中心供液小磨头抛光工具的制作方法

本发明属于光学加工工具技术领域，具体涉及一种中心供液小磨头抛光工具。

背景技术：

传统的小磨头抛光工具主要包括软质小磨盘、实心杆、海棉夹层和软质抛光垫；其中实心杆的一端固定在软质小磨盘的上端面中心部位，另一端连接在磨床上；海棉夹层安装在软质小磨盘的下端面，而软质抛光垫则设置在海棉夹层的外表面上，并且软质抛光垫的外表面上设有十安槽；这种小磨头抛光工具是使用游离磨料的接触式加工方法对工件表面进行抛光，即以软质小磨盘作为抛光工具，在加工过程中该工具与工件间直接触并产生相对运动，由此带动工具与工件之间的游离磨料而对工件表面材料进行去除。

虽然传统小磨头抛光工具历史悠久，发展相对成熟，目前已经广泛应用于光学加工的研磨和粗抛阶段，但其缺点是面形控制能力容易受到磨料浓度、磨料种类、磨粒分布、磨头磨损等因素的影响：首先，传统小磨头抛光工具采用四周供液的方式，由于在高转速的加工条件下，工具自转产生离心力等因素，使得抛光液不易进入软质抛光垫的中心区域，致使磨粒分布不均匀，磨粒更新速度慢，且加工产生的热量不易散出，最终导致软质抛光垫的中心区域磨损速度过快，大大降低了软质抛光垫的使用寿命；其次，抛光过程中需要频繁更换软质抛光垫，降低了生产效率，提高了生产成本；最后，磨料分布不均和软质抛光垫磨损速度过快也会引起去除函数的不稳定。因此，传统小磨头抛光工具还有许多的缺点需要克服。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种中心供液小磨头抛光工具。

为了达到上述目的，本发明提供的中心供液小磨头抛光工具包括软质抛光垫、海棉夹层、抛光盘、连接杆、软管、柔性联轴器和电主轴；其中海棉夹层安装在抛光盘的下端面上；软质抛光垫设置在海棉夹层的外表面上；连接杆的一端利用柔性联轴器连接在抛光盘的上端面中心部位，并且内部轴心处贯通形成有一个供液孔，外端口为进液口，同时软质抛光垫、海棉夹层、抛光盘的中心处均形成有一个与连接杆上供液孔相连通的中心孔；软管贴附在供液孔的内圆周面上；电主轴套在连接杆的外部圆周面上，内部设有电动机。

所述的连接杆上的供液孔与软质抛光垫、海棉夹层、抛光盘上的中心孔直径相同。

所述的软质抛光垫为聚氨酯抛光垫，外表面设有十字沟槽，并且十字沟槽的交点位于中心孔处。

本发明提供的中心供液小磨头抛光工具具有如下有益效果：

(1)中心供液小磨头抛光工具将四周供液改进为中心供液，中心区域抛光液供给充分，抛光液将大量加工热量及磨屑带离加工区域，软质抛光垫表面磨损状况要明显优于传统小磨头抛光工具。因此，中心供液方式能够改善软质抛光垫的抗磨性，并将软质抛光垫的使用寿命提高4倍以上，减少软质抛光垫更换频率，降低生产成本。

(2)中心供液方式下，抛光液从工具中心向四周进行供给，相对于四周供液，整个加工区域内磨粒供给更加充分、均匀，磨粒的更新速度也更加稳定，从而使软质抛光垫磨损情况得到很大改善。因此，中心供液小磨头抛光工具在整个加工周期内材料去除效率更加稳定，面形控制能力更强。

附图说明

图1为本发明提供的中心供液小磨头抛光工具结构示意图。

图2(a)和(b)分别为采用传统小磨头抛光工具和本发明提供的中心供液小磨头抛光工具进行30min定点抛光实验后的抛光表面图。

图3(a)和(b)分别为采用传统小磨头抛光工具和本发明提供的中心供液小磨头抛光工具进行60min定点抛光实验后的抛光表面图。

图4为去除斑深度随时间变化趋势曲线图。

图5为传统小磨头抛光工具和本发明提供的中心供液小磨头抛光工具上软质抛光垫磨损情况微观图：(a)5min；(b)10min；(c)15min；(d)20min；(e)25min；(f)30min

图6为原始去除斑对比曲线图。

图7为归一化去除斑对比曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例与附图对本发明作更进一步的阐述。

如图1所示，本发明提供的中心供液小磨头抛光工具包括软质抛光垫1、海棉夹层2、抛光盘3、连接杆4、软管5、柔性联轴器6和电主轴7；其中海棉夹层2安装在抛光盘3的下端面上；软质抛光垫1设置在海棉夹层2的外表面上；连接杆4的一端利用柔性联轴器6连接在抛光盘3的上端面中心部位，并且内部轴心处贯通形成有一个供液孔8，外端口为进液口，同时软质抛光垫1、海棉夹层2、抛光盘3的中心处均形成有一个与连接杆4上供液孔8相连通的中心孔；软管5贴附在供液孔8的内圆周面上；电主轴7套在连接杆4的外部圆周面上，内部设有电动机。

所述的连接杆4上的供液孔8与软质抛光垫1、海棉夹层2、抛光盘3上的中心孔直径相同。

所述的软质抛光垫1为聚氨酯抛光垫，外表面设有十字沟槽，并且十字沟槽的交点位于中心孔处。

现将本发明提供的中心供液小磨头抛光工具使用方法阐述如下：先将整套装置连接好之后，再移动由气浮驱动的电主轴7，使软质抛光垫1接触工件9，然后将连接杆4的外端口与用于提供抛光液10的供液管相连接，启动电主轴7，在电主轴7上电动机的驱动下，本工具将产生高速旋转，与此同时，来自供液管的抛光液10将从连接杆4的外端口经软管5以及软质抛光垫1、海棉夹层2、抛光盘3上的中心孔提供给软质抛光垫1表面和工件9表面之间，然后在对工件9表面进行抛光的同时通过软质抛光垫1上的十字沟槽均匀地向四周供给。材料去除机理与传统小磨头抛光工具基本相同。

为了验证本发明提供的中心供液小磨头抛光工具的效果，本发明人进行了下列实验：

(1)软质抛光垫使用寿命对比实验

本发明人采用四周供液方式的传统小磨头抛光工具和本发明提供的中心供液小磨头抛光工具进行工件抛光时对软质抛光垫磨损情况的影响进行了对比实验，结果如图2和图3所示，其中图3为加工30min后软质抛光垫表面磨损情况，图3为加工60min后抛光垫表面磨损情况。

从图2和图3可以看出，采用四周供液方式的传统小磨头抛光工具进行工件抛光时，致使抛光液在工具高转速的离心作用下不易进入软质抛光垫的中心区域，导致磨粒更新速度慢，且加工过程中产生的热量不易散出，由于抛光粉在软质抛光垫表面聚集成一个环形，往往造成抛光粉聚集区域工件表面材料的去除量变大，导致软质抛光垫使用30min后，中心部分即出现磨损，使用60min后，中心部分出现损坏。

采用本发明提供的中心供液小磨头抛光工具进行工件抛光时，抛光液从工具中心向四周进行供给，磨粒更新速度稳定，磨粒分布均匀，抛光粉没有出现明显的聚集现象，且加工热量由抛光液带离加工区域，软质抛光垫表面磨损状况要明显优于传统小磨头抛光工具。因此，本工具能够延长软质抛光垫的使用寿命。

(2)去除函数效率稳定性对比实验

面形误差收敛效率的提高是抛光工艺研究十分重要的内容，直接影响抛光加工过程的时间，因此需要通过行星运动对去除函数进行gauss形优化。本实验主要研究两种不同供液方式下合成去除函数的效率稳定性。在本实验中，工具自转速度为600rpm，公转速度为120rpm，工具载荷为35n，根据定点抛光去除斑直径适当选取偏心距以保证合成的去除函数具有单峰结构，使用合成的去除函数依次对6块工件进行加工，每块工件加工时间均为5min，对30min内两种供液方式下去除效率进行对比研究。

由图4可以得到如下结论：首先，在两种供液方式下，材料去除效率均随着加工时间的推移而提高，在四周供液方式下，材料去除率随加工时间变化更加剧烈，前25min内，去除效率的平均变化率达到0.3μm/min，由于去除效率的平均变化率过大，因此无法应用在面型修整过程中，在25min之后，去除效率接近稳定。其次，在中心供液方式下，材料去除率稳定，前15min内，去除效率的平均变化率小于0.03μm/min，在15min以后，去除效率的平均变化率达到0.09μm/min，相比于四周供液方式，去除效率的平均变化率更加稳定。另外，中心供液方式使抛光液供给更加有效，磨粒分布更加均匀，因此中心供液方式初始阶段的材料去除效率要明显高于传统四周供液方式。

随后，观察本实验过程中抛光垫磨损情况，对比结果如图5所示。由图5可知，在四周供液方式下，在0～20min期间，由于表面磨损，软质抛光垫参与加工的有效面积在不断增加，同时，由于工具的行星运动方式使得工具上各点的运动轨迹得到均化，在一定程度上减少了抛光粉的聚集现象，但聚集现象依然存在，由实验结果分析可知，聚集现象随着加工时间变得越来越明显，在20～30min期间，软质抛光垫磨损严重，在与工件接触的区域已经磨损成光面，抛光粉聚集现象也越来越严重；相比四周供液方式的实验结果，中心供液方式下，30min内，软质抛光垫磨损情况明显优于四周供液方式，且抛光粉聚集现象得到改善。

对比实验结果可知，在四周供液方式下，在0～20min期间，软质抛光垫的磨损越来越明显，使得其材料去除效率逐渐增大，在20～30min期间，软质抛光垫磨损严重且趋于平稳，使得材料去除效率增速趋于平缓，同时抛光粉的聚集现象严重，大量聚集的磨粒容易对光学元件表面造成划伤，即此时的软质抛光垫已经不适合用于光学表面加工。在中心供液方式下，由于磨粒供给充分，加工初期的材料去除率大于四周供液方式，同时，抛光垫磨损情况得到很大改善，整个加工周期内材料去除效率更加稳定。

(3)去除函数形状对比实验

本实验主要研究对比两种供液方式下定点去除斑轮廓。实验对比结果如图6和图7所示：图6表示工具转速为600rpm，工具载荷为35n时，两种供液方式下去除斑轮廓的对比图，由图可见，由于磨粒的充分供给，分布均匀，中心供液方式下参与加工的磨粒数量较多，材料去除效率较高。图7表示归一化后的去除斑轮廓对比图，分析易知，在四周供液方式下，由于工具高速转动的离心力作用，磨粒不易进入工具中心区域，磨粒分布不均导致中心部分去除量下降较快，且变化趋势呈非线性；在中心供液方式下，由于抛光液磨粒的稳定供给，改善了磨粒分布的均匀性，使得中心部分材料去除量更加丰满，且变化趋势呈线性。

结合以上三个实施例可知，本发明提供的中心供液小磨头抛光工具相比传统小磨头抛光工具，不仅可以减少软质抛光垫的磨损、提高软质抛光垫的使用寿命，而且能够提高抛光效率的稳定性，提高面型控制能力，同时，定点抛光中心去除量更加丰满，合成的去除函数单峰也更宽一些。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅是示意性的，而不是限制性的，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均属本发明的保护范围。