；6-循环管路；7-搅拌器；8-输送泵；9-储液筒；
10-磁流变液；ll-数控XY工作台；12-转台驱动电机；13_传动轮； 14-抛光转盘；15-夹具；16-内磁极激励线圈；17-内磁极铁芯； 18-芯模；19-工件。
具体实施例方式
本发明提供了一种光学元件内凹面抛光方法及装置，下面通过
和具 体实施方式对本发明做进一步说明。
实施例1
图1为本发明所述装置的结构示意图，图2为带槽路芯模和被加工工件的位 置关系示意图。将抛光转台底座5与数控XY工作台11固定连接，内磁极激励线 圈16和内磁极铁芯17以及芯模18组成一体固定在数控XY工作台11上，并且 与抛光转台底座5保持同心；夹具15将加工工件19固定在抛光转盘14上，抛
光转盘14与抛光转台底座5采用轴承连接，使得连同加工工件19 一起在转台驱
动电机12和传动轮13的作用下转动，转动中心轴与芯模18的轴线重合，并保 持加工工件19的内凹面与芯模18之间的微小间隙，两个表面在转动过程中不发 生任何接触；磁流变液10存于储液筒9中，搅拌器7固定于储液筒9上方，搅 拌桨伸入到磁流变液当中；循环管路6分为三段分别固定连接于抛光转台底座5 和储液筒9之间，储液筒9和输送泵8之间，输送泵8和抛光转台底座5之间， 输送泵为变量泵，可以控制循环管路中的流速和压力，加工过程中流速《2. 5m/s， 管路压力《0.3MPa;在抛光转台底座5内部，与储液筒9连接的循环管路6和与 输送泵8连接的循环管路6的另一端分别与芯模18的槽路两端对接，由槽路和 加工工件19的内凹面围成的腔体以及输送管路10，储液筒9，输送泵8构成整 个磁流变液循环系统；外磁极工具头3与工具头座2固定连接，工具头座2底部 固定在数控垂直分度盘1的分度盘面上，数控垂直分度盘1底部与数控Z向垂直 工作台4台面固定连接，使得加工过程中外磁极工具头3可以保持与加工工件19 表面垂直，并维持一定间隙，沿着加工工件19的外表面母线等距线作往复摆动。 装置的装配工作完成。
使用所述装置对光学元件内凹面进行抛光加工的步骤为
(1) 将待加工工件用夹具15固定在抛光转盘14上，如图3所示，工件19 绕自身回转轴旋转；调节工件内凹面和带有槽路的芯模18之间的间隙在0. 2至 0.5毫米的范围内，确保在转盘带动工件旋转的过程中内凹面与芯模外表面不发 生直接接触；
(2) 在储液筒9内加入适量的磁流变液IO，启动搅拌装置7，启动输送泵8; 磁流变液在输送泵的驱动下经由循环管路6以及芯模上的槽路和工件内凹面围成 的槽型腔体再通过循环管路回到储液筒中，在整个加工过程中不停循环流动； (3) 内磁极激励线圈16通电，在芯模槽路中形成均匀的发散梯度磁场，外 磁极工具头3中的电磁铁也通电工作，内外磁极共同在外磁极位置对应的槽路区 域形成一个强度在300-2000高斯的加强磁场；循环的磁流变液通过该区域时， 发生流变作用，形成类固体状的Bingham体，因而形成一段柔性抛光模，该柔性 抛光模在流体的推动下与工件内凹面发生拋光相对运动，在研磨抛光剂的作用下 产生材料去除，由于磁场及流体流动以及循环过程都处于可控和稳定状态，材料 单位时间的去除量即抛光单位去除函数也是稳定可控的；
(4) 外磁极工具头3的运动形式由数控垂直分度盘1和Z向工作台4来实 现，外磁极工具头3在加工过程中可以沿着加工工件的外表面母线的等距线作往 复摆动，并且始终保持与加工工件的表面垂直；外磁极工具头在加工过程中可以 是慢速单次摆动也可以是往复摆动，可以提高加工的均匀度，并且促进加工区磁 流变液循环的畅通性；通过对外磁极工具头的数控运动控制和对抛光转台的转动 控制，可以使加工工件的整个内凹面得到有效抛光，在提高表面质量的基础上， 还可以由计算机控制来掌握加工的面形去除分布，实现修正和提高面形精度的功 能。
实施例2
本实施例中，光学元件内凹面抛光装置的内磁极铁芯17采用永磁形式来代 替内磁极激励线圈16，外磁极工具头3也采用永磁形式，通过调节磁极到加工区 的距离来改变磁场强度。其它部分的装置结构和加工方法与实施例1相同。
本实施例中，光学元件内凹面抛光装置的外磁极工具头3采用多极复合磁极 头，并可以绕自身中心轴旋转，形成旋转外部加强磁场。其它部分的装置结构和 加工方法与实施例l相同。
实施例4
图4为本实施例所述装置的结构示意图。本实施例中，光学元件内凹面抛光 装置不安装数控垂直分度盘1、工具头座2、外磁极工具头3和数控Z向垂直工 作台4。这种装置结构用于对光学元件内凹面进行均匀微量去除精抛光阶段，省 去了用作面形控制的部分装置。其它部分的装置结构和加工方法与实施例1相同。
权利要求
1.一种光学元件内凹面抛光方法，其特征在于，包括以下步骤(1)将加工工件用夹具(15)固定在抛光转盘(14)上，调节工件内凹面和带有槽路的芯模(18)之间的间隙在0.2～0.5mm的范围内，芯模(18)外表面与待加工内凹面形状吻合，并开有槽路；(2)在储液筒(9)内加入适量的磁流变液(10)，启动搅拌装置(7)，启动输送泵(8)，磁流变液在输送泵(8)的驱动下经由循环管路(6)以及芯模(18)上的槽路和工件内凹面围成的槽型腔体再通过循环管路回到储液筒中，在整个加工过程中不停循环流动；(3)内磁极激励线圈(16)通电，在芯模(18)的槽路中形成均匀的发散梯度磁场，外磁极工具头(3)中的电磁铁通电工作，内外磁极共同在外磁极位置对应的槽路区域形成一个强度在300～2000高斯的加强磁场；循环的磁流变液通过该区域时，发生流变作用，形成类固体状的Bingham体，由于磁流变液中包含研磨抛光磨料，因而形成一段柔性抛光模；(4)外磁极工具头(3)的运动形式由数控垂直分度盘(1)和Z向工作台(4)来实现，外磁极工具头(3)在加工过程中可以沿着加工工件的外表面母线的等距线作往复摆动，并且始终保持与加工工件的表面垂直；上述柔性抛光模由外磁极工具头(3)控制，在流体的推动下与工件内凹面发生抛光相对运动，产生材料去除作用，实现光学元件内凹面的抛光。
2. 根据权利要求1所述的一种光学元件内凹面抛光方法，其特征在于，所 述磁流变液为水基或油基；水基磁流变液包含水、羰基铁粉、研磨抛光剂和添加 剂，其中水的体积分数为50-70%，羰基铁粉的体积分数为30-50%，研磨抛光剂 的体积分数为2-15%,添加剂的体积分数不超过5%;油基磁流变液包含硅油、羰基铁粉、研磨抛光剂和添加剂，其中硅油的体积分数为40-70%，羰基铁粉的 体积分数为30-60%，研磨抛光剂的体积分数为2-20%，添加剂的体积分数不超 过5%。
3. 根据权利要求2所述的一种光学元件内凹面抛光方法，其特征在于，所 述研磨抛光剂包括氧化铝磨料、氧化铈磨料、碳化硅磨料和金刚石微粉。
4. 一种光学元件内凹面抛光装置，其特征在于，抛光转台底座(5)与数控 XY工作台(11)固定连接，内磁极激励线圈(16)和内磁极铁芯(17)以及芯模(18)组成一体固定在数控XY工作台(11)上，并且与抛光转台底座(5)保持 同心；夹具(15)将加工工件(19)固定在抛光转盘(14)上，抛光转盘(14) 与抛光转台底座(5)采用轴承连接，使得连同加工工件(19) 一起在转台驱动 电机(12)和传动轮(13)的作用下转动，转动中心轴与芯模(18)的轴线重合， 并保持加工工件(19)的内凹面与芯模(18)之间的微小间隙，两个表面在转动 过程中不发生任何接触；磁流变液(10)存于储液筒(9)中，搅拌器(7)固定 于储液筒(9)上方，搅拌桨伸入到磁流变液当中；储液筒(9)下部呈圆弧形； 循环管路(6)分为三段分别固定连接于抛光转台底座(5)和储液筒(9)之间， 储液筒(9)和输送泵(8)之间，输送泵(8)和抛光转台底座(5)之间；在抛 光转台底座(5)内部，与储液筒(9)连接的循环管路(6)和与输送泵(8)连 接的循环管路(6)的另一端分别与芯模(18)的槽路两端对接，由槽路和加工 工件(19)的内凹面围成的腔体以及输送管路(10)，储液筒(9)，输送泵(8) 构成整个磁流变液循环系统；外磁极工具头(3)与工具头座(2)固定连接，工 具头座(2)底部固定在数控垂直分度盘(1)的分度盘面上，数控垂直分度盘(1) 底部与数控Z向垂直工作台(4)台面固定连接，使得加工过程中外磁极工具头(3)可以保持与加工工件(19)表面垂直，并维持一定间隙，沿着加工工件(19) 的外表面母线等距线作往复摆动。
5. 根据权利要求4所述的光学元件内凹面抛光装置，其特征在于，所述输送泵(8)为变量泵，控制循环管路中的流速和压力，加工过程中流速《2. 5m/s， 管路压力《0. 3MPa。
6. 根据权利要求4所述的光学元件内凹面抛光装置，其特征在于，所述芯 模(18)外表面与待加工内凹面形状吻合。
7. 根据权利要求4所述的光学元件内凹面抛光装置，其特征在于，所述芯 模(18)由包括铝合金材料、铜合金材料、ABS工程塑料、尼龙材料在内的非磁 性的易加工材料制成，其上带有槽路。
8. 根据权利要求4所述的光学元件内凹面抛光装置，其特征在于，所述外 磁极工具头(3)采用对极或多极的复合磁极头，并绕自身中心轴旋转，形成旋 转外部加强磁场。
9. 根据权利要求4所述的光学元件内F1面抛光装置，其特征在于，所述内 磁极铁芯(17)改为永磁形式代替原有内磁极铁芯和内磁极激励线圈(16)，或 外磁极工具头(3)采用永磁形式，或内外均采用永磁形式，通过调节各磁极到 加工区的距离来改变磁场强度。
10. 根据权利要求4所述的光学元件内凹面抛光装置，其特征在于，所述装 置不安装数控垂直分度盘(1)、工具头座(2)、外磁极工具头(3)和数控Z向 垂直工作台(4)，用亍对光学元件内凹面进行均匀微量去除精抛光阶段。
全文摘要
本发明属于精密光学抛光加工技术领域，特别涉及一种光学元件内凹面抛光方法及装置。待加工工件内凹面下方固定一个和待加工内凹面形状吻合的带有槽路的芯模，工件绕自身回转轴旋转并保持与芯模一个微小间隙，并通过外磁极工具头及内磁极激励线圈对加工区域施加磁场，带有抛光磨料的磁流变液沿槽路流经加工区域时在磁场作用下形成柔性抛光头吸附于内凹面并产生抛光作用。本发明可以实现小曲率半径或具有深腔结构的共形光学元件及其它回转对称高陡度非球面的内凹面抛光，并可以采用计算机控制抛光去除分布，具备抛光面形控制能力，兼有高精度高表面质量的优点。
文档编号B24B13/00GK101352826SQ200810223239
公开日2009年1月28日 申请日期2008年9月28日 优先权日2008年9月28日
发明者冯之敬, 巍 左, 云 张, 科 辛 申请人:清华大学