抛光工具及非球面元件表面波纹去除方法与流程

本发明涉及加工制造技术领域，具体而言，涉及一种抛光工具及非球面元件表面波纹去除方法。

背景技术：

先进军事光学系统、大型天文望远镜工程、极紫外光刻机工程、强激光工程等光学系统对光学元件的中频段位相误差、表面粗糙度和亚表面粗糙度等均提出了远远超越古典光学系统的要求，它们对光学元件的精度指标要求基本接近加工的极限。因此，基于计算机控制光学表面成形(Computer Controlled Optical Surfacing，CCOS)原理的各种子口径抛光技术应运而生。

其中，基于CCOS原理的子口径抛光技术与传统的手工抛光工艺相比，其确定性高、面形收敛快，并且对工艺师的技术水平和经验基本没有依赖性。然而，子口径抛光技术在快速去除被加工表面低频面形误差的同时，往往也将误差的空间尺度变得更小，从而造成较多的小尺度位相误差。

经研究发现，任意叠加到激光束中的“波纹”或周期性结构，无论是对光束振幅还是相位的扰动，都将破坏高功率光学系统的性能。特别地，由光学元件制造过程引入的小尺度的相位扰动，在强光非线性效应的影响下将获得很大的增益，经过长的传输距离后，转化为大的强度调制，恶化系统输出的光束质量，严重时甚至会导致光学元件的激光破坏。

目前，研究表明大口径非球面元件加工中抛光工具与元件不吻合是引入中频误差的原因之一，抛光工具的优化设计是能够解决这一问题的有效办法。另外，在保证所述抛光工具与元件吻合的情况下，调控工具刚度可以获得更好的波纹去除效果。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种抛光工具及非球面元件表面波纹去除方法，既可与待加工非球面元件的表面相吻合，又可对非球面表面波纹进行去除。

为了达到上述目的，本发明较佳实施例提供一种抛光工具，所述抛光工具包括转接部件、工具底座、粘弹性柔性介质、柔性介质厚度调节螺钉、橡胶囊以及设置于所述橡胶囊表面的抛光模层；

所述抛光工具通过所述转接部件连接于数控机床；所述工具底座可拆卸连接于所述转接部件，所述工具底座为圆环状；所述柔性介质厚度调节螺钉可活动地内嵌于所述工具底座，所述橡胶囊盖合于所述工具底座，使所述工具底座、柔性介质调节螺钉与橡胶囊之间形成密封腔；所述密封腔内填充满所述粘弹性柔性介质。

优选地，在上述抛光工具中，所述柔性介质厚度调节螺钉的中央设置有内六角孔，所述柔性介质厚度调节螺钉的外沿设置有第一外螺纹，所述工具底座的内周面设置有与所述第一外螺纹契合的第一内螺纹，使所述柔性介质厚度调节螺钉可相对所述工具底座旋入或旋出，改变所述密封腔的大小；所述密封腔的高度变化范围为0～18mm。

优选地，在上述抛光工具中，所述工具底座内缘的上端面设置有阶梯状限位件，所述橡胶囊盖合于所述阶梯状限位件。

优选地，在上述抛光工具中，所述抛光工具还包括橡胶囊锁紧螺母，所述橡胶囊锁紧螺母套设于所述橡胶囊，并将所述橡胶囊固定于所述工具底座。

优选地，在上述抛光工具中，所述工具底座的外周面设置第二外螺纹，所述橡胶囊锁紧螺母的内侧壁设置有与所述第二外螺纹相契合的第二内螺纹，所述橡胶囊锁紧螺母套设于所述橡胶囊并与所述工具底座的外周面旋合。

优选地，在上述抛光工具中，所述橡胶囊锁紧螺母的外沿设置有多个卡槽。

优选地，在上述抛光工具中，所述转接部件、工具底座、柔性介质厚度调节螺钉及橡胶囊锁紧螺母由铝制作而成，所述转接部件、工具底座及柔性介质厚度调节螺钉经减重处理制成。

优选地，在上述抛光工具中，所述抛光模层由表面具有特氟龙涂层的成型模具制成，所述成型模具为间隔设置有多个方形孔的圆盘。

优选地，在上述抛光工具中，所述抛光模层由抛光沥青制成。

本发明较佳实施例还提供一种非球面元件表面波纹去除方法，所述方法包括：

改变本发明提供的抛光工具中粘弹性柔性介质的种类及厚度，使所述抛光工具与待加工非球面元件的表面相吻合，并且对非球面表面波纹进行去除。

本发明实施例提供的抛光工具及非球面元件表面波纹去除方法，在工具底座、柔性介质厚度调节螺钉和橡胶囊形成的密封腔中添加粘弹性柔性介质，通过选取不同种类的粘弹性柔性介质以及对粘弹性柔性介质的厚度进行调节，可以实现抛光工具与待加工非球面元件表面的吻合，还可以改变待加工非球面元件表面波纹高低点之间存在的压强差，进而实现待加工非球面元件表面波纹的去除，最终实现待加工非球面元件中频误差的抑制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种抛光工具的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的一种转接部件的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的一种工具底座的结构示意图。

图4为本发明实施例提供的一种柔性介质厚度调节螺钉的结构示意图。

图5为本发明实施例提供的一种橡胶囊以及抛光模层的结构示意图。

图6为本发明实施例提供的一种成型模具的结构示意图。

图7为本发明实施例提供的一种橡胶囊锁紧螺母的结构示意图。

图8为图7所示橡胶囊锁紧螺母的安装示意图。

图标：100-抛光工具；110-转接部件；111-圆盘主体；1111-底面；1112-侧壁；1113-凸块；1114-第一固定孔；112-转接轴；120-工具底座；121-第二固定孔；122-阶梯状限位件；130-柔性介质厚度调节螺钉；131-内六角孔；140-橡胶囊；141-中空圆柱；1411-表面；1412-第一倒角；142-圆环；150-抛光模层；160-橡胶囊锁紧螺母；161-第一侧面；162-第二侧面；163-第二倒角；164-卡槽；200-成型模具；210-方形孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清除、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而非全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

请参阅图1，是本发明实施例提供的一种抛光工具100。所述抛光工具100包括转接部件110、工具底座120、粘弹性柔性介质、柔性介质厚度调节螺钉130、橡胶囊140以及设置于所述橡胶囊140表面1411的抛光模层150。

其中，所述抛光工具100通过所述转接部件110连接于数控机床，所述工具底座120为圆环142状，并且可拆卸地连接于所述转接部件110。所述柔性介质厚度调节螺钉130可活动地内嵌于所述工具底座120，所述橡胶囊140盖合于所述工具底座120，使所述工具底座120、柔性介质调节螺钉与橡胶囊140之间形成密封腔，所述密封腔内填充满粘弹性柔性介质。

在本实施例中，所述工具底座120与所述柔性介质厚度调节螺钉130为圆盘状，所述橡胶囊140与所述抛光模层150具有圆形轮廓，也即沿所述橡胶囊140和抛光模层150的边缘绘制而成的曲线为圆形。所述工具底座120、柔性介质厚度调节螺钉130、橡胶囊140与抛光模层150的中心位于同一直线上。

应当理解，此处所述的“位于同一直线”并非指严格地处于同一直线上，当所述工具底座120、柔性介质厚度调节螺钉130、橡胶囊140与抛光模层150的中心之间的水平距离处于本领域技术能够接纳的误差范围内时，也应将所述工具底座120、柔性介质厚度调节螺钉130、橡胶囊140与抛光模层150的中心视作位于同一直线。

请参阅图2，是本发明实施例提供的一种转接部件110的结构示意图。可选地，所述转接部件110可以包括圆盘主体111和转接轴112，所述转接轴112垂直固定于所述圆盘主体111的圆心所在位置。所述圆盘主体111包括底面1111以及围设于所述底面1111的侧壁1112，所述侧壁1112的内侧设置有多个凸块1113，每个所述凸块1113与所述底面1111平行的一面开设有第一固定孔1114。其中，所述多个凸块1113可以等间距设置，每个所述凸块1113沿所述圆盘主体111的环向的边缘为弧形，并可以与所述圆盘主体111的圆周相平行。

需要说明的是，本实施例中，所述转接部件110与所述抛光工具100所应用的数控机床的转轴的具体连接方式和尺寸相匹配，图2所示仅为示例，本实施例对此不做限制。

请参阅图3，本发明实施例提供的一种工具底座120的结构示意图。可选地，所述工具底座120可以柱状圆环142，所述工具底座120的内缘可以与所述多个凸块1113平行于所述圆盘主体111的边沿相平。所述工具底座120与每个所述凸块1113上的第一固定孔1114相对的位置开设有与第二固定孔121，如此，可以使用螺钉穿过所述第一固定孔1114和第二固定孔121实现所述转接部件110与工具底座120的固定。

可选地，所述工具底座120的内缘上端面设置有阶梯状限位件122，实施时，所述橡胶囊140盖合于所述阶梯状限位件122，如此，可以避免所述橡胶囊140相对所述工具底座120发生移动。

可选地，请参阅图4，是本发明实施例提供的一种柔性介质厚度调节螺钉130的结构示意图。所述柔性介质厚度调节螺钉130为圆盘状，柔性介质厚度调节螺钉130的大小与所述工具底座120的内圆的大小相契合，使所述柔性介质厚度调节螺钉130能够活动地内嵌于所述工具底座120。

可选地，所述柔性介质厚度调节螺钉130的中央设置有内六角孔131，所述柔性介质厚度调节螺钉130的外沿设置有第一外螺纹，所述工具底座120的内周面设置有第一内螺纹，所述第一内螺纹与所述第一外螺纹相契合，使所述柔性介质厚度调节螺钉130可相对所述工具底座120旋入或旋出。由于所述橡胶囊140与所述工具底座120的相对位置不变，通过改变所述柔性介质厚度调节螺钉130的位置，即可改变所述密封腔的大小。由于所述粘弹性柔性介质填充满所述密封腔，因而，所述密封腔高度的改变，即可实现所述粘弹性柔性介质厚度的改变。

其中，所述粘弹性柔性介质厚度的改变范围为0～18mm，也即，所述密封腔的高度变化范围为0～18mm。

请参阅图5，是本发明实施例提供的一种橡胶囊140及抛光模层150的结构示意图。可选地，所述橡胶囊140可以为锅盖状，由橡胶材料制成，其厚度可以为2mm。所述橡胶囊140可以一端开口的中空圆柱141，以及设置于所述开口外沿的圆环142，所述圆环142与所述开口所在平面相平。所述中空圆柱141背离所述工具底座120的表面1411的边缘设置有第一倒角1412，所述抛光模层150设置于该表面1411。所述抛光模层150包括多个矩形凸起，所述矩形凸起间隔设置于该表面1411。

其中，所述中空圆柱141的背离所述工具底座120的表面1411直径可以为111mm，所述第一倒角1412的半径可以为6mm，所述橡胶囊140内腔深10mm。

实施时，所述橡胶囊140盖合于所述工具底座120，也即，所述圆环142背离所述中空圆柱141的一面与所述工具底座120相互贴合。

在本实施例中，所述抛光模层150可以由图6所示的成型模具200制成。所述成型模具200为开设有多个方形孔210的圆盘，所述成型模具200的表面1411可以具有特氟龙涂层。由于所述抛光模层150所用材料为沥青，所述特氟龙涂层的设置可以避免制作成型的抛光模层150与成型模具200粘结，从而便于将制作成型的抛光模层150完整地从成型模具200脱开。

可选地，所述抛光工具100还包括橡胶囊锁紧螺母160。请结合参阅图7和图8，图7为本发明实施例提供的一种橡胶囊锁紧螺母160的结构示意图，图8是橡胶囊锁紧螺母160的安装示意图。

可选地，所述橡胶囊锁紧螺母160可以包括相互连接的第一侧面161和第二侧面162，所述第一侧面161与所述第二侧面162相互垂直。所述第一侧面161为圆环142状，所述第二侧面162为圆筒状，也即，所述第一侧面161和第二侧面162构成的整体形如环形角钢。

其中，所述第一侧面161与所述第二侧面162相接的位置设置有第二倒角163，所述第二倒角163所在圆周间隔设置有多个卡槽164，所述多个卡槽164可以等间距设置，其具体数量可以根据需要进行灵活设置，例如，可以为4个，本实施例对此不做限制。如此，在拆卸所述橡胶囊锁紧螺母160便于将其拧动。

实施时，所述橡胶囊锁紧螺母160套设于所述橡胶囊140。所述第一侧面161的内缘与所述中空圆柱141的外侧壁1112相互接触，所述第二侧面162背向所述卡槽164的一面与所述工具底座120的外周面相互接触。根据实际需求，所述第二侧面162背向所述卡槽164的一面可以设置有第二内螺纹，所述工具底座120的外周面可以设置有第二外螺纹，如此，当所述橡胶囊锁紧螺母160套设于所述橡胶囊140时，所述第二内螺纹可以与所述第二外螺纹相互旋合，从而将所述橡胶囊140固定于所述工具底座120。

需要说明的是，本实施例中，所述转接部件110、工具底座120、柔性介质厚度调节螺钉130及橡胶囊锁紧螺母160均可以由铝材料制作而成，并且所述转接部件110、工具底座120及柔性介质厚度调节螺钉130均可以进行减重处理，如此可以减轻整体重量。

本发明实施例还提供一种非球面元件表面波纹去除方法，所述方法包括以下步骤。

改变本发明提供的抛光工具100中粘弹性柔性介质的种类及厚度，使所述抛光工具与待加工非球面元件的表面相吻合，并且对非球面表面波纹进行去除。

实施时，通过改变所述抛光工具100中粘弹性柔性介质的种类及厚度，可以使所述抛光工具100适应于由于非球面形貌造成的低阶弯曲，也即，使所述抛光工具能够与待加工非球面元件的表面相吻合。应当理解，本实施例中，所述非球面元件表面波纹去除方法同样适用于具有平面或球面的待加工元件。

此外，通过改变所述抛光工具100中粘弹性柔性介质的种类及厚度，还可以对面形误差中的波纹进行去除，也即保证待加工元件的表面波纹高低点之间存在压强差。

其中，光学元件表面高低点间的压强差可以根据计算式进行计算，P_sub表示待加工元件表面高低点之间的压强差，ε表示波纹幅值，L表示粘弹性柔性介质的厚度，E′表示储能模量，δ表示相位角。

在采用所述抛光工具100对待加工元件进行抛光时，在加工一定时间后，可以计算所述待加工元件表面波纹幅值变化量，所述波纹幅值变化量可以通过计算式ΔPV＝K·V·P_sub·Δt进行计算，其中，K为比例常数，用于表征除压力、速度因素外对波纹去除量有影响的因素。V表示抛光模层150与待加工元件之间的相对速度，Δt表示加工时长。

综上所述，本发明实施例提供的抛光工具100及非球面元件表面波纹去除方法，在工具底座120、柔性介质厚度调节螺钉130及橡胶囊140形成的密封腔内填充满粘弹性柔性介质，如此，可以通过改变所述柔性介质厚度调节螺钉130的位置，实现所述粘弹性柔性介质厚度的改变，从而使所述抛光工具100与待加工元件的表面1411相吻合。此外，通过改变所述粘弹性柔性介质的种类的厚度，还可以改变待加工元件表面波纹高低点之间的压强差，进而实现待加工元件表面波纹去除，以及对外加工元件中频误差的抑制。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”，“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有规定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征的水平高度在高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征的正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征的水平高度小于第二特征。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。