一种多场复合非接触抛光装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种多场复合非接触抛光装置与方法，可通过温度场、电场、磁场、化学场、机械场多场复合下实现工件高效率和高质量的抛光，温度控制系统可以实现非接触抛光液温度的恒定控制，保证抛光进程中抛光液始终在恒定的温度场中保持良好的剪切增稠效应。交变电源在介电介质中极化的磨粒受到介电泳力产生运动，防止在抛光进程中大部分磨粒的沉降，提高抛光去除率。在抛光工具和工件之间施加一个磁场，促使抛光液中磁性磨粒吸附于工件被加工表面，使磨粒能更多地进入到工件复杂表面的角落中，并增大抛光时磨粒对工件表面的压力，提高抛光效率。抛光液中的氧化剂通过磨粒的机械作用去除表面氧化层，这样周而复始最终可达到高质量的表面。的表面。的表面。

【技术实现步骤摘要】
一种多场复合非接触抛光装置与方法


[0001]本专利技术属于超精密加工
，具体涉及一种多场复合非接触抛光装置与方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着光电子技术向微型、集成方向发展，微小拓扑几何尺寸的高精度微细结构光学元件因其具有集成度高、轻量化、成像质量高、分辨率高的技术优势得到了广泛应用。如菲涅尔结构、微透镜阵列、微棱镜结构在很多光学系统中发挥着成像、聚焦和照明等作用。对于微细结构元件而言，面形精度决定其功能，表面质量决定其性能。因此，对表面质量要求较高的微结构光学元件往往需要在精密加工后进行抛光处理，以消除表面/亚表面损伤，改善微结构的表面质量，提高微结构交接处的完整性。
[0003]以非牛顿流体为抛光介质的非接触抛光方法是近年来提出的新型超精密加工工艺。该方法通过剪切增稠形成“粒子簇”，增强抛光液中磨粒的约束力，在加工位置形成一个“柔性固着磨具”，从而通过磨粒的微切削作用实现微结构表面材料的去除达到抛光的目的。抛光过程中，工具与工件之间不发生直接接触，可以在不损伤工件表面的前提下进行高精度抛光。因此，该抛光方法多用于复杂微结构光学元件的抛光。但该方法主要是将工件浸在抛光液中进行抛光，抛光液中的磨粒易沉降，导致抛光液浓度不均，与工件实际接触的磨粒较少，抛光效率低，抛光质量差。
[0004]中国专利CN 114473718 A公布了一种光学透镜非接触抛光方法及装置，该专利技术基于剪切增稠原理，可以实现对曲面透镜的低损伤/无损伤抛光，保证良好的面型精度。但对于表面结构更加复杂的微细结构则无法进行保形高质量加工。中国专利CN102717325A公布了一种基于非牛顿流体剪切增稠效应的超精密曲面抛光方法，该专利技术利用非牛顿流体的剪切增稠效应实现了对各种曲面的高质量高效抛光，但该专利技术仅适用于易夹持和旋转工件，且抛光过程中磨粒易沉降导致抛光效率降低。中国专利CN103331685A公布了一种基于非牛顿流体剪切增稠机理抛光方法的加工装置，该专利技术可实现对平面、球面、非球面、各类复杂曲面进行抛光，但对于表面具有复杂微细结构的工件，则较难保持微结构的面型精度。中国专利CN 216152043 U公布了一种电场磁场耦合磁流变复合抛光盘及抛光机，该专利技术通过施加电场和磁场的耦合产生的电流变和磁流变效应对工件进行非接触式抛光。但该专利技术是通过夹具夹持工件放入抛光液中旋转，仅依靠抛光液形成的“柔性磨头”进行抛光，抛光效率低且抛光质量差。中国专利CN 111716232B公布了一种微细结构的抛光方法和装置，该专利技术基于非牛顿流体的剪切增稠效应，通过夹具夹持工件振动以实现高效抛光，能达到很好的表面粗糙度和面形精度。但该装置仅适用于小型工件的夹持振动加工，且随着抛光的进行，抛光液中的磨粒不可避免地沉淀，无法很好地贴近在工件表面以持续高效高质量加工。
[0005]因此，针对目前复杂结构光学元件抛光过程中出现的保形效果差、抛光效率低，抛光后表面质量较差问题，亟待提出一种新的抛光方法和装置，提高抛光效率、保证面形精度的同时提高表面质量。

技术实现思路

[0006]本专利技术在于克服现有技术不足，提供一种能提高抛光效率、保证面形精度的同时提高表面质量的多场复合非接触抛光装置与方法。
[0007]本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案是：
[0008]一种多场复合非接触抛光装置，包括控制器、抛光液槽、抛光液温度控制系统、抛光工具、交变电源、磁铁、转台和夹具。
[0009]所述的抛光液温度控制系统包括加热棒、热电偶、外接电源和控制器。所述加热棒置于抛光液上层，所述热点偶安装在抛光液槽内壁、用于实时监测抛光液槽内抛光液温度。加热棒和热电偶均与电源和控制器相连。加热棒根据需要手动启动控制器进行加热抛光液，热电偶实时监测抛光液槽内抛光液温度并将模数转换后的信号传递回控制器，由控制器控制加热棒是否持续加热从而实现抛光液槽中抛光液温度恒定的精准控制。
[0010]所述的夹具将工件固定在旋转工作台上，抛光液灌入抛光液槽中直至覆盖抛光工具和工件的间隙内部，在抛光工具的高速旋转和工件的旋转下发生增稠现象，实现对工件表面材料的剪切去除。
[0011]所述的交变电源的正负极分别与抛光工具和工件相连，使得抛光工具和工件间的间隙产生一个电场，抛光液中的磨粒因为极化效应，在电场的作用下磨粒受到一定的斥力和引力发生运动，使得磨粒大多分布在抛光工具的抛光表面和工件的被加工表面，防止磨粒沉降。
[0012]所述的磁铁固定在旋转工作台上，位于夹具的正下方，为抛光工具和工件间提供一个磁场，使抛光液中的磁性磨粒紧紧吸附在工件的被加工表面。
[0013]进一步地，所述的抛光液为剪切增稠抛光液，包括去离子水、多羟基聚合物粒子、磨粒、氧化剂和pH调节剂。所述多羟基聚合物粒子的比例为35
‑
45wt％；所述磨粒选用二氧化硅，粒径为50nm；选择加入磁性磨粒，磨粒比例为15～25wt％；氧化剂选用双氧水，比例为0.6％；pH剂采用柠檬酸，调节pH值至9，其余均为去离子水。
[0014]进一步地，所述的抛光工具包括阻尼抛光垫包裹的一般抛光工具和仿形抛光工具。
[0015]一种多场复合非接触抛光方法，利用多场复合非接触抛光装置进行抛光，包括如下步骤：
[0016]A、先将工件通过夹具固定在旋转工作台上，根据工件形状及表面为特征形貌选择不同类型抛光工具：对于平行微细结构工件且微特征深度小于100μm时，采用的抛光工具为圆柱工具微结构特征深度大于100μm时，采用的抛光工具为圆柱仿形工具。对于回转微细结构工件来说，采用变间隙抛光，微结构特征深度小于100μm时，采用的抛光工具为锥形工具，微结构特征深度大于100μm时，采用的抛光工具为锥形柱仿形工具。随后将抛光工具安装完毕；
[0017]B、随后将配置好的剪切增稠抛光液倒入抛光液槽中直至抛光液淹没抛光表面。
[0018]C、将加热棒插入到抛光液上层，启动抛光液温度控制系统电源，设置抛光液温度控制在40
‑
50℃之间，待抛光液达到设定温度，打开交变电源。
[0019]D、启动抛光主轴和旋转工作台，抛光主轴转速范围为800
‑
900r/min，旋转工作台以0.5
‑
1mm/s的速度平动或以4
‑
5r/min旋转对工件进行剪切增稠非接触抛光。
[0020]与现有技术相比较，本专利技术的有益效果体现在：
[0021]1、本专利技术搭建的适用于高精度复杂零部件表面抛光的多场复合非接触抛光装置，可通过温度场、电场、磁场、化学场、机械场多场复合下实现工件高效率和高质量的抛光，温度控制系统可以实现非接触抛光液温度的恒定控制，保证抛光进程中抛光液始终在恒定的温度场中保持良好的剪切增稠效应。交变电源在抛光工具和工件之间产生电场，在介电介质中极化的磨粒受到介电泳力产生运动，防止在抛光进程中大部分磨粒的沉降，提高抛光去除率。在抛光工具和工件之间施加一个磁场，促使抛光液中磁性磨粒吸附于工件被加工本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多场复合非接触抛光装置，其特征在于：包括控制器、抛光液槽(1)、抛光液温度控制系统、抛光工具(3)、交变电源(5)、磁铁(8)、转台和夹具(10)；所述的抛光液温度控制系统包括加热棒(2)、热电偶(6)、外接电源和控制器；所述加热棒(2)置于抛光液(7)上层，所述热点偶安装在抛光液槽(1)内壁、用于实时监测抛光液槽(1)内抛光液(7)温度；加热棒(2)和热电偶(6)均与电源和控制器相连；加热棒(2)根据需要手动启动控制器进行加热抛光液(7)，热电偶(6)实时监测抛光液槽(1)内抛光液(7)温度并将模数转换后的信号传递回控制器，由控制器控制加热棒(2)是否持续加热从而实现抛光液槽(1)中抛光液(7)温度恒定的精准控制；所述的夹具(10)将工件(4)固定在旋转工作台(9)上，抛光液(7)灌入抛光液槽(1)中直至覆盖抛光工具(3)和工件(4)的间隙内部，在抛光工具(3)的高速旋转和工件(4)的旋转下发生增稠现象，实现对工件(4)表面材料的剪切去除；所述的交变电源(5)的正负极分别与抛光工具(3)和工件(4)相连，使得抛光工具(3)和工件(4)间的间隙产生一个电场，抛光液(7)中的磨粒因为极化效应，在电场的作用下磨粒受到一定的斥力和引力发生运动，使得磨粒大多分布在抛光工具(3)的抛光表面和工件(4)的被加工表面，防止磨粒沉降；所述的磁铁(8)固定在旋转工作台(9)上，位于夹具(10)的正下方，为抛光工具(3)和工件(4)间提供一个磁场，使抛光液(7)中的磁性磨粒紧紧吸附在工件(4)的被加工表面。2.根据权利要求1所述一种多场复合非接触抛光装置，其特征在于：所述的抛光液(7)为剪切增稠抛光液(7)，包括去离子水、多羟基聚合物粒子、磨粒、氧化剂和pH调节剂；所述多羟基聚合物粒子的比例...

【专利技术属性】
技术研发人员：景召，刘欢，徐海俊，姜嘉诚，程继安，王浩家，王郅佶，郭江，张鹏飞，李琳光，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：