专利名称：一种小口径回转轴对称光学元件抛光装置及方法
技术领域：
本发明属于超精密光学抛光加工技术领域，涉及一种适用于加工小口径回转轴对称光学元件曲面的流体抛光装置及方法。
背景技术：
随着小口径光学元件在数码相机、手机、摄影装置、内窥镜、瞄准系统等产品中需求量急剧增长，其加工表面质量要求也越来越高。对小口径回转轴对称的光学元件及模具，一般采用磨削工艺能够达到较高的形状精度与光滑镜面，但在要求严格的场合，磨削后产生的表面缺陷与损伤必须利用游离磨粒抛光以改善表面质量。针对几毫米以下的小口径回转轴对称工件的抛光，由于抛光头难以进入微小抛光区，传统的粘弹性抛光头结合游离磨料的抛光工艺很难应用于微小或高陡度的凹形光学零件的自动抛光。由于微细磨料流体容易进入微小加工区域，流体喷射抛光可以作为镜面磨削后进一步提高表面质量和减少表面 缺陷的抛光工序。目前采用高压磨粒射流方式进行抛光。但传统的高压磨粒射流在开放式的常压空气环境中进行，流体受空气动力扰动大，向外扩展影响大，导致抛光点大，从而致使射流束的最小加工尺度受限，而且难以实现形状修正抛光；另外，用于高压射流的高压发生装置结构较复杂，能耗大，成本高，性能不稳定。
发明内容
针对现有小口径回转轴对称光学元件在抛光时，抛光工具难以进入抛光区、高压射流存在部分技术缺陷，本发明旨在提供一种小口径回转轴对称光学元件抛光装置和利用该装置进行的小口径回转轴对称光学元件的负压吸流抛光方法。该方法首先设计出密封加工区域的负压差，产生吸流效应与空穴效应，利用负压产生的吸流效应使微细磨料从微小限流喷嘴中吸出并对加工面进行微切削，同时负压空穴效应产生的微射流增强流体的冲蚀能力，进而获得超光滑曲面。为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是
所述小口径回转轴对称光学元件抛光装置包括密封容器机构2，安装于密封容器机构2内腔中的工作台驱动系统1，与密封容器机构2连接的抛光流体循环系统3 ；
所述工作台驱动系统I包括能上下运动的伺服升降平台11，设于伺服升降平台11上的能旋转运动的伺服旋转平台12，设于伺服旋转平台12上用于固定回转轴对称曲面工件15的工件支撑台13 ；
所述密封容器机构2包括圆形支撑台21，设于圆形支撑台21上的密封圆筒22，套在密封圆筒22上部且通过可调定位块24与密封圆筒22锁紧连接的密封支撑盖26 ;所述可调定位块24、密封圆筒22和密封支撑盖26之间由调位密封圈25密封；所述密封支撑盖26外侧壁上设有伺服摆动电机27 ;所述工件支撑台13与密封圆筒22内壁之间的环隙由旋转密封圈14密封，使密封容器机构2内腔上部形成密封的负压空间；
所述抛光流体循环系统3包括内部设有搅拌器305的储液箱304，与储液箱304出口连接的吸入管306，与吸入管306连接的摆动管308，与储液箱304进口连接的回流管303，与回流管303连接的吸流泵302，与吸流泵302连接的吸出管301 ;所述吸出管301与密封支撑盖26顶部连通；所述摆动管308末端设有限流喷嘴309 ;所述摆动管308穿过伺服摆动电机27中心主轴和密封支撑盖26后伸入密封容器机构2内腔上部负压空间，其末端限流喷嘴309指向工件支撑台13的中心；所述摆动管308与密封支撑盖26之间的环隙由摆动密封圈28密封。其中，所述可调定位块24上设有锁紧螺钉23，可调定位块24可以旋转调节密封支撑盖26的高·度并利用锁紧螺钉23将密封支撑盖26与密封圆筒22锁紧；所述限流喷嘴309的限流通道形状可以为如图4(a)所示的双喇叭(圆锥圆柱圆锥)形，如图4(b)所示的圆锥圆柱形，如图4(c)所示的圆柱形或者如图4(d)所示的圆锥形；所述限流喷嘴309的材料为陶瓷材料；所述工件支撑台13为铝合金材料；所述密封圆筒22采用钢化玻璃材料制作；所述吸流泵302为变量泵，对工件抛光过程中，吸流泵302的真空度大于80%。作为一种改进，所述吸入管306与摆动管308之间的管道上设有吸入泵307 ;所述吸入泵307为变量泵，对工件抛光过程中，吸入泵307压力小于4MPa。本发明还提供了一种基于上述装置的小口径回转轴对称光学元件抛光方法，包括如下步骤
(1)将小口径回转轴对称曲面工件15固定在工件支撑台13上，调节回转轴对称曲面工件15曲面与限流喷嘴309之间的距离为2mm IOmm ；
(2)在储液箱304内加入含有细微磨粒311的抛光流体；启动搅拌器305和吸流泵302，降低负压空间内的压强，使抛光流体经吸入管306、摆动管308后从限流喷嘴309射出并对回转轴对称曲面工件15进行抛光，再经吸出管301、回流管303回到储液箱中，抛光流体在整个加工过程中不停循环流动；
(3)开启伺服升降平台11，带动回转轴对称曲面工件15上下运动；开启伺服旋转平台12，带动回转轴对称曲面工件15旋转；开启伺服摆动电机28，使限流喷嘴309相对于回转轴对称曲面工件15的曲面摆动；实现回转轴对称曲面工件15曲面的抛光。当装置中安装有吸入泵307时，所述步骤(2)则为在储液箱304内加入抛光流体；启动搅拌器305、吸入泵307和吸流泵302，降低负压空间内的压强，使抛光流体经吸入管306、摆动管308后从限流喷嘴309射出并对回转轴对称曲面工件15进行抛光，再经吸出管301、回流管303回到储液箱中，抛光流体在整个加工过程中不停循环流动。其中，所述抛光流体为本领域在流体抛光工艺中常规使用的含有微细磨粒的抛光流体。下面结合工作原理对本发明作进一步说明
本发明将工作台驱动系统I安装于密封容器机构2内腔中，并且通过密封圈将部件密封，在密封容器机构2内腔上部形成密封的负压空间。用本发明的方法对回转轴对称曲面工件15进行抛光时，当吸入泵307与吸流泵301运行，负压空间内的压强降低，形成负压，而摆动管308内的压强要高于或等于大气压强，从而在限流喷嘴309出口处形成较高的压强差，负压空间产生的吸流效应使抛光流体以较高速度从限流喷嘴309中射出，并在负压环境中向周围扩散及向上吸出。具有一定流速的抛光流体在负压状态下对小口径回转轴对称曲面或微结构表面进行滑擦、剪切。同时，当抛光流体通过负压吸入到密封的负压空间时，从限流喷嘴309射出的抛光流体在局部低压时产生较强的空穴效应，形成大量微小空穴气泡310，这些空穴气泡在工作面附近及工作面壁上长大、压缩、溃灭，并形成微射流冲击壁面，在极小空间内产生瞬时的高温高压，形成强烈的冲击波和高速微射流冲击，从而使物体表面在非常小的区域迅速破坏而冲蚀。在负压环境中，微细磨粒311喷射与空穴气泡310冲蚀同时进行材料去除，从而抛光工件表面，降低表面磨痕深度和亚表面缺陷。另外，通过控制吸入泵307与吸流泵302压力，通过调整伺服升降平台11、伺服旋转平台12、伺服摆动电机27的工艺方式，使工件旋转速度、上下移动速度、限流喷嘴摆动角度与速度等的加工参数达到最佳状态，完成小口径回转轴对称曲面工件15的自动化抛光。与现有技术相比，本发明的有益效果是
本发明的抛光装置中形成了密封的负压空间，在抛光时利用负压差的吸流效应使抛光流体吸出、复合负压空穴效应对工件面进行加工，将加工的常压环境转换为负压环境，减少喷射过程中空气干扰，使抛光点缩小，从而增强微细磨粒的滑擦作用与稳定性；同时负压空穴效应形成强烈的空穴冲击波和高速微射流，有效地提高工件表面的去除效率。因此，在磨粒切削与空穴冲蚀两方面共同作用下进行材料去除，能获得高质量的表面。它适用于各种·回转对称曲面光学元件的抛光加工，对于自动化加工有很高的实用价值。
图I是本发明所述小口径回转轴对称光学元件抛光装置一种实施例的结构示意 图2是本发明所述小口径回转轴对称光学元件抛光装置一种实施例中装有工作台驱动系统的密封容器机构的立体结构示意 图3是采用本发明装置抛光时抛光流体负压吸流抛光的示意 图4是本发明所述限流喷嘴限流通道的结构示意 图5是本发明所述小口径回转轴对称光学元件抛光装置另一种实施例的结构示意图。在图中
I 一工作台驱动系统， 11 一伺服升降平台， 12—伺服旋转平台，
13—工件支撑台， 14 一旋转密封圈， 15—回转轴对称曲面工件，
2—密封容器机构， 21—圆形支撑台，22—密封圆筒，
23—锁紧螺钉， 24—可调定位快，25—调位密封圈，
26—密封支撑盖， 27—伺服摆动电机， 28—摆动密封圈，
3 一抛光流体循环系统， 301—吸出管， 302—吸流栗，
303—回流管， 304—储液箱， 305—搅拌器，
306—吸入管， 307—吸入泵， 308—摆动管，
309—限流喷嘴， 310—空穴气泡， 311—微细磨粒。
具体实施例方式实施例I
参见图1，所述小口径回转轴对称光学元件抛光装置包括密封容器机构2，安装于密封容器机构2内腔中的工作台驱动系统1，与密封容器机构2连接的抛光流体循环系统3 ；所述工作台驱动系统I包括能上下运动的伺服升降平台11，设于伺服升降平台11上的能旋转运动的伺服旋转平台12，设于伺服旋转平台12上用于固定回转轴对称曲面工件15的工件支撑台13 ；
所述密封容器机构2包括圆形支撑台21，设于圆形支撑台21上的密封圆筒22，套在密封圆筒22上部且通过可调定位块24与密封圆筒22锁紧连接的密封支撑盖26 ;所述可调定位块24、密封圆筒22和密封支撑盖26之间由调位密封圈25密封；所述密封支撑盖26外侧壁上设有伺服摆动电机27 ;所述工件支撑台13与密封圆筒22内壁的环隙由旋转密封圈14密封，使密封容器机构2内腔上部形成密封的负压空间；
所述抛光流体循环系统3包括内部设有搅拌器305的储液箱304，与储液箱304出口连接的吸入管306，与吸入管306连接的摆动管308，与储液箱304进口连接的回流管303，与回流管303连接的吸流泵302，与吸流泵302连接的吸出管301 ;所述吸出管301与密封支撑盖26顶部连通；所述摆动管308末端设有限流喷嘴309 ;所述摆动管308穿过伺服摆动电机27中心主轴和密封支撑盖26后伸入密封容器机构2内腔上部负压空间，其末端限流喷嘴309指向工件支撑台13的中心；所述摆动管308与密封支撑盖26之间的环隙由摆动密封圈28密封。其中，所述可调定位块24上设有锁紧螺钉23，可调定位块24可以旋转调节密封支撑盖26的高度并利用锁紧螺钉23将密封支撑盖26与密封圆筒22锁紧；所述限流喷嘴309的限流通道形状为圆柱形；所述限流喷嘴309的材料为陶瓷材料，其内径为O. 3mm ;所述工件支撑台13为铝合金材料；所述密封圆筒22采用透明钢化玻璃材料制作；所述吸流泵302为变量泵，对工件抛光过程中，吸流泵302的真空度大于80%。实施例2
参见图5，所述小口径回转轴对称光学元件抛光装置包括密封容器机构2，安装于密封容器机构2内腔中的工作台驱动系统1，与密封容器机构2连接的抛光流体循环系统3 ；所述工作台驱动系统I包括能上下运动的伺服升降平台11，设于伺服升降平台11上的能旋转运动的伺服旋转平台12，设于伺服旋转平台12上用于固定回转轴对称曲面工件15的工件支撑台13 ；
所述密封容器机构2包括圆形支撑台21，设于圆形支撑台21上的密封圆筒22，套在密封圆筒22上部且通过可调定位块24与密封圆筒22锁紧连接的密封支撑盖26 ;所述可调定位块24、密封圆筒22和密封支撑盖26之间由调位密封圈25密封；所述密封支撑盖26外侧壁上设有伺服摆动电机27 ;所述工件支撑台13与密封圆筒22内壁的环隙由旋转密封圈14密封，使密封容器机构2内腔上部形成密封的负压空间；
所述抛光流体循环系统3包括内部设有搅拌器305的储液箱304，与储液箱304出口连接的吸入管306，与吸入管306连接的摆动管308，与储液箱304进口连接的回流管303，与回流管303连接的吸流泵302，与吸流泵302连接的吸出管301 ;所述吸出管301与密封支撑盖26顶部连通；所述摆动管308末端设有限流喷嘴309 ;所述摆动管308穿过伺服摆动电机27中心主轴和密封支撑盖26后伸入密封容器机构2内腔上部负压空间，其末端限流喷嘴309指向工件支撑台13的中心；所述摆动管308与密封支撑盖26之间的环隙由摆动密封圈28密封。其中，所述可调定位块24上设有锁紧螺钉23，可调定位块24可以旋转调节密封支撑盖26的高度并利用锁紧螺钉23将密封支撑盖26与密封圆筒22锁紧；所述限流喷嘴309的限流通道形状为圆柱形；所述限流喷嘴309的材料为陶瓷材料，其内径为O. 3mm ;所述工件支撑台13为铝合金材料；所述密封圆筒22采用透明钢化玻璃材料制作；所述吸流泵302为变量泵，对工件抛光过程中，吸流泵302的真空度大于80%。所述吸入管306与摆动管308之间的管道上设有吸入泵307 ;所述吸入泵307为变量泵，对工件抛光过程中，吸入泵307压力小于4MPa。实施例3
基于本发明装置的小口径回转轴对称光学元件抛光方法，包括如下步骤 (1)将小口径回转轴对称曲面工件15固定在工件支撑台13上，调节回转轴对称曲面工件15曲面与限流喷嘴309之间的距离为4mm ；
(2)在储液箱304内加入含有细微磨粒311的抛光流体；启动搅拌器305和吸流泵302，降低负压空间内的压强，使抛光流体经吸入管306、摆动管308后从限流喷嘴309射出并对回转轴对称曲面工件15进行抛光，再经吸出管301、回流管303回到储液箱中，抛光流体在整个加工过程中不停循环流动；吸流泵302真空度为80%。(3 )开启伺服升降平台11，带动回转轴对称曲面工件15上下运动；开启伺服旋转平台12，带动回转轴对称曲面工件15旋转；开启伺服摆动电机28，使限流喷嘴309相对于回转轴对称曲面工件15的曲面摆动；实现回转轴对称曲面工件15曲面的抛光。所述抛光流体由氧化铺磨粒、水基液和高聚物添加剂组成；其中，氧化铺磨粒的体积分数为10%，水基液的体积分数80%，高聚物添加剂的体积分数10% ;氧化铈磨粒的粒径为O. 03 μ mD实施例4
基于本发明装置的小口径回转轴对称光学元件抛光方法，包括如下步骤
(1)将小口径回转轴对称曲面工件15固定在工件支撑台13上，调节回转轴对称曲面工件15曲面与限流喷嘴309之间的距离为4mm ；
(2)在储液箱304内加入抛光流体；启动搅拌器305、吸入泵307和吸流泵302，降低负压空间内的压强，使抛光流体经吸入管306、摆动管308后从限流喷嘴309射出并对凹面非球面工件15进行抛光，再经吸出管301、回流管303回到储液箱中，抛光流体在整个加工过程中不停循环流动；吸入泵307压力为I. 5MPa，吸流泵302真空度为80%。(3 )开启伺服升降平台11，带动回转轴对称曲面工件15上下运动；开启伺服旋转平台12，带动回转轴对称曲面工件15旋转；开启伺服摆动电机28，使限流喷嘴309相对于回转轴对称曲面工件15的曲面摆动；实现回转轴对称曲面工件15曲面的抛光。所述抛光流体由氧化铺磨粒、水基液和高聚物添加剂组成；其中，氧化铺磨粒的体积分数为10%，水基液的体积分数80%，高聚物添加剂的体积分数10% ;氧化铈磨粒的粒径为
O.03 μ mD上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本中请所附权利要求所限定的范围。
权利要求
1.一种小口径回转轴对称光学元件抛光装置，其特征在于，所述装置包括密封容器机构(2)，安装于密封容器机构(2)内腔中的工作台驱动系统(1)，与密封容器机构(2)连接的抛光流体循环系统(3)； 所述工作台驱动系统(I)包括伺服升降平台(11)，设于伺服升降平台(11)上的伺服旋转平台(12)，设于伺服旋转平台(12)上用于固定回转轴对称曲面工件(15)的工件支撑台(13)； 所述密封容器机构(2)包括圆形支撑台(21)，设于圆形支撑台(21)上的密封圆筒(22)，套在密封圆筒(22)上部且通过可调定位块(24)与密封圆筒(22)锁紧连接的密封支撑盖(26);所述可调定位块(24)、密封圆筒(22)和密封支撑盖(26)之间由调位密封圈(25)密封；所述密封支撑盖(26)外侧壁上设有伺服摆动电机(27);所述工件支撑台(13)与密封圆筒(22)内壁之间的环隙由旋转密封圈(14)密封，使密封容器机构(2)内腔上部形成密封的负压空间； 所述抛光流体循环系统(3)包括内部设有搅拌器(305)的储液箱(304)，与储液箱(304)出口连接的吸入管(306)，与吸入管(306)连接的摆动管(308)，与储液箱(304)进口连接的回流管(303 )，与回流管(303 )连接的吸流泵(302 )，与吸流泵(302 )连接的吸出管(301);所述吸出管(301)与密封支撑盖(26 )顶部连通；所述摆动管(308 )末端设有限流喷嘴(309);所述摆动管(308)穿过伺服摆动电机(27)中心主轴和密封支撑盖(26)后伸入密封容器机构(2)内腔上部负压空间，其末端限流喷嘴(309)指向工件支撑台(13)的中心；所述摆动管(308 )与密封支撑盖(26 )之间的环隙由摆动密封圈(28 )密封。
2.如权利要求I所述的抛光装置，其特征在于，所述吸入管(306)与摆动管(308)之间的管道上设有吸入泵(307)。
3.如权利要求I所述的抛光装置，其特征在于，所述可调定位块(24)上设有锁紧螺钉(23)。
4.如权利要求I所述的抛光装置，其特征在于，所述限流喷嘴(309)的限流通道形状为圆锥圆柱圆锥形、圆锥圆柱形、圆柱形或圆锥形。
5.如权利要求I所述的抛光装置，其特征在于，所述限流喷嘴(309)的材料为陶瓷材料；所述工件支撑台(13)为铝合金材料；所述密封圆筒(22)采用钢化玻璃材料制作。
6.如权利要求I所述的抛光装置，其特征在于，所述吸流泵(302)为变量泵。
7.如权利要求2所述的抛光装置，其特征在于，所述吸入泵(307)为变量泵。
8.一种基于权利要求I至7任一项所述装置的小口径回转轴对称光学元件抛光方法，包括如下步骤 (I)将小口径回转轴对称曲面工件(15)固定在工件支撑台(13)上，调节回转轴对称曲面工件(15)曲面与限流喷嘴(309)之间的距离为2mm IOmm; (2 )在储液箱(304)内加入抛光流体；启动搅拌器(305 )和吸流泵(302 )，降低负压空间内的压强，使抛光流体经吸入管(306)、摆动管(308)后从限流喷嘴(309)射出并对回转轴对称曲面工件(15)进行抛光，再经吸出管(301)、回流管(303)回到储液箱中，抛光流体在整个加工过程中不停循环流动； (3)开启伺服升降平台(11)，带动回转轴对称曲面工件(15)上下运动；开启伺服旋转平台(12)，带动回转轴对称曲面工件(15)旋转；开启伺服摆动电机(28)，使限流喷嘴(309)相对于回转轴对称曲面工件(15)的曲面摆动；实现回转轴对称曲面工件(15)曲面的抛光。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)是在储液箱(304)内加入抛光流体；启动搅拌器(305)、吸入泵(307)和吸流泵(302)，降低负压空间内的压强，使抛光流体经吸入管(306 )、摆动管(308 )后从限流喷嘴(309 )射出并对回转轴对称曲面工件(15 )进行抛光，再经吸出管(301)、回流管(303)回到储液箱中，抛光流体在整个加工过程中不停循环流动。
全文摘要
本发明公开了一种小口径回转轴对称光学元件抛光装置及方法。该装置包括密封容器机构，安装于密封容器机构内腔中的工作台驱动系统，与密封容器机构连接的抛光流体循环系统；密封容器机构内腔上部形成负压空间。抛光时利用负压差的吸流效应使抛光流体吸出、复合负压空穴效应对工件面进行加工，将加工的常压环境转换为负压环境，减少喷射过程中空气干扰，使抛光点缩小，增强微细磨粒的滑擦作用与稳定性；同时负压空穴效应形成强烈的空穴冲击波和高速微射流，提高了工件表面的去除效率。在磨粒切削与空穴冲蚀共同作用下进行材料去除，获得高质量的表面。该装置适用于各种回转对称曲面光学元件的抛光加工，对于自动化加工有很高的实用价值。
文档编号B24C3/02GK102873643SQ20121039958
公开日2013年1月16日 申请日期2012年10月19日 优先权日2012年10月19日
发明者陈逢军, 尹韶辉, 胡天, 余剑武, 许志强 申请人:湖南大学