一种流体动压抛光方法及装置与流程

本发明涉及先进光学制造技术领域，具体而言，涉及一种流体动压抛光方法及装置。

背景技术：

精密光学元件利于获得高品质光学特性和高质量图像效果，在航空、航天、国防以及高科技民用领域应用越来越广泛。现代光学系统对光学元件提出了更高的要求，如超高精度、无缺陷、无应力、超光滑等，这些要求对制造提出了更多的挑战。传统光学制造技术已经远远不能适应精密光学元件的广泛需求，光学制造已开始向现代先进光学制造方向转变。

针对精密光学元件的制造需求以及传统光学制造技术的弊端，国内外重点发展基于计算机控制光学表面成形(ccos,computercontrolledopticalsurfacing)原理的各种特种加工技术，包括磁流变抛光技术(magnetorheologicalfinishing，mrf)、离子束抛光技术(ionbeamfiguring，ibf)、射流抛光技术(fluidjetpolishing,fjp)等。这些特种加工技术的共同特点如下：研磨抛光工具的“柔度”可以通过计算机的控制而改变，从而强化了工件曲率变化的适应能力，达到了保持去除函数的长期稳定性的目标，甚至可以方便地改变工具的“柔度”以适应不同需求的研抛过程，这一过程也可称为柔性抛光过程。

柔性抛光的基本机理包括使用新型抛光工具以及智能材料柔性抛光头。接触柔性抛光(如2000年英国伦敦大学学院提出的气囊抛光、20世纪90年代初美国罗彻斯特大学研究的磁流变抛光)未消除边缘效应；且由于抛光头尺寸的限制很难加工凹形高陡度非球面。针对柔性接触抛光的局限性，1998年荷兰delft理工大学提出射流抛光方法，依靠动能磨粒流冲击工件表面实现材料的塑性去除，属于非接触柔性抛光。射流抛光无边缘效应；且射流束截面面积小，可加工高陡度深凹非球面。

针对极紫外光刻系统(extremeultravioletlithography,euvl)中使用的元件加工精度要求，依靠磨粒的机械去除作用很难实现其加工精度，需通过其他加工原理的非接触超精密抛光进行表面修正。如采用连续的粒子流冲击工件表面产生原子级结合(如1987年日本大阪大学提出的弹性发射加工)或离子溅射(如1988年美国新墨西哥大学完善的离子束加工)，以及采用化学方式(如1993年日本大阪大学提出的等离子体化学蒸发加工)实现工件表面材料的原子级去除。

不难看出，随着光学元件应用范围的拓展(如低能粒子束聚焦)以及应用精度的提高(如下一代光刻技术)，非球面元件表面质量要求趋向于原子级，要求表面完整，无亚表面损伤与晶格缺陷。

使用无接触加工方式来实现原子级的高效无损伤材料去除成为当前特种加工技术的一个发展方向。但是，现有的无接触式加工方法中，大多存在去除函数稳定性差、抛光工具与工件之间间隙难以控制的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种流体动压抛光方法及装置，以改善上述问题。

本发明较佳实施例提供一种流体动压抛光方法，应用于包括气囊抛光工具、精密测力台、精密位移台以及抛光液供给系统的流体动压抛光装置，其中，所述精密测力台位于所述精密位移台之上，待抛光工件位于所述精密测力台之上，所述方法包括：通过所述精密测力台与精密位移台使所述气囊抛光工具与待抛光工件之间达到临界接触状态；抛光时，由所述抛光液供给系统向所述气囊抛光工具与待抛光工件之间供给抛光液，并控制所述气囊抛光工具转动以带动所述抛光液在所述待抛光工件与该气囊抛光工具之间产生流体动压。

可选地，通过所述精密测力台与精密位移台使所述气囊抛光工具与待抛光工件之间达到临界接触状态的步骤包括：利用所述精密测力台测量所述气囊抛光工具在转动靠近所述待抛光工件的过程中，对所述待抛光工件的作用力是否达到预设压力范围；若对所述待抛光工件的作用力达到了所述预设压力范围，控制所述气囊抛光工具停止转动靠近，并调节所述精密位移台使所述待抛光工件逐渐远离所述气囊抛光工具直至所述精密测力台测量的压力值首次为零。

可选地，所述气囊抛光工具包括球形橡胶气囊以及贴附于所述球形橡胶气囊上的抛光垫；在通过所述精密测力台与精密位移台使所述气囊抛光工具与待抛光工件之间达到临界接触状态的步骤之前，该方法还包括：

对所述气囊抛光工具进行修整以矫正存在的误差因素，其中，所述误差因素包括所述球形橡胶气囊的制造误差、所述抛光垫的厚度误差以及所述橡胶气囊与抛光垫的粘贴误差。

本发明另一较佳实施例提供一种流体动压抛光装置，该装置包括气囊抛光工具、精密测力台、精密位移台以及抛光液供给系统，其中，所述精密测力台位于所述精密位移台之上，待抛光工件位于所述精密测力台之上；所述精密测力台与精密位移台用于互相配合以使所述气囊抛光工具与待抛光工件之间达到临界接触状态；所述抛光液供给系统用于在抛光时向所述气囊抛光工具与待抛光工件之间供给抛光液；所述气囊抛光工具用于在抛光时被控制转动以带动所述抛光液在所述待抛光工件与该气囊抛光工具之间产生流体动压。

可选地，所述精密测力台与精密位移台互相配合以使所述气囊抛光工具与待抛光工件之间达到临界接触状态的方式包括：所述精密测力台测量所述气囊抛光工具在转动靠近所述待抛光工件的过程中，对所述待抛光工件的作用力是否达到预设压力范围；若对所述待抛光工件的作用力达到了所述预设压力范围，控制所述气囊抛光工具停止转动靠近，并调节所述精密位移台使所述待抛光工件逐渐远离所述气囊抛光工具直至所述精密测力台测量的压力值首次为零。

本发明实施例提供的流体动压抛光方法及装置，通过精密测力台与精密位移台的配合操作保证了气囊抛光工具与待抛光工件之间间隙控制的准确性和重复性，保障了去除函数的稳定性，达到去除函数形态优化的目的。另外，本实施例中的抛光液供给系统能够实现抛光液浓度、抛光液供给量的实时控制，确保了抛光液工作条件的准确控制。本发明实施例提供的方法及装置，可实现控制工艺参数(如间隙、转速、抛光颗粒大小)以改变材料去除量，满足待抛光工件不同工艺目的下的效率需求。此外，上述方法及装置还具备工艺调整冗余大的优点，能够满足科研实验需要，同时也适用于实际工程中精密光学元件高精度、超光滑加工的需要。

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流体动压抛光装置的立体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种应用于图1所示装置的流体动压抛光方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的图1所示流体动压抛光装置中气囊抛光工具在抛光时的旋转状态示意图；

图4为本发明实施例提供的一种气囊抛光工具与待抛光工件临界接触状态示意图；

图5a为本发明实施例提供的一实验示例中所得到的去除函数的轮廓检测图；

图5b为本发明实施例提供的所述实验示例中所得到的去除函数的三维检测图；

图6为图5b所示去除函数x、y方向的轮廓图。

图标：100-流体动压抛光装置；110-气囊抛光工具；120-精密测力台；130-精密位移台；140-抛光液供给系统；200-待抛光工件；300-环形带状区域；400-进动角。

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楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。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流体动压抛光装置100的立体结构示意图。该流体动压抛光装置100包括气囊抛光工具110、精密测力台120、精密位移台130以及抛光液供给系统140。待抛光工件200放置在所述精密测力台120之上，以通过该精密测力台120测量所述待抛光工件200受到的外力作用的大小。所述精密位移台130位于精密测力台120之上，以与所述精密测力台120配合控制所述气囊抛光工具110与待抛光工件200之间间隙的距离。所述抛光液供给系统140在抛光时向气囊抛光工具110和待抛光工件200之间的间隙供给抛光液。气囊抛光工具110高速旋转带动抛光液在待抛光工件200与气囊抛光工具110之间产生流体动压，进而实现抛光液中的抛光颗粒以一定的速度和压力对待抛光工件200的表面进行抛光去除。

本实施例中，所述气囊抛光工具110包括气囊和粘贴于气囊上的抛光垫。所述气囊抛光工具可以安装于驱动装置上以被驱动进行旋转。所述驱动装置可以是，但不限于，数控机床。所述气囊可以是但不限于为球形，其材质优选采用内部带钢网层的橡胶。抛光垫一般情况下采用聚氨酯材料制成。因为聚氨酯材料不仅是性能优异的抛光辅材，而且便于成型为球形，以便于粘贴在球形橡胶气囊上。可选的，在一个实施方式中，所述气囊抛光工具110由半径80毫米、厚度5毫米的球形橡胶气囊和厚度为3毫米、聚氨酯材料的抛光垫构成。所述抛光垫经专用成型模具制成球冠状后再粘贴于气囊上。

所述精密测力台120的检测分辨率优选为小于或等于1牛顿。

所述精密位移台130的位移分辨率优选为小于或等于0.5微米，行程为10mm左右。

所述抛光液供给系统140可以实现抛光液浓度和抛光液供给量的实时控制，并且能够回收、过滤所述抛光液以循环供给。在一个实施方式中，所述抛光液供给系统140的抛光液流量大于等于10升/分钟，抛光液两级过滤，过滤的精度达到3微米。

另外，作为一种实施方式，所述待抛光工件200、精密测力台120和精密位移台130可以选用磁力挡块进行装夹。

请参阅图2，是本发明实施例提供的一种应用于图1所示装置的流体动压抛光方法的流程图。所应说明的是，本发明实施例提供的方法不以图2及以下所述的具体顺序为限制。下面对图2中所示的各步骤进行详细阐述。

步骤s301，对所述气囊抛光工具110进行修整以矫正存在的误差因素。

本实施例中，考虑到气囊的制造误差(如轮廓误差、厚度误差等)、抛光垫的厚度误差以及气囊与抛光垫之间的粘贴误差等因素会导致气囊的形貌误差和使用环带的较大跳动，这对于需要精密的控制气囊与待抛光工件200之间间隙的动压抛光来说具有重大影响。因此，在抛光前，对气囊抛光工具110进行精密修整以矫正上述误差。

需要说明的是，所述使用环带是指气囊抛光工具110抛光工件时与工件接触的环形带状区域300，具体可参见图3。

步骤s303，控制所述气囊倾斜预设角度以使所述气囊抛光工具110的转动轴线与待抛光工件200加工点的法线形成所述预设角度的进动角400。

如图3所示，本实施例中，在抛光前通常控制气囊抛光工具110倾斜一定角度，使得气囊抛光工具110的旋转轴线与待抛光工件200加工点法线形成进动脚，如此可以取得更好的抛光效果。所述进动脚一般设置在20°至25°之间，一般常用的是22.5°或23°。

步骤s305，通过所述精密测力台120与精密位移台130使所述气囊抛光工具110与待抛光工件200之间达到临界接触状态。

如图4所示，是本发明实施例提供的一种气囊抛光工具110与待抛光工件200临界接触状态示意图。

作为一种实施方式，所述达到所述临界接触状态的实现过程可以是：首先，在不喷抛光液的情况下，所述气囊抛光工具110旋转着接近放置于精密测力台120的待抛光工件200，使该精密测力台120检测到一定力，例如1牛顿至3.5牛顿之间；控制气囊抛光工具110停止靠近，并调节放置于精密测力台120下方的精密位移台130，使待抛光工件200逐渐远离气囊，直至所述精密测力台120刚好未检测出力，或者说直至所述精密测力台120测量的压力值首次为零。此时气囊抛光工具110与待抛光工件200即处于所述临界接触状态。在实际加工或实验时可以定义当前状态下的气囊抛光工具110与待抛光工件200之间的间隙为0微米，后续过程所需调控的气囊抛光工具110与待抛光工件200的间隙距离可基于此位置调节精密位移台130来获得。也就是说，在整个抛光过程中，都可以通过精密测力台120和精密位移台130的配合来精准控制气囊抛光工具110与待抛光工件200之间的间隙距离。

步骤s307，抛光时，由所述抛光液供给系统140向所述气囊抛光工具110与待抛光工件200之间供给抛光液，并控制所述气囊抛光工具110转动以带动所述抛光液在所述待抛光工件200与该气囊抛光工具110之间产生流体动压。

本实施例中，在抛光时，由所述抛光液供给系统140向所述气囊抛光工具110与待抛光工件200之间供给抛光液。所述气囊抛光工具110高速旋转以带动所述抛光液在所述待抛光工件200与该气囊抛光工具110之间产生流体动压，进而实现间隙中的抛光颗粒以一定速度和压力对工件表面进行去除。

作为一种实施方式，抛光时，气囊的转速一般大于1000转每分钟。

作为一种实施方式，抛光时，所述抛光液供给系统140控制抛光液从喷出口注入到气囊与待抛光工件200之间，而后回收从抛光垫周围自然流出的抛光液。回收后的抛光液经过搅拌、过滤后循环利用。

作为一种实施方式，抛光时，可以通过所述精密测力台120检测获取抛光过程中所述待抛光工件200被作用的正向力和反向力数据，以用于分析和优化所述抛光过程，例如优化硬件或抛光工艺。

下面是本实施例提供的一个实验示例，以进一步说明本发明实施例所提供的流体动压抛光方法及装置的优点。

通过本发明上述实施例所提供的装置及方法对100毫米×100毫米×10毫米规格的熔石英元件进行了一组定点动压抛光，以采集动压去除函数。抛光实验所用的参数为气囊转速2000转/分钟、气囊内部气压0.15兆帕、氧化铈抛光液、氧化铈颗粒粒度0.8微米、抛光液浓度1％、气囊与工件间隙20微米、抛光液流量10升/分钟，抛光时间20秒。

参阅图5a，是本发明实施例提供的采用以上抛光参数进行抛光实验时所采集到的去除函数轮廓检测图。参阅图5b，是本发明实施例提供的采用以上抛光参数进行抛光实验时所采集到的去除函数三维检测图。参阅图6，是本发明实施例提供的图5b所示的去除函数x、y方向的轮廓图。由图5a、5b和图6可知，本发明的动压去除函数呈理想的近高斯型形态，去除函数整体尺寸为ф7毫米，半高全宽尺寸为ф3.5毫米，峰值去除效率2.78纳米/秒。

根据上述实验示例可以看出，本发明实施例提供的流体动压抛光装置及方法，采用气囊式无接触流体动压抛光方式对工件进行研抛，去除函数的形态近高斯，与现有技术相比，明显优化了去除函数形态，提升了去除函数的稳定性。

最后，需要说明的一点是，本发明实施例提供的流体动压抛光装置可基于所使用机床的旋转轴的连接方式和接口尺寸设置相应的转接部件。也就是说，可应用在不同机床上进行气囊动压抛光加工。例如，将该装置安装于数控机床上可进行光学元件气囊动压全面均匀抛光或面形修正抛光。

综上所述，本发明实施例提供的流体动压抛光方法及装置，能够有效保障气囊抛光工具110与待抛光工件200之间间隙控制的准确性和重复性，保障去除函数的稳定性，优化去除函数形态。而且，本实施例中的精密测力台可以对抛光过程中工件所受到的正向力、切向力进行监控，以便于分析整个加工过程状态，进而反馈进行硬件或工艺优化。此外，本实施例中的抛光液供给系统能够实现抛光液浓度、抛光液供给量的实时控制，确保了抛光液工作条件的准确控制。特别的，本发明实施例提供的方法及装置，可实现控制工艺参数(如间隙、转速、抛光颗粒大小)以改变材料去除量，满足待抛光工件不同工艺目的下的效率需求。上述方法及装置还具备工艺调整冗余大的优点，能够满足科研实验需要，同时也适用于实际工程中精密光学元件高精度、超光滑加工的需要。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，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。

以上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，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。