孔琳，賈宗合，邵維，劉冬梅，付秀華

（1長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，長春 130022；2吉林東光集團(tuán)有限公司，長春 130022）

數(shù)控氣囊式拋光結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與非球面加工工藝技術(shù)研究

孔琳1，賈宗合1，邵維2，劉冬梅1，付秀華1

（1長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，長春 130022；2吉林東光集團(tuán)有限公司，長春 130022）

非球面光學(xué)元件由于具有改善系統(tǒng)成像質(zhì)量、提高光學(xué)性能等特點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用于各類光電產(chǎn)品中，因此如何拋光加工出高精度非球面元件成為國內(nèi)外學(xué)者面臨的難題。對數(shù)控氣囊拋光方法拋光非球面元件的工藝進(jìn)行研究，分析氣囊拋光的加工原理，設(shè)計(jì)氣囊式拋光頭的結(jié)構(gòu)，并對材料去除函數(shù)進(jìn)行分析。在實(shí)驗(yàn)過程中使用硅膠氣囊與橡膠氣囊對非球面元件進(jìn)行拋光對比，采用輪廓儀測量非球面面型，并使用高倍放大鏡檢測表面質(zhì)量。結(jié)果表明，利用數(shù)控氣囊拋光方法可以加工出光滑的非球面表面，粗糙度為0.9nm，該方法是拋光高精密非球面光學(xué)元件的有效方法，且數(shù)控氣囊拋光工藝具有可擴(kuò)展性。

數(shù)控氣囊式拋光；去除函數(shù)建模；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；非球面；高精度

在現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于非球面光學(xué)元件具有縮小光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸、減輕系統(tǒng)質(zhì)量、提高光學(xué)性能、改善成像質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于軍事、民用、醫(yī)療、激光以及光通訊等領(lǐng)域。由于非球面光學(xué)元件的曲率半徑隨著空間坐標(biāo)系的變化而各不相同，因此如何獲得高精密非球面成為相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員所要解決的難題。近年來新的拋光方法發(fā)展迅速，如磁流變拋光、離子束拋光、應(yīng)力盤拋光、小工具拋光以及計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成型技術(shù)等［1］。

氣囊式拋光是20世紀(jì)90年代倫敦光學(xué)實(shí)驗(yàn)室提出來的一種新的超精密拋光方法，國外在應(yīng)用上取得了階段性成果。基于理論和實(shí)驗(yàn)的研究成果，2002年倫敦光學(xué)實(shí)驗(yàn)室相繼研制了IRP（IRP200、IRP600、IRP1000）系列數(shù)控氣囊式拋光機(jī)床，可拋光的最大直徑為2.3m，并將氣囊拋光應(yīng)用于Euro50大型天文望遠(yuǎn)鏡的加工中，其中IRP1000拋光機(jī)床加工直徑為1000mm，面型PV值80nm，表面粗糙度RMS為0.3nm，磨削去除率達(dá)到每分鐘2.0mm3以上，拋光去除效率達(dá)到每分鐘0.25mm3以上［2］。

在國內(nèi)開展數(shù)控式氣囊拋光技術(shù)研究的有長春光機(jī)所、國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)等。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的宋劍鋒等運(yùn)用數(shù)控氣囊式拋光技術(shù)對平面光學(xué)元件BK7進(jìn)行了拋光實(shí)驗(yàn)，得到Ra為0.931nm的超光滑表面。浙江工業(yè)大學(xué)在自由曲面上采用機(jī)器人拋光系統(tǒng)，研究氣囊拋光工具與拋光中各工藝參數(shù)對元件拋光的影響。在過去的實(shí)驗(yàn)中，主要分析氣囊式拋光方法中的工藝參數(shù)以及去除機(jī)理。對于氣囊式拋光頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題，目前還沒有相關(guān)報(bào)道，本文為解決氣囊漏氣問題，對氣囊式拋光頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善研究，達(dá)到良好的拋光效果。

1 數(shù)控氣囊式拋光原理與材料去除函數(shù)建模

氣囊式拋光屬于散粒式拋光方式，氣囊外形呈球冠狀，外表面粘貼聚氨酯拋光墊［3，4］，將氣囊置于拋光頭內(nèi)，通過控制氣體的壓力，使氣囊發(fā)生形變與元件表面具有良好的吻合性。在拋光過程中通過控制氣囊充氣壓力、拋光路徑、氣囊與元件的接觸面積［5］、拋光表面駐留時(shí)間以及拋光液濃度等，達(dá)到對非球面元件表面精確拋光的目的。

對于拋光材料去除的研究，主要是對拋光材料在單位時(shí)間內(nèi)的去除函數(shù)進(jìn)行建模，假設(shè)氣囊與被拋非球面接觸時(shí)遵循赫茲接觸理論，即兩個(gè)物體在受到擠壓之后接觸，不考慮接觸之間的相互摩擦?xí)r所產(chǎn)生的局部應(yīng)力以及應(yīng)力分布，那么材料去除函數(shù)的建?；咀裱璓reston方程［6，7，8］。即拋光時(shí)材料的去除量與該接觸點(diǎn)的壓強(qiáng)、相對線速度以及駐留時(shí)間成正比，即：

為使實(shí)驗(yàn)更加簡化，保持pc(x,y)恒定且υs(x,y)不隨時(shí)間變化。當(dāng)施加壓力垂直表面時(shí)，定義拋光頭磨削特性函數(shù)為：

這樣，去除率函數(shù)H(x,y)即為拋光頭磨削特性函數(shù)R(x,y)與駐留時(shí)間函數(shù)D(u,ν)二者的卷積

通過理論和實(shí)驗(yàn)總結(jié)得到，數(shù)控氣囊式拋光時(shí)拋光區(qū)域內(nèi)的材料去除率遵循Preston方程。

2 拋光工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 拋光氣囊材料選取

拋光過程中柔性氣囊作為主要的拋光工具，由于氣囊的硬度對元件的拋光影響很大，所以如何控制氣囊的硬度對拋光來說至關(guān)重要。之前的拋光氣囊多用橡膠制備，由于橡膠本身材料的特性，較厚的橡膠氣囊，與元件表面的吻合性降低；較薄的橡膠氣囊，過于柔軟不利于小口徑元件的拋光。通過實(shí)驗(yàn)摸索，采用硅膠作為拋光氣囊，可彌補(bǔ)橡膠材料的不足。實(shí)驗(yàn)中選取1mm、2mm、3mm、4mm、5mm不同厚度的氣囊，為了延長氣囊的使用壽命，用纖維布作為中間加強(qiáng)層，最外層即拋光模層使用0.08mm的聚氨酯拋光墊，使用相同的壓力對比橡膠氣囊與硅膠氣囊的形變量，對比圖如圖1所示。

圖1 氣囊厚度與形變量關(guān)系

由圖1可以得出，當(dāng)氣囊厚度從1mm變化到5mm時(shí)，硅膠氣囊相比于橡膠氣囊壓縮形變量更小，硅膠氣囊的厚度變化對于氣囊硬度的影響較弱，實(shí)驗(yàn)中更容易控制氣囊的形變量以及與元件表面的接觸面積。

2.2 拋光頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過長時(shí)間的拋光，拋光氣囊容易出現(xiàn)漏氣問題，因而氣囊不能保持恒定的拋光壓力，使得元件表面面型精度下降。為了提高氣囊的牢固性和穩(wěn)定性，對拋光頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使拋光氣囊與拋光頭緊密接觸［8］，避免拋光過程中的漏氣問題，同時(shí)保持均勻壓力進(jìn)行拋光。其結(jié)構(gòu)主要由基座、套筒、緊固蝶型栓組成，如圖2、圖3所示。

圖2 拋光夾具裝配圖

圖3 拋光夾具組成圖

基座內(nèi)部中空作為支撐氣囊的主體，外部使用套筒固定氣囊，同時(shí)對氣囊進(jìn)行保護(hù)，防止磕碰漏氣，使用緊固蝶型栓將基座和套筒固定，此外，為了保證封閉性，在蝶型栓內(nèi)加入密封墊。

此前的拋光氣囊主要依靠強(qiáng)力粘合劑與拋光頭固定，經(jīng)過長時(shí)間拋光，粘合劑老化，氣囊與拋光頭的封閉性降低，新的氣囊式拋光頭不再依賴粘合劑固定，運(yùn)用基座和套筒將氣囊穩(wěn)固夾緊，實(shí)驗(yàn)證明這種拋光頭結(jié)構(gòu)簡單，并且經(jīng)過長時(shí)間拋光后，硅膠氣囊不存在漏氣變形問題，氣囊與元件吻合性良好。能夠達(dá)到理想的拋光效果，并且具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。

表1 加工工藝參數(shù)

圖4 加工運(yùn)動方式

另外，在平面元件拋光過程中拋光氣囊采用“進(jìn)動”的運(yùn)動方式拋光，非球面元件拋光中也可借鑒這種運(yùn)動方式，如圖4所示，即氣囊的自轉(zhuǎn)軸與元件表面法線傾斜一定的角度，由邊緣向中心均勻拋光。對非球面元件拋光這種運(yùn)動方式具有以下特點(diǎn)：首先，能夠?qū)饽抑行乃俣葹榱愕狞c(diǎn)轉(zhuǎn)換到拋光區(qū)域外，提升拋光效率。再者，氣囊保持穩(wěn)定的壓力，使得元件表面得到均勻拋光。其次，在拋光過程中拋光液會隨著離心運(yùn)動向元件邊緣運(yùn)動，拋光頭的這種“進(jìn)動”式運(yùn)動能夠有效的保留拋光液分布在元件表面，提升去除效率。

3 硅膠氣囊拋光方法與橡膠氣囊拋光方法實(shí)驗(yàn)對比研究

為了研究硅膠氣囊拋光方法的效果，實(shí)驗(yàn)中對直徑為80mm非球面元件ZK-10（重冕玻璃化學(xué)組成成分為BaO（ZnO、CaO）-B2O3-SiO2），）［9，10］進(jìn)行拋光。由于非球面度較大，要獲得精確面型具有一定難度。在實(shí)驗(yàn)中使用相同的工藝參數(shù)，如表1所示。拋光過程每10min對元件表面進(jìn)行PV值測量，得到結(jié)果如圖5所示。結(jié)果證明相比于橡膠氣囊，硅膠氣囊拋光能更快的收斂表面PV值，具有更高的去除效率，能獲得高精度非球面元件。在相同壓力下經(jīng)過六小時(shí)連續(xù)拋光，使用輪廓儀測量元件PV值，如圖6所示，并使用高倍放大鏡觀察元件表面質(zhì)量，將兩種拋光結(jié)果進(jìn)行對比。

圖5 橡膠氣囊與硅膠氣囊拋光方式實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比（PV）

實(shí)驗(yàn)中使用設(shè)計(jì)的氣囊式拋光頭，有效固定氣囊位置，并且解決了氣囊漏氣的問題，與元件表面保持良好的吻合性。硅膠氣囊對于非球面度較大的元件能夠隨著面型變化附著表面進(jìn)行拋光，并且能保持穩(wěn)定形態(tài)，彈性系數(shù)幾乎不變，可以長時(shí)間重復(fù)使用。橡膠氣囊經(jīng)過長時(shí)間拋光，氣囊出現(xiàn)細(xì)小裂痕，拋光過程中無法保證恒定的拋光壓力，尤其對于非球面度較大的元件吻合性降低，因此，橡膠氣囊的拋光效果不如硅膠氣囊。

圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

4 結(jié)論

本文從數(shù)控氣囊式拋光原理出發(fā)，對材料去除函數(shù)進(jìn)行分析，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)及理論總結(jié)，拋光區(qū)域內(nèi)的材料去除率基本遵循Preston方程。針對拋光氣囊的漏氣問題，設(shè)計(jì)氣囊拋光頭的結(jié)構(gòu)。在實(shí)驗(yàn)中將硅膠氣囊與橡膠氣囊進(jìn)行拋光對比研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，硅膠氣囊拋光相比橡膠氣囊拋光能更快收斂元件表面PV值，去除效率更高。對于ZK-10非球面元件，PV值達(dá)到0.3μm，表面粗糙度達(dá)到0.9nm，多次實(shí)驗(yàn)證明重復(fù)性理想?？梢姎饽沂綊伖馐且环N有效的加工方法，且該方法具有擴(kuò)展性。

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The CNC Bonnet Polishing Structure Design and Study on Machining Technology of Aspheric Surface

KONG Lin1，JIA Zonghe1，SHAO Wei2，LIU Dongmei1，F(xiàn)U Xiuhua1
（1.School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Jinlin Dongguang Group，Changchun 130022）

Aspheric optical components are widely applied in various types of optoelectronic products due to the characteristics of improving the system imaging quality and the optical properties.Therefore，how to produce high precision aspherical components become the problem faced by domestic and foreign scholars.In this paper，the process of polishing aspheric components by the CNC bonnet polishing method is studied，and both the processing principle of bonnet polishing andmaterial removal function are analyzed，the structure of the bonnet polishing grinding head is designed，In the experimental process，using silicone gasbag and the rubber gasbag of aspherical components are comparatively polishing，In the experimental process，using silicone gasbag and rubber gasbag to polishing contrast for aspherical elements.

bonnet tool polishing with CNC machine；removal function modeling；structure design；aspheric surface；high precision

TH706

A

1672-9870（2016）06-0027-04

2016-07-04

吉林省重大科技攻關(guān)專項(xiàng)（No21040203002GX）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（12349876）資助

孔琳（1991-），女，碩士研究生，E-mail：13039046058@163.com

賈宗合（1980-），男，碩士，實(shí)驗(yàn)員，E-mail：jiazonghe80@126.com