專利名稱：基于電流變液的柔性可控氣囊拋光工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于先進(jìn)光學(xué)制造領(lǐng)域，具體涉及的是一種電流變式柔性可控氣囊拋光工具。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光學(xué)元件表面質(zhì)量提出了極其嚴(yán)格的要求，武器裝備、空間觀測(cè)、激光核聚變、極紫外光刻等不僅要求光學(xué)元件具有極高的面形精度，同時(shí)也要對(duì)全頻段誤差分布做出嚴(yán)格的控制。目前的計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成形技術(shù)(CCOS)與傳統(tǒng)技術(shù)相比能大大提高加工效率，且具有設(shè)備簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為加工非球面的主要方法。但是由于其采用的剛性小磨頭與被加工零件表面不吻合及其子口徑修磨加工特性等原因， 導(dǎo)致CCOS技術(shù)加工出的光學(xué)元件表面通常帶有明顯的中頻誤差(波紋度誤差)。這種誤差會(huì)使光線發(fā)生小角度散射，從而使成像產(chǎn)生耀斑，嚴(yán)重影響像的對(duì)比度。因此研究抑制CCOS技術(shù)產(chǎn)生的中高頻誤差的方法便成為光學(xué)加工界普遍關(guān)注的課題。20世紀(jì)70年代初，Itek公司的W. J. Rupp率先提出CCOS技術(shù)思想，并由R. A. Jones設(shè)計(jì)完成了世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制拋光機(jī)。這種技術(shù)采用比被加工元件尺寸小得多的柔性拋光工具(一般是工件的1/8-1/15)，根據(jù)干涉儀等光學(xué)表面面形檢測(cè)儀器測(cè)得的面形數(shù)據(jù)，建立加工過(guò)程的控制模型，選擇合適的拋光參數(shù)，在計(jì)算機(jī)控制下按照一定的路徑和相應(yīng)的磨頭駐留時(shí)間來(lái)加工工件表面，使其面形向理想形狀收斂。正是在這種技術(shù)思想的引導(dǎo)下，世界各個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始研究不同形式的CCOS技術(shù)，目前主要有氣囊拋光(airsac polishing)、射流拋光(fluent jet polishing)、磁流變拋光(magnetorheologicalfinishing)、離子束拋光(ion beam finishing)。在實(shí)際加工非球面光學(xué)元件的過(guò)程中，這幾種加工技術(shù)能大大提高加工效率，但同時(shí)也存在中高頻誤差，以剛性小磨具拋光最為嚴(yán)重。自CCOS技術(shù)誕生之初，研究人員就已經(jīng)意識(shí)到該技術(shù)在拋光加工中帶來(lái)的中高頻誤差。1990年P(guān)ravin K. Mehta等發(fā)表文章提出flexible polishing tools (柔性拋光工具)，以彈性力學(xué)為理論基礎(chǔ)分析了柔性拋光工具的受力分布和彈性變形情況，擬解決傳統(tǒng)剛性小磨頭與拋光工件面形不吻合及受力不均勻等問(wèn)題。其論文中大量的理論分析、有限元仿真為研究新型拋光小磨具做了開(kāi)創(chuàng)性的工作?；赑ravin K. Mehta等人的研究,亞利桑那大學(xué)的 Michael T. Tuell 和 James H. Burge 等人進(jìn)一步提出 semi-flexible tool (被動(dòng)半剛性盤)。這種被動(dòng)半剛性盤由剛性基底、變形層、金屬薄板以及拋光層構(gòu)成，之所以采用這種特殊的夾層式結(jié)構(gòu)，是為了使磨盤在具有足夠的剛度的同時(shí)，又能按照工件的面形被動(dòng)變形，這樣才能在盡量不破壞原有面形的同時(shí)，盡可能去除中頻誤差。在被動(dòng)半剛性磨盤中，剛性基底用于傳遞外加載荷，變形層則保證了金屬薄板被動(dòng)變形的可達(dá)性。利用這種拋光盤對(duì)鏡面進(jìn)行平滑處理，對(duì)中頻誤差有一定抑制作用。但磨盤本身無(wú)法主動(dòng)控制變形、彈性模量等參數(shù)，限制了其進(jìn)一步廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，亞利桑那大學(xué)的Dae Wook Kim等在前人工作基礎(chǔ)上，從材料力學(xué)角度出發(fā)采用一種非牛頓流體材料，設(shè)計(jì)出一種新型拋光工具visco-elastic polishing tool (粘彈性拋光工具)。這種拋光工具采用和被動(dòng)半剛性磨盤類似的結(jié)構(gòu)，只是將變形層的材料改為非牛頓流體。該非牛頓流體對(duì)作用時(shí)間長(zhǎng)的力可以保持其流體的柔性，而對(duì)于作用時(shí)間短的力則表現(xiàn)出類似薄板一樣的剛性。以此非牛頓流體為變形層，拋光盤能對(duì)中高頻誤差保持較高的剛性，從而實(shí)現(xiàn)特定頻率誤差去除，對(duì)于低頻面形拋光盤又具有很好的變形能力，從而保持鏡面原有面形不變。以上所述的各種不同小磨具拋光磨盤設(shè)計(jì)方法，g在小磨具的柔性和剛性之間尋求ー個(gè)平衡點(diǎn)，以達(dá)到去除鏡面中頻誤差的同時(shí)又能很好的保持其原始面形不變。然而無(wú)論是采用被動(dòng)半剛性盤或是使用非牛頓流體，小磨具磨盤自身的剛性都不是可控變化的，從而降低了小磨具對(duì)各種不同面形的適應(yīng)能力，限制了其抑制中頻誤差能力。本發(fā)明在上述各種拋光盤的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上，結(jié)合材料力學(xué)、電磁學(xué)和現(xiàn)有的幾種CCOS加工方法，設(shè)計(jì)出ー種以電流變液為可控變形層的柔性可控氣囊拋光工具。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決小磨具拋光時(shí)與エ件表面不吻合、受カ不均勻的問(wèn)題，有效抑制傳統(tǒng)剛性小磨具拋光帶來(lái)的嚴(yán)重的中頻誤差或稱波紋度誤差，本發(fā)明提供一種基于電流變液的柔性可控氣囊拋光工具及實(shí)現(xiàn)拋光的方法。為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明的第一方面是提供基于電流變液的柔性可控氣囊拋光工具包括一基底，其是設(shè)有下部開(kāi)ロ的中空柱體，其上具有外壁、軸孔、內(nèi)壁，在基底上部的中心位置處設(shè)置軸孔；ー連接件，具有ー連接軸孔，連接件置于基底的上部且固定連接；ー轉(zhuǎn)軸，其一端安置在連接件的連接軸孔和基底的軸孔中并形成上端封閉、下部開(kāi)ロ的一凹形空腔；轉(zhuǎn)軸的另一端連接機(jī)床的動(dòng)カ軸，用于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；兩個(gè)電極板，其對(duì)稱并絕緣固接于凹形空腔的內(nèi)壁上，并通過(guò)轉(zhuǎn)軸內(nèi)部的通電導(dǎo)線提供電源；一中空氣囊部件，其設(shè)有上部開(kāi)ロ、中空氣囊、加強(qiáng)層和拋光層，基底的外壁緊密嵌設(shè)于中空氣囊部件的加強(qiáng)層中，基底的上部與中空氣囊部件的上部開(kāi)ロ對(duì)齊，中空氣囊 底部位于加強(qiáng)層的表面上,且中空氣囊的上部邊緣粘接于基底的下部開(kāi)口上,使中空氣囊的上部與凹形空腔形成一密封空腔；拋光層在轉(zhuǎn)軸的壓力控制下與被拋光エ件上表面的A位置緊密接觸，并對(duì)被拋光エ件進(jìn)行拋光；電流變液，密封于中空氣囊部件的中空氣囊的空腔中，兩個(gè)電極板產(chǎn)生的電場(chǎng)，用于使電流變液從液態(tài)到固態(tài)連續(xù)變化形成可控變形層；一外圍電路，與兩個(gè)電極板連接，控制兩個(gè)電極板間電場(chǎng)的大小，調(diào)節(jié)控制電流變液的彈性模量。為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明的第二方面是提供一種基于電流變液的柔性可控氣囊拋光工具的拋光方法，其步驟包括如下步驟SI :柔性可控氣囊拋光工具接觸被拋光エ件表面A位置吋，轉(zhuǎn)軸夾持在機(jī)床的動(dòng)カ轉(zhuǎn)軸上獲得驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)基底旋轉(zhuǎn)；步驟S2 :由外圍電路控制兩個(gè)電極板間電場(chǎng)Etl的大小，調(diào)節(jié)電流變液的彈性模量即剛度G ;所述電流變液的彈性模量與臨界電場(chǎng)E。及外加電場(chǎng)強(qiáng)度Etl的電場(chǎng)關(guān)系為G = 90 小 e f ( r /Ac)0.1 (Ec/E0)0.9E02其中$為電流變液導(dǎo)電顆粒的體積含量，e f為電流變液載液的介電常數(shù)，r =O p/of(0), r為導(dǎo)電顆粒和載液的電導(dǎo)率之比，O p為導(dǎo)電顆粒的電導(dǎo)率，Of(O)為載液未加電場(chǎng)時(shí)的導(dǎo)電率，Ac = 0. 007為常數(shù)，E。為電流變液發(fā)生流變現(xiàn)象的臨界電場(chǎng)，EO為外加電場(chǎng)強(qiáng)度；步驟S3 :利用中空氣囊部件的拋光層在轉(zhuǎn)軸的壓力控制下與被拋光工件上表面的A位置處緊密接觸，并對(duì)被拋光工件上表面的A處進(jìn)行拋光；A位置處的材料去除量滿足如下方程
權(quán)利要求
1.一種基于電流變液的柔性可控氣囊拋光工具，其特征在于包括 一基底，其是設(shè)有下部開(kāi)口的中空柱體，其上具有外壁、軸孔、內(nèi)壁，在基底上部的中心位置處設(shè)置軸孔； 一連接件，具有一連接軸孔，連接件置于基底的上部且固定連接； 一轉(zhuǎn)軸，其一端安置在連接件的連接軸孔和基底的軸孔中并形成上端封閉、下部開(kāi)口的一凹形空腔；轉(zhuǎn)軸的另一端連接機(jī)床的動(dòng)力軸，用于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)； 兩個(gè)電極板，其對(duì)稱并絕緣固接于凹形空腔的內(nèi)壁上，并通過(guò)轉(zhuǎn)軸內(nèi)部的通電導(dǎo)線提供電源； 一中空氣囊部件，其設(shè)有上部開(kāi)口、中空氣囊、加強(qiáng)層和拋光層，基底的外壁緊密嵌設(shè)于中空氣囊部件的加強(qiáng)層中，基底的上部與中空氣囊部件的上部開(kāi)口對(duì)齊，中空氣囊底部位于加強(qiáng)層的表面上，且中空氣囊的上部邊緣粘接于基底的下部開(kāi)口上，使中空氣囊的上部與凹形空腔形成一密封空腔；拋光層在轉(zhuǎn)軸的壓力控制下與被拋光工件上表面的A位置緊密接觸，并對(duì)被拋光工件進(jìn)行拋光； 電流變液，密封于中空氣囊部件的中空氣囊的空腔中，兩個(gè)電極板產(chǎn)生的電場(chǎng)，用于使電流變液從液態(tài)到固態(tài)連續(xù)變化形成可控變形層； 一外圍電路，與兩個(gè)電極板連接，控制兩個(gè)電極板間電場(chǎng)的大小，調(diào)節(jié)控制電流變液的彈性模量。
2.如權(quán)利要求I所述的基于電流變液的柔性可控氣囊拋光工具，其特征在于，所述基底為金屬或合金材質(zhì)的剛性基底。
3.如權(quán)利要求I所述的基于電流變液的柔性可控氣囊拋光工具，其特征在于，中空氣囊部件為半球狀囊體。
4.如權(quán)利要求I所述的基于電流變液的柔性可控氣囊拋光工具，其特征在于，所述中空氣囊部件為多層復(fù)合材料的部件，其中中空氣囊的材料為橡膠、加強(qiáng)層為高韌性纖維布、拋光層為聚氨酯拋光墊。
5.如權(quán)利要求I所述的基于電流變液的柔性可控氣囊拋光工具，其特征在于，所述兩個(gè)電極板為金屬電極板且呈八字形排布，用于得到弧形電場(chǎng)分布。
6.如權(quán)利要求I所述的基于電流變液的柔性可控氣囊拋光工具，其特征在于，所述密封空腔，用于調(diào)節(jié)中空氣囊的壓強(qiáng)。
7.如權(quán)利要求I所述的基于電流變液的柔性可控氣囊拋光工具，其特征在于，所述中空氣囊，用于密封電流變液。
8.如權(quán)利要求I所述的基于電流變液的柔性可控氣囊拋光工具，其特征在于，所述電流變液彈性模量G與臨界電場(chǎng)E。及外加電場(chǎng)強(qiáng)度Etl的關(guān)系為G = 90Φ ef(r/Ac)αι (Ec/E0)a9E02 其中Φ為電流變液導(dǎo)電顆粒的體積含量，電流變液載液的介電常數(shù)，Γ = σ p/Qf(O), Γ為導(dǎo)電顆粒和載液的電導(dǎo)率之比，σ p為導(dǎo)電顆粒的電導(dǎo)率，Of(O)為載液未加電場(chǎng)時(shí)的導(dǎo)電率，Ac = O. 007為常數(shù)，E。為電流變液發(fā)生流變現(xiàn)象的臨界電場(chǎng)，Etl為外加電場(chǎng)強(qiáng)度。
9.一種使用權(quán)利要求I所述基于電流變液的柔性可控氣囊拋光工具的拋光方法，其步驟包括如下步驟SI :柔性可控氣囊拋光工具接觸被拋光工件表面A位置時(shí)，轉(zhuǎn)軸夾持在機(jī)床的動(dòng)力轉(zhuǎn)軸上獲得驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)基底旋轉(zhuǎn)； 步驟S2 :由外圍電路控制兩個(gè)電極板間電場(chǎng)Etl的大小，調(diào)節(jié)電流變液的彈性模量即剛度G ;所述電流變液的彈性模量與臨界電場(chǎng)E。及外加電場(chǎng)強(qiáng)度Etl的電場(chǎng)關(guān)系為G = 90Φ ef(r/Ac)αι (Ec/E0)a9E02 其中Φ為電流變液導(dǎo)電顆粒的體積含量，電流變液載液的介電常數(shù)，Γ = σ p/Qf(O), Γ為導(dǎo)電顆粒和載液的電導(dǎo)率之比，σ ρ為導(dǎo)電顆粒的電導(dǎo)率，Of(O)為載液未加電場(chǎng)時(shí)的導(dǎo)電率，Ac = O. 007為常數(shù)，Ε。為電流變液發(fā)生流變現(xiàn)象的臨界電場(chǎng)，Etl為外加電場(chǎng)強(qiáng)度； 步驟S3 :利用中空氣囊部件的拋光層在轉(zhuǎn)軸的壓力控制下與被拋光工件上表面的A位置處緊密接觸，并對(duì)被拋光工件上表面的A處進(jìn)行拋光；Α位置處的材料去除量滿足如下方程/Sz{x,y) = k\ P(x,y,t)V(x,y,t)dtJ 0 以被拋光工件上中心點(diǎn)或?qū)ΨQ點(diǎn)為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，其中X，y表示A位置在被拋光工件表面的坐標(biāo)，Δζ(χ,γ)為材料去除量，k是除了壓力、速度因素影響外的加工過(guò)程的比例常數(shù)，P(x，y，t)表示拋光層與被拋光工件間的相對(duì)壓力，V (x，y，t)表示拋光層與被拋 光工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，t表示時(shí)間； 步驟S4 :對(duì)兩個(gè)電極板不通電時(shí)，電流變液呈現(xiàn)液態(tài)，電流變液則產(chǎn)生變形并與被拋光工件上表面的A位置處的面形吻合； 步驟S5 :對(duì)兩個(gè)電極板通電時(shí)，電流變液將從液態(tài)變?yōu)檎吵頎罨蚬虘B(tài)，則電流變液形狀被固定下來(lái)，實(shí)現(xiàn)電流變液對(duì)被拋光工件局部區(qū)域面形的記錄，利用電流變液的仿形記錄功能對(duì)被拋光工件的多個(gè)局部區(qū)域進(jìn)行拋光，保證拋光曲率半徑恒定區(qū)域的面形精度；而通過(guò)在線控制電流大小調(diào)節(jié)電流變液的彈性模量(剛度)能靈活控制被拋光工件的材料去除量，材料去除量滿足步驟3中方程；所述柔性可控氣囊拋光工具位置繼續(xù)移動(dòng)到被拋光工件表面B位置處重復(fù)執(zhí)行步驟SI，直至所述柔性可控氣囊拋光工具按照N個(gè)位置的拋光軌跡移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)被拋光工件的拋光。
全文摘要
本發(fā)明為基于電流變液的柔性可控氣囊拋光工具，基底為具有一凹形空腔且下端開(kāi)口的剛性圓柱體結(jié)構(gòu)；其外上部通過(guò)連接件和轉(zhuǎn)軸相連獲得驅(qū)動(dòng)力；中空氣囊粘接于基底外側(cè)壁上；凹形空腔內(nèi)壁上絕緣固接兩電極板且呈八字形排布并由轉(zhuǎn)軸內(nèi)的導(dǎo)線提供電源；中空氣囊內(nèi)填充電流變液；被拋光工件的上表面置于中空氣囊下表面且緊密貼合；本發(fā)明拋光方法當(dāng)拋光層和工件上表面緊密接觸時(shí)，不對(duì)電極板通電，電流變液呈現(xiàn)液態(tài)，拋光層產(chǎn)生變形并與所述工件的面形吻合；對(duì)電極板通電，電流變液將從液態(tài)變?yōu)檎吵頎罨蚬虘B(tài)，則拋光層表面形狀被固定下來(lái)，實(shí)現(xiàn)拋光層對(duì)所述工件局部面形的記錄，保證拋光曲率半徑恒定區(qū)域的面形精度，控制所述工件的材料去除量。
文檔編號(hào)B24B1/00GK102765012SQ20121008005
公開(kāi)日2012年11月7日 申請(qǐng)日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者萬(wàn)勇建, 施春燕, 王佳 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所