專利名稱：一種非接觸式超聲波面形修拋方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及小口徑脆性高硬度材料的高精度非球面超聲波拋光技術(shù)，屬于精密光學(xué)加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
脆性硬質(zhì)合金材質(zhì)的小口徑高精度非球面模芯是低熔點(diǎn)玻璃熱壓成型技術(shù)中的關(guān)鍵部件，其面形精度直接影響最終的成型光學(xué)零件精度。其光學(xué)表面的加工工序首先通過精密銑削加工使表面成形，然后進(jìn)行拋光獲得最終的面形精度和達(dá)到光學(xué)等級(jí)的表面光潔度，最后對光學(xué)表面鍍類金剛石膜層。拋光工序直接影響最終面形和光潔度，是控制面形最為重要的工序。目前，對脆性硬質(zhì)合金的拋光主要有以下幾種方式1、常規(guī)研磨拋光一般使用金剛石研磨膏作為研磨劑采用傳統(tǒng)的接觸式拋光盤研磨方法進(jìn)行拋光，通過拋光工具和工件之間的相對移動(dòng)實(shí)現(xiàn)拋光磨料顆粒對表面材料的劃擦去除，并采用邊拋邊檢的方法對面形進(jìn)行修正。對于小口徑的非球面模芯來說，由于受拋光盤尺寸影響，難以精確控制各拋光區(qū)域內(nèi)的材料去除量，尤其是口徑為毫米量級(jí)的高次非球面模芯，很難獲得高精度的表面面形。2、接觸式超聲波拋光同樣采用金剛石研磨膏作為研磨劑，通過超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿把超聲振動(dòng)傳遞到工具頭上，工具頭對工件施加一定的拋光壓力，磨料顆粒受到工具頭的高速高頻振動(dòng)的直接錘擊不斷撞擊工件表面，從而實(shí)現(xiàn)表面材料去除的目的。 這種拋光模式下由于工具頭和工件發(fā)生接觸，拋光過程中的材料去除量的分布和工具頭形狀有關(guān)，工具頭形狀會(huì)被復(fù)制。由于拋光過程中磨料顆粒同樣會(huì)損耗工具頭，因而工具頭的形狀在拋光過程中一直發(fā)生變化，其去除函數(shù)也一直在發(fā)生變化。這種拋光技術(shù)目前常見于對表面面形要求不高的模具模芯制造，對于光學(xué)應(yīng)用的小口徑非球面模芯這種拋光方法無法實(shí)現(xiàn)高精度拋光。3、二維流體振動(dòng)超光滑表面拋光設(shè)備及其拋光方法中國發(fā)明專利(CN1618568) 公開了一種二維流體振動(dòng)超光滑表面拋光設(shè)備及其拋光方法，適用于低成本實(shí)現(xiàn)超光滑平面拋光；其步驟包括將被拋光工件浸泡在拋光液體內(nèi)并置于密封容器中，容器中施加一定的壓力并通過液體傳遞到工件表面提高拋光效率。設(shè)備工作時(shí)由浸入式超聲波換能器在液體中產(chǎn)生垂直方向的高頻液體振動(dòng)，由機(jī)械裝置使密封容器產(chǎn)生低頻的水平方向振動(dòng)從而行成兩個(gè)方向上的綜合振動(dòng)，在振動(dòng)作用下實(shí)現(xiàn)表面材料的去除。該設(shè)備還設(shè)計(jì)的專門的裝置使工件可以在拋光液體中進(jìn)行自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，以保證拋光的均勻性。該拋光方法將拋光分為兩級(jí)拋光，第一級(jí)拋光拋光液中加入精細(xì)磨料和化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行粗拋，第二級(jí)拋光采用純液體拋光進(jìn)行精拋。該發(fā)明主要用于平面的超光滑拋光，拋光時(shí)整個(gè)光學(xué)平面都受到液體振動(dòng)的作用，同時(shí)去除材料，由于設(shè)備采用了均化處理，理論上來說整個(gè)表面的材料去除量應(yīng)該是一致的。該設(shè)備僅適合對各種材料的平面的均勻超光滑拋光，無法實(shí)現(xiàn)對表面的局部修拋，無法修正表面面形，其最終面形精度取決于拋光前的表面面形。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種適合于脆性硬質(zhì)材料的小口徑高精度非球面面形加工，能實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工的非接觸式超聲波面型修拋方法及其裝置。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是提供一種非接觸式超聲波面型修拋方法，包括如下步驟(1)對被加工表面進(jìn)行一定時(shí)間的非接觸式超聲波面型修拋加工，檢測修拋區(qū)域內(nèi)的材料去除分布，得到被加工材料單點(diǎn)呈高斯型分布的去除函數(shù)；所述的非接觸式超聲波面型修拋加工為工具頭工作面和被加工表面之間充滿拋光液，并保持工具頭工作面和被加工表面間的間隔距離恒定；(2)設(shè)定覆蓋整個(gè)被加工表面的修拋路徑；(3)依據(jù)所得到的材料去除函數(shù)和被加工面的殘余誤差，確定工具頭在修拋路徑上各點(diǎn)的駐留時(shí)間；(4)依據(jù)修拋路徑及路徑上各點(diǎn)的駐留時(shí)間，編制加工程序，輸入數(shù)控加工系統(tǒng)， 對被加工表面進(jìn)行非接觸式超聲波面型修拋加工；(5)檢測修拋后的面形，若未達(dá)到要求，則重復(fù)步驟(2) ，直至得到滿足要求的面形。所述的拋光液包括純水與磨料顆粒混合的懸浮液體；所述的磨料顆粒為氧化鋁微粉或碳化硼微粉。工具頭工作面和被加工表面的間隔距離為0. 1 1mm。一種實(shí)現(xiàn)上述非接觸式超聲波面型修拋方法的裝置，它包括超聲波加工系統(tǒng)、數(shù)控加工系統(tǒng)和拋光液供給循環(huán)系統(tǒng)；所述的超聲波加工系統(tǒng)由超升系統(tǒng)夾持裝置固定，換能器將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成相同頻率的超聲機(jī)械振動(dòng)，再通過變幅桿將振幅放大并傳遞到工具頭，由工具頭實(shí)現(xiàn)超聲波修拋；所述的數(shù)控加工系統(tǒng)包括數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)、數(shù)控位移臺(tái)、數(shù)控升降臺(tái)和夾具，待加工工件由夾具夾持，與數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)和數(shù)控位移臺(tái)連接，由數(shù)控位移臺(tái)和數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制修拋路徑，工具頭與數(shù)控升降臺(tái)連接，由數(shù)控升降臺(tái)控制工具頭工作面和工件表面的間隔；所述的拋光液供給循環(huán)系統(tǒng)，拋光液盛于拋光液槽內(nèi)，由磁力攪拌器攪拌均勻，經(jīng)潛水泵吸入輸送管，通過萬向調(diào)節(jié)噴嘴將拋光液充滿工具頭工作面和被加工表面之間，拋光液再經(jīng)拋光液收集槽、拋光液回流管至拋光液槽，循環(huán)使用。所述的工具頭為直徑0. 2 4mm、長度3 7mm的圓柱型銅棒或鋁棒。本發(fā)明的原理是工具頭產(chǎn)生的機(jī)械超聲振動(dòng)在液體中繼續(xù)向下傳播時(shí)引起的質(zhì)點(diǎn)高頻振動(dòng)促使被加工工件表面附近的磨料顆粒產(chǎn)生同頻率的振動(dòng)并撞擊被加工表面產(chǎn)生材料去除。本發(fā)明基于下述原理，可以獲得穩(wěn)定的高斯型分布的去除函數(shù)分布1、圓盤形工具頭做活塞式的超聲簡諧振動(dòng)時(shí)，其工作面可視作平面圓形振子，即它延平面法線方向作超聲簡諧振動(dòng)時(shí)，其表面上各點(diǎn)的振動(dòng)速度和相位都相同。工具頭向拋光液中傳遞超聲振動(dòng)實(shí)質(zhì)是平面圓形振子向半無限大的空間發(fā)射超聲波。2、以圓盤中心為坐標(biāo)系原點(diǎn)，建立柱面坐標(biāo)系，ζ軸正方向?yàn)槌暡▊鞑サ陌霟o限大空間。參見附

圖1，它是本發(fā)明所依據(jù)的圓形振子向半無限空間發(fā)射超聲波的原理示意圖；如圖1所示，取圓盤振子上某點(diǎn)代，0，％)，其面積力=凡#/^，其振動(dòng)傳播到空間某
點(diǎn)M (代，處時(shí)的超聲聲壓可以用下式表示
權(quán)利要求
1.一種非接觸式超聲波面型修拋方法，其特征在于，包括如下步驟(1)對被加工表面進(jìn)行非接觸式超聲波面型修拋加工，檢測修拋區(qū)域內(nèi)的材料去除分布，得到被加工材料單點(diǎn)呈高斯型分布的去除函數(shù)；所述的非接觸式超聲波面型修拋加工為工具頭工作面和被加工表面之間充滿拋光液，并保持工具頭工作面和被加工表面間的間隔距離恒定；(2)設(shè)定覆蓋整個(gè)被加工表面的修拋路徑；(3)依據(jù)所得到的材料去除函數(shù)和被加工面的殘余誤差，確定工具頭在修拋路徑上各點(diǎn)的駐留時(shí)間；(4)依據(jù)修拋路徑及路徑上各點(diǎn)的駐留時(shí)間，編制加工程序，輸入數(shù)控加工系統(tǒng)，對被加工表面進(jìn)行非接觸式超聲波面型修拋加工；(5)檢測修拋后的面形，若未達(dá)到要求，則重復(fù)步驟(2) G)，直至得到滿足要求的面形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸式超聲波面型修拋方法，其特征在于，所述的拋光液包括純水與磨料顆?；旌系膽腋∫后w；所述的磨料顆粒為氧化鋁微粉或碳化硼微粉。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸式超聲波面型修拋方法，其特征在于，工具頭工作面和被加工表面的間隔距離為0. 1 1mm。
4.一種實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1所述的非接觸式超聲波面型修拋方法的裝置，其特征在于， 它包括超聲波加工系統(tǒng)、數(shù)控加工系統(tǒng)和拋光液供給循環(huán)系統(tǒng)；所述的超聲波加工系統(tǒng)由超升系統(tǒng)夾持裝置固定，換能器將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成相同頻率的超聲機(jī)械振動(dòng)，再通過變幅桿將振幅放大并傳遞到工具頭，由工具頭實(shí)現(xiàn)超聲波修拋；所述的數(shù)控加工系統(tǒng)包括數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)、數(shù)控位移臺(tái)、數(shù)控升降臺(tái)和夾具，待加工工件由夾具夾持，與數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)和數(shù)控位移臺(tái)連接，由數(shù)控位移臺(tái)和數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制修拋路徑，工具頭與數(shù)控升降臺(tái)連接，由數(shù)控升降臺(tái)控制工具頭工作面和工件表面的間隔；所述的拋光液供給循環(huán)系統(tǒng)，拋光液盛于拋光液槽內(nèi)，由磁力攪拌器攪拌均勻，經(jīng)潛水泵吸入輸送管，通過萬向調(diào)節(jié)噴嘴將拋光液充滿工具頭工作面和被加工表面之間，拋光液再經(jīng)拋光液收集槽、拋光液回流管至拋光液槽，循環(huán)使用。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種非接觸式超聲波面型修拋裝置，其特征在于，所述的工具頭為直徑0. 2 4mm、長度3 7mm的圓柱型銅棒或鋁棒。
全文摘要
本發(fā)明涉及小口徑脆性高硬度材料的高精度非球面超聲波拋光方法，公開了一種非接觸式超聲波面形修拋方法及其裝置。本發(fā)明利用圓形振子產(chǎn)生的超聲簡諧振動(dòng)在液體中的傳播特性對脆性硬質(zhì)合金材料進(jìn)行拋光，能夠獲得高斯型分布的、穩(wěn)定的材料去除函數(shù)。設(shè)定覆蓋整個(gè)被加工表面的拋光路徑后，依據(jù)所得到的材料去除函數(shù)和被加工面的殘余誤差確定工具頭在拋光路徑上各點(diǎn)的駐留時(shí)間，編制加工程序，輸入數(shù)控機(jī)床，進(jìn)行修拋加工。本發(fā)明結(jié)合數(shù)控技術(shù)對表面不同區(qū)域?qū)崿F(xiàn)材料去除量的精確控制，可以對各種平面、球面、非球面等光學(xué)表面進(jìn)行面形修正拋光，獲得高面形精度的光學(xué)表面。
文檔編號(hào)B24B1/04GK102441820SQ20111036154
公開日2012年5月9日 申請日期2011年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月15日
發(fā)明者黃啟泰 申請人:蘇州大學(xué), 蘇州日高微納光學(xué)精密機(jī)械有限公司