一种用于超精密加工的半球形光整砂轮的制作方法

本发明涉及半球形光整砂轮，特别涉及一种用于超精密加工的半球形光整砂轮。

背景技术：

当前，航空航天、医疗、天文及现代光电子产品等领域对非球面光学元件的需求越来越迫切。从机加工的角度看，非球面光学元件具有材料硬度大、面形复杂、几何精度和光洁度高等特点，这已成为超精密加工领域的技术难题。作为超精密加工中的最后一道工序，光整是决定非球面元件表面粗糙度和光洁度的重要环节。传统的光整工艺是抛光或研磨，实际生产中都存在着光整工艺不可避免的抛光加工效率低，研磨无法实现自由曲面光整的缺陷。

现有光整砂轮机械结构复杂，使用时需要其他的配套设备，系统复杂而昂贵，而且工件光整后的表面粗糙度很难达到超精密精度。因此，现有的光整砂轮难以广泛应用于非球面光学元件的超高精密加工。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决实际生产中都存在着光整工艺不可避免的抛光加工效率低，研磨无法实现自由曲面光整的缺陷，系统复杂而昂贵，工件光整后的表面粗糙度很难达到超精密精度难以广泛应用于非球面光学元件的超高精密加工的问题，而提出的一种用于超精密加工的半球形光整砂轮。

上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于超精密加工的半球形光整砂轮由磨料层、砂轮基体和砂轮支撑件组成；

所述砂轮基体由半球体、固定板和定位孔组成，半球体设置在固定板上，在固定板中心处设置半径为r深度小于固定板厚度的定位孔；

所述砂轮支撑件由定位凸台、支撑板和砂轮杆组成；

定位凸台位于支撑板上端的中心位置，砂轮杆、定位凸台与支撑板共轴心，砂轮杆用于支撑支撑板；

所述磨料层粘结在半球体的表面，且磨料层的下端面与固定板的上端面设置第一间隙；定位凸台与定位孔之间为过盈配合，定位孔的半径与定位凸台半径一致为r，且定位凸台的高度小于定位孔的深度；定位孔与定位凸台设置第二间隙；其中，磨料层外侧球面的曲率半径R1，磨料层内侧球面的曲率半径R2等于砂轮基体的半球体的半径R；磨料层的厚度值等于R1-R2的差值；固定板的半径值等于支撑板的半径值；固定板粘结在支撑板上面。

发明效果

本发明提供了一种机械结构简单且实用，可实现大曲率的非球面元件超精密加工的光整砂轮。本发明的突出特点是主体部分柔性基体与传统砂轮磨料层相结合，在工作过程中磨料对待加工表面会产生类似于抛光和研磨的不确定性微量去除，具有光整的作用；通过合理规划运动轨迹可实现恒力下的光整，进而获得较好的光整效果；磨料层为固着磨粒，磨粒的粒径为1微米到40微米能有效提高材料的去除率，进而提高光整效率；磨料层为半球形结构，能够对大曲率的非球面元件进行光整，尤其适用于凹面的光整加工；磨料层中的磨料和结合剂类型以及砂轮基体的材料都有多种选择，可以根据待加工表面的材料性能或要求的光整精度选用合适的磨料、结合剂和基体材料；通过设置磨料层的下端面与固定板的上端面的间隙，以及定位孔与定位凸台的间隙防止砂轮基体产生弹性变形后磨料层、砂轮基体和支撑件之间发生相互挤压；本发明的机械结构简单，易于生产制造，不需要其他的配套设备，使用成本低，可广泛应用于实际工业生产中。

附图说明

图1为具体实施方式一提出的超精密加工的半球形光整砂轮结构示意图；

图2为具体实施方式一提出的磨料层部分的剖面图；

图3(a)为具体实施方式一提出的砂轮基体部分的轴测图；

图3(b)为具体实施方式一提出的砂轮基体部分的剖面图；

图4为具体实施方式一提出的砂轮支撑件部分的轴测图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种用于超精密加工的半球形光整砂轮，具体由磨料层1、砂轮基体2和砂轮支撑件3组成如图1所示；

所述砂轮基体2由半球体2-1、固定板2-2和定位孔2-3组成由图3a和b所示，半球体2-1设置在固定板2-2上，在固定板2-2中心处设置半径为r深度小于固定板厚度的定位孔2-3；

所述砂轮支撑件3由定位凸台3-1、支撑板3-2和砂轮杆3-3组成；

定位凸台3-1位于支撑板3-2上端的中心位置，砂轮杆3-3、定位凸台3-1与支撑板3-2共轴心，砂轮杆3-3用于支撑支撑板3-2如图4；

所述磨料层1粘结在半球体2-1的表面，且磨料层1的下端面与固定板2-2的上端面设置第一间隙4；定位凸台3-1与定位孔2-3之间为过盈配合，定位孔2-3的半径与定位凸台3-1半径一致为r，且定位凸台3-1的高度小于定位孔2-3的深度；定位孔2-3与定位凸台3-1的设置第二间隙5；可根据光整的具体要求或待加工件的材料性能选择适用的磨料层1中磨料和结合剂的类型及砂轮基体2的材料类型和弹性值；其中，磨料层1为具有一定厚度的球冠形结构，外侧球面与内侧球面的圆心在同一点；磨料层1外侧球面的曲率半径R1小于待加工表面上任一点的曲率半径，磨料层1内侧球面的曲率半径R2等于砂轮基体的半球体2-1的半径R；磨料层1的厚度值等于R1-R2的差值如图2；固定板2-2的半径值等于支撑板3-2的半径值；砂轮基体2的材料为橡胶或弹性树脂；固定板2-2粘结在支撑板3-2上面；所述支撑板起到固定所述砂轮基体的作用，砂轮杆是砂轮与电动主轴的连接部分。

本实施方式效果：

本实施方式提供了一种机械结构简单且实用，可实现大曲率的非球面元件超精密加工的光整砂轮。本实施方式的突出特点是主体部分柔性基体与传统砂轮磨料层相结合，在工作过程中磨料对待加工表面会产生类似于抛光和研磨的不确定性微量去除，具有光整的作用；通过合理规划运动轨迹可实现恒力下的光整，进而获得较好的光整效果；磨料层为固着磨粒，磨粒的粒径为1微米到40微米能有效提高材料的去除率，能有效提高材料的去除率，进而提高光整效率；磨料层为半球形结构，能够对大曲率的非球面元件进行光整，尤其适用于凹面的光整加工；磨料层中的磨料和结合剂类型以及砂轮基体的材料都有多种选择，可以根据待加工表面的材料性能或要求的光整精度选用合适的磨料、结合剂和基体材料；通过设置磨料层的下端面与固定板的上端面的间隙，以及定位孔与定位凸台的间隙防止砂轮基体产生弹性变形后磨料层、砂轮基体和支撑件之间发生相互挤压；本实施方式的机械结构简单，易于生产制造，不需要其他的配套设备，使用成本低，可广泛应用于实际工业生产中。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述磨料层1的厚度值的范围为5～10mm；磨料层1由磨料及结合剂构成，其中磨料为金刚石、立方氮化硼、碳化硅或刚玉中的一种，结合剂类型为金属、陶瓷或树脂中的一种。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述粘结磨料层1与半球体2-1所用的粘结剂、固定板2-2粘结在支撑板3-2所用的粘结剂及粘结固定板2-2和支撑板3-2所用的粘结剂为耐高温胶，其中耐高温胶为耐高温环氧类胶粘剂或耐高温酚醛树脂类胶粘剂。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述磨料层1的下端面与固定板2-2的上端面设置第一间隙4为0.02R～0.1R。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述固定板2-2的结构为圆柱形薄板。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述固定板2-2的厚度为0.1R～0.2R。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述定位孔2-3为圆柱形盲孔，定位孔2-3形状也可以是其他多边形的柱形盲孔，其他多边形可以为四边形，五边形，六边形等。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述定位孔2-3与定位凸台3-1设置第二间隙5为1～3mm。其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述砂轮支撑件3的材料为铝合金或合金钢，起到定位并固定所述砂轮基体的作用，也是连接砂轮与电动主轴的部分；支撑板3-2的结构为圆柱形薄板，圆柱形薄板厚度为0.15R～0.3R，砂轮杆3-3的半径为0.1R～R。其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：：所述半径r为0.05R～0.2R。其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。