[发明专利]用于光学元件的磁场辅助柔性旋转刷抛光方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于精密光学抛光加工技术领域，特别涉及一种用于光学元件的磁场辅助柔性旋转刷抛光方法及装置。

背景技术

非球面及自由曲面光学元件随着光学设计及加工技术的发展应用的越来越广泛，比较典型的有共形光学整流罩，共形红外探测窗口，显像管校正透镜等。这类光学元件具有高陡度非球面或者自由曲面性质，使得在承担光学系统作用的同时满足空气动力学或结构上的特殊要求。但是，共形光学元件在带来性能上的优势之外，在加工方面带来了许多问题和挑战。传统的光学整流罩和窗口多采用同心球面或者是平面拼接的形式，其加工方法和普通光学球面镜的加工相似，在抛光内外表面阶段都是采用球面或平面沥青模进行，由于抛光模和工件的接触面为球面或平面，所以能够方便的实现摆动和旋转的复合抛光运动，而共形元件的高陡度非球面或是自由曲面特征使得传统的抛光方式无法施加，因此需要研究专门的加工方法和工艺。国外自二十世纪90年代开始展开了针对共形光学的一系列研究工作，美国曾于1996年由国防部高级研究计划局出资1230万美元，联合了罗切斯特大学光学制造中心、得克萨斯仪器公司、波音公司、以及Sinclair光学公司等著名科研院校和企业开展了共形光学设计和制造方法的研究，其中包括针对不同材料的共形光学元件的成型、研磨及抛光方法和工艺的研究。但至今为止，在内凹面抛光加工上，还没有出现较为成熟的自动化加工方法。

在各种抛光加工技术中，比较有发展潜力的是带有确定性去除的柔性磁流变抛光加工工艺。磁流变抛光是美国罗彻斯特(Rochester)大学的COM(光学制造中心)发明，并且近年来由美国QED公司推向商业化应用的精密抛光技术。磁流变液由载液、铁磁微粒、研磨抛光剂和辅助添加剂组成，磁流变液具有流变性，在磁场中能够形成一种具有粘塑性的Bingham体，在合适的外部磁场梯度下，可以使固化的磁流变液形成一个具有剪切应力的柔性抛光模，借助抛光轮的辅助转动，使得该抛光模在工件的被加工区域形成抛光所需的相对运动和压力分布，可以在加工区产生抛光去除分布。由于磁流变在形成柔性抛光模的过程中是不断循环更新的，所以在一定的时间范围内不存在常规磨头的磨损问题，同时在磁场分布和与工件相对位置关系不变的情况下，该抛光模的压力、剪切力和形状等性质也保持相对稳定，所以能够产生稳定的去除分布。通过计算机控制磨光模在加工表面不同位置的驻留时间，便可以对整个加工工件的面形进行控制。

但是这种商用磁流变抛光方法在抛光内凹面时存在局限性。它采用抛光轮固定，工件自转并且摆动的方式进行加工，适用于轴对称光学元件凸面的加工，很难适应曲率半径小的深凹面特别是共形光学整流罩内凹面的加工，其抛光轮无法伸入腔内，或者工件摆动范围有限，无法满足整个内凹面的加工。

除磁流变抛光外，磁力研磨技术也是一种在磁场的辅助下的光整加工技术，磁场使磁性混合研磨料吸附于加工表面，并由于工件的转动产生抛光运动，多用于管状材料内壁光整加工以及铁磁性材料的表面光整加工。该方法目前仅局限于研磨加工阶段，其加工表面质量和去除函数的稳定性及计算机控制能力都达不到高精度光学加工的要求。同时其目前能够见到的作用形式也不能满足共形光学内凹面的加工需求。

发明内容

本发明提供了一种针对薄壁光学元件，特别是共形内凹面加工的磁流变旋转刷抛光方法，该方法的特征在于，包括以下步骤：

(1)工件3由工件夹具11固定于抛光转台12上；抛光主轴1的直径为3～8mm，相应产生的磁流变抛光刷2的工作面覆盖直径为5～15mm；抛光主轴1在加工过程中带动磁流变抛光刷2旋转，实现主抛光运动，通过调节转速来调节加工去除率，转速为60～3000转/分；

(2)抛光主轴1和工件3加工表面之间的区域为磁场强化区，磁场由位于工件3加工表面另一侧的激励磁极4提供；在激励磁极4的磁场激励下，抛光主轴1被磁化，使得抛光主轴1和工件3加工表面之间的空间区域内产生梯度磁场，磁场强度范围为200～3000高斯；

(3)磁流变液进入磁场强化区后产生流变作用，形成类固体状的磁流变抛光刷2并由抛光主轴1带动转动；磁流变抛光刷2内部成链状结构，由磁流变液中的铁粉颗粒在磁场中排列聚集成链而形成，磁流变液中的磨料颗粒受到链化铁粉颗粒的挤压并聚集到加工表面处，同时被磁流变刷的旋转带动在加工表面形成剪切抛光运动；