[發明專利]一種薄層流體式低應力拋光裝置

有效

• 申請號: 201310214081.0
• 申請日: 2013-05-31
• 公開（公告）號: CN103317393A
• 公開（公告）日: 2013-09-25
• 發明（設計）人: 馮云鵬;程灝波;蘇景詩;王譚;譚漢元;丁仁強
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: B24B1/00
• 分類號: B24B1/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種薄層流體式低應力拋光裝置，特別涉及對薄型光學元件的電流變拋光液流動拋光裝置，屬于超精密光學加工領域。

背景技術

隨著科技的發展，現代光學系統對光學元件表面的精度要求越來越高，除了常規的PV，RMS等指標外，還表現在超光滑，無亞表面損傷，全波段（有效口徑內波前的各種空間頻率成分）誤差抑制、輕質薄型等方面。激光慣性約束核聚變裝置需要的高精度光學元件對表面上高、中、低各頻段誤差均有嚴格要求，一般采用美國LLNL實驗室提出的功率譜密度(Power?Spectral?Density?function，PSD)指標進行評價，要求光學元件的功率譜線均處于特征曲線之下?？臻g光學系統的快速發展受到運載工具的限制，對光學元件提出超輕量化要求，通常用面密度來評價輕量化的程度。高精度、輕質薄型光學元件不僅在空間光學系統中占有重要地位，在消費電子、儀器儀表等領域的需求也越來越多，在儀器小型化、輕便化過程中發揮著重要作用。如超輕超薄鏡頭已經成為未來相機市場的一個重要分支；同樣在微型無人操作的空間儀器和可攜帶紅外望遠鏡等領域具有實際應用價值。

電流變拋光技術是一種新興的光學表面加工技術，與小工具頭研拋技術相比，具有去除精確度高，可控性強，無明顯邊緣效應等特點，是一種微量去除技術。1939年，美國學者W.M.Winslow發現了電流變效應，即Winslow效應，并開展了大量的實驗。電流變液由分散相（固體粒子）和連續相（基礎液）組成。分散相粒子是介電系數較高的物質微粒，在電場的作用下，分散相粒子被極化并互相吸引，在基礎液中運動，沿電場線形成首尾相接的鏈狀結構，如果電場進一步增強，粒子鏈會增粗、交織，甚至形成網狀結構；極化粒子之間的吸引力大小會影響到粒子鏈的強度，因此，電場強度越大，極化粒子之間的吸引力越強，粒子鏈的強度就越大，直到粒子的極化程度不再增加，此時粒子鏈的強度達到最大值。這種粒子成鏈特性在宏觀上影響液體的表觀黏度，在電場的作用下，液體表面黏度發生改變，從牛頓流體變為Binham流體。當電場強度高于液體的臨界值時，液體會瞬間固化，其不僅可以保持自身的形狀，具有一定的抗剪切能力，還表現出固體特有的屈服現象。當撤去電場后，電流變液會迅速恢復牛頓流體狀態。其固液狀態的轉化時間在毫秒量級。

1999年，日本東北大學的學者Kuriyagawa首次將電流變效應應用于光學加工領域，稱為電流變拋光技術（Electrorheological?Finishing，ERF），在電流變液中混入拋光磨料，施加電場時，電流變液在工具電極附近形成具有一定表觀黏度和剪切力的柔性拋光模，并跟隨工具電極的運動對工件表面產生剪切材料去除，實現對工件的拋光。目前應用這種技術的工具有針狀電極和輪狀電極；對于針狀電極拋光工具，由于其剪切速度小且拋光壓力有限，導致去除效率較低；對于輪狀電極拋光工具，其增加了拋光的相對速度，但是拋光壓力主要還是依賴于液體發生電流變效應后的屈服應力，因此拋光壓力的變化范圍受到所施加電場的限制。

流體拋光技術包括磨料流拋光技術(Abrasive?Flow?Machining)，磨料水射流拋光技術（Fluid?Jet?Finishing）等，主要利用流體的流動性或沖擊特性，實現對工件表面的材料去除。磨料流拋光技術是一種常用于內表面平滑和拋光的方法，可以完成常規方法難以完成的內表面拋光問題，但這種方法加工出的工件表面比較粗糙，易產生下表面破壞層，不能加工出精密的光學元件。磨料水射流拋光技術由于噴射出的流束受縱向和橫向壓力梯度的突然變化導致射流束逐漸推動一致性，并隨著射流的速度和離噴嘴距離的顯著增加更進一步破壞射流束的穩定性，最終影響去除函數的穩定性和拋光的精度。因而產生了在噴口處利用局部軸向磁場穩定射流束，消除初始擾動的磁射流拋光技術（Magnetorheological?Jet?Polishing,MJP），其具有射流束一致性良好、去除函數穩定、拋光精度高等優點，其和電流變技術、磨料水射流技術等屬小工具拋光范疇，在拋光過程中可以適應工件表面曲率的變化，但也具有材料去除率相對較小，加工效率相對較低，易產生中高頻誤差的缺點。

發明內容：

本發明的目的針對薄形光學元件的加工設計了一種薄層流體式低應力拋光裝置，提供了一種對薄型光學元件表面進行確定性去除的同時，實現全口徑平滑的方法，有效的提高了整體的加工效率，同時可以改善光學表面的中高頻特性。