一种用于弹性发射加工的工具轮的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光学元件加工后期的超光滑技术领域，具体涉及一种用于弹性发射加工的工具轮。
【背景技术】
[0002]随着科学技术的不断进步，光学向尺度的极端化发展，具有超光滑表面性质的光学元件被广泛应用于高精密产品和现代化的国防等重要领域，使得超光滑表面加工技术成为当今世界的研究热点。例如，极紫外光刻利用波长为13.5nm的极紫外光作为工作波长实现掩模图案的曝光复制，被半导体行业认为是用于极大规模集成电路制造的最具潜力的下开一代光刻技术。根据散射理论，由于超短的工作波长，光学元件极小的表面粗糙度都会引起光能的散射，从而降低成像对比度和系统产能。目前，典型的超光滑技术主要有机械研磨抛光、计算机控制小磨头抛光、浴法抛光、化学机械抛光、磁流变抛光、液体喷射抛光、离子束抛光、弹性发射加工等。其中，弹性发射加工(Elastic Emiss1n Machining，EEM)技术依靠高速旋转的工具轮带动抛光液中的纳米级磨粒使之获得动能，并与光学元件表面接触，磨粒与元件表面原子发生相互吸附，并在流动的抛光液的带动下使得元件表面发生原子量级的去除，因此其材料去除稳定、无亚表面损伤等优点，且在高陡度非球面以及自由曲面加工有显著优势。
[0003]日本大阪大学的Mori在1976年首次提出了弹性发射加工技术，并于1987年从电子衍射和X射线的角度，验证EEM很容易获得几何和结晶均十分“完美”的表面，次年对不同磨粒与光学元件材料组合的材料去除率进行了研究，对EEM的工作机理完成了进一步确认，2006年，Kubota等人对EHM中所采用的磨粒形态与材料去除率间的关系进行了研究，指出磨粒形态越不规则，相对表面积越大，则材料去除率越高，并于2007年利用EEM对低热膨胀光学微晶玻璃进行加工，使得Ra达到0.085nm。
[0004]传统的EEM技术采用弹性球作为抛光工具，单点作用区域极其有限，存在严重的磨粒流侧漏，从而降低加工效率。为此，大连理工大学的余兴芹提出用圆柱形弹性磨轮替代传统的球形轮，较好地解决了磨粒流的侧漏现象，增加了磨粒流与光学元件的作用面积，从而提高加工速率。但不论是采用球形还是圆柱形工具轮，其接触面的半径均只存在单一的曲率半径，在加工过程中仍然存在一定的局限性。
【发明内容】
[0005]本发明要提高EEM中工具轮的加工适用性，提供一种用于弹性发射加工的工具轮。
[0006]为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下:
[0007]—种用于弹性发射加工的工具轮，该工具轮的形状为椭球，其赤道半径分别为a和b ；极半径c与赤道半径b相等;且a>b，a/b不大于5 ；电机的转轴与工具轮的赤道半径a相互重入口 ο
[0008]在上述技术方案中，该工具轮的材料为弹性材料。
[0009]在上述技术方案中，该工具轮的材料为聚氨酯。
[0010]本发明具有以下的有益效果:
[0011]本发明的用于弹性发射加工的工具轮，它利用椭球具有连续可变的曲率半径，从而增大与光学元件表面的有效作用面积，尤其是凹面光学元件，从而提高加工效率。
[0012]本发明的用于弹性发射加工的工具轮，在弹性发射加工中，它与光学元件表面间的作用是连续变化的，从而使得整个光学元件内的抛光不会因为工具轮的定位误差存在奇点，从而提高整个光学元件的加工质量。
[0013]本发明的用于弹性发射加工的工具轮在光学元件内移动时，由于它与光学元件间的相互作用是连续渐变的，因此可以通过施加连续变化的外力有效控制工具轮与光学元件表面的间隔，防止光学元件表面划伤。
[0014]本发明的用于弹性发射加工的工具轮，一方面，可在不明显改变弹性加工轮质量的情况下，椭球形弹性加工轮可以获得更大、更加丰富的曲率半径，从而增加有效工作面积，提高加工效率，并通过调整弹性椭球加工轮与元件的相对姿态，使单一弹性椭球工具轮能适应不同的元件加工;另一方面，工具轮与光学元件间的间隙地决定了抛光效率，椭球工具轮与光学元件间的间隙变化是连续的，因此，其单点加工区域内的抛光效率也是连续变化的，因此使得EEM在整个光学元件内的作用均匀性得到提高，从而提高整个光学元件的抛光质量;此外，椭球形工具轮与光学元件表面的相互作用力是连续渐变的，这有利于通过外部施力有效地控制工具轮与光学元件表面的间隙，防止表面划伤，提高表面加工质量。
【附图说明】
[0015]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0016]图1为弹性发射加工(EEM)原理装置示意图。
[0017]图2为弹性发射加工装置中不同工具轮的比较示意图。
[0018]图中的附图标记表示为:
[0019]11-数控主轴箱；12-电机;13-弹性工具轮;14-光学元件；15-光学元件台；16-抛光液;16-十字簧;17-载荷台；
[0020]20-待加工光学元件面形；21-球形工具轮；22-圆柱形工具轮；椭球形工具轮23 ;200-局部放大的作用区域;211、221、231_作用区域；
【具体实施方式】
[0021]本发明的发明思想为:
[0022]为了提高EEM中工具轮的加工适用性，本发明提出一种用于弹性发射加工的工具轮。该工具轮为一弹性旋转椭球，一方面，在不明显改变弹性加工轮质量的情况下，椭球形弹性加工轮可以获得更大、更加丰富的曲率半径，从而增加有效工作面积，提高加工效率，并通过调整弹性椭球加工轮与元件的相对姿态，使单一弹性椭球工具轮能适应不同的元件加工;另一方面，工具轮与光学元件间的间隙地决定了抛光效率，椭球工具轮与光学元件间的间隙变化是连续的，因此，其单点加工区域内的抛光效率也是连续变化的，因此使得EEM在整个光学元件内的作用均匀性得到提高，从而提高整个光学元件的抛光质量;此外，椭球形工具轮与光学元件表面的相互作用力是连续渐变的，这有利于通过外部施力有效地控制工具轮与光学元件表面的间隙，防止表面划伤，提高表面加工质量。
[0023]图2为弹性发射加工装置中不同工具轮间的单点有效加工区域比较。其中待加工光学元件面形20上的局部放大的作用区域200的放大图呈现于图2下方区域。根据不同几何体的性质得到不同工具轮作用下的不同作用区域，作用区域211对应于球形工具轮21，作用区域221对应于柱形工具轮22，作用区域231对应于椭球形工具轮23。可见，椭球形工作轮23在单点具备最大的加工区域，可以很好地提高加工效率。此外，椭球形工具轮23与光学元件表面20的相互作用在工具轮进行移动时是连续渐变的，这有助于连续调整载荷台17上的力，很好地保持工具轮与光学元件表面之间的间隙，从而避免光学元件表面划伤。
[0024]下面结合附图对本发明做以详细说明。
[0025]如图1所示为弹性发射加工的原理装置示意图，它主要由数控主轴箱11，电机12和采用聚氨酯做成的弹性工具轮13构成。弹性工具轮13在数控主轴箱的控制下找到光学元件14上待加工区域，并在电机12的带动下产生旋转，并带动抛光液16，使抛光液具备一定的动能。抛光液16由溶剂和磨粒组成，当运动的磨粒与光学元件14表面接触时，会因为表面结合能的释放在两者之间形成一种结合力，并在抛光液16的带动下脱离光学元件表面，从而实现原子级别的去除量。当向载荷台17添加一微小的力时，可以使十字簧16发生轻微形变，从而较为准确地控制工具轮13与光学元件14间的间隔，避免划伤光学元件。光学元件台15主要起着固定光学元件14的作用。
[0026]弹性工具轮13的剖面为一椭圆，其长轴和短轴分别为a和b(椭球的赤道半径分别为a和b)，且a>b，则电机12的转轴应与长轴相互重合，即弹性椭球形工具轮是该椭圆绕长轴，亦为电机12的转轴所形成的旋转椭球(椭球极半径c与赤道半径b相等)。
[0027]根据二次曲线相关知识，椭球的曲率半径r分布于:
[0028]b2/a<r<a2/b
[0029]则r的分布广度正比于(a/b)3，r的分布越广，则该椭球形弹性工具轮对不同曲率半径的元件加工适用也就越广，一般情况下，当a/b达到5时，已基本可覆盖常用的光学元件曲率半径。当对不同弯曲程度的元件分别进行加工时，保持电机12姿态，亦为椭球形弹性工具轮的姿态不变时，通过改变光学元件台15的姿态，使椭球形弹性工具轮不同部位与不同弯曲程度的元件相接触，从而保持较高的加工效率。
[0030]显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
【主权项】
1.一种用于弹性发射加工的工具轮，其特征在于，该工具轮的形状为椭球，其赤道半径分别为a和b;极半径c与赤道半径b相等;且a>b，a/b不大于5;电机的转轴与工具轮的赤道半径a相互重合。2.根据权利要求1所述的用于弹性发射加工的工具轮，其特征在于，该工具轮的材料为弹性材料。3.根据权利要求2所述的用于弹性发射加工的工具轮，其特征在于，该工具轮的材料为聚氨酯。
【专利摘要】本发明涉及一种用于弹性发射加工的工具轮，属于光学加工领域。通过在弹性发射加工装置中引入具有连续变化曲率半径的椭球形工具轮，可以增大工具轮与光学元件表面的相互作用区域，从而提高加工效率，尤其是凹面光学元件；此外，由于工作轮与光学元件表面的相互作用是连续渐变的，一方面可以避免因工具轮定位误差引起的加工奇点，提高整个光学元件表面加工质量，另一方面使得相邻作用区域间，两者的相互作用也是连续的，从而可以通过施加连续可控的外力，有效控制工具轮与光学元件表面间隙，避免划伤。
【IPC分类】B24B13/02, B24B55/00
【公开号】CN105563271
【申请号】CN201510956315
【发明人】王君, 金春水, 王丽萍, 谢耀
【申请人】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
【公开日】2016年5月11日
【申请日】2015年12月21日