[发明专利]一种低刚度高精度平面镜的工件旋转法磨削装置及方法

说明书

本发明公开了一种低刚度高精度平面镜的工件旋转法磨削装置及方法，所述的装置包括变形量测量装置和超精密磨床，变形量测量装置包括真空泵、多孔陶瓷真空吸盘和轮廓仪。所述的方法包括以下步骤：变形量测量；砂轮主轴倾角大小反求和磨削。由于本发明直接测量低刚度平面镜在真空吸附时产生的变形量，夹持过程简单，无需设计专用夹具，不受工件初始面形差异的影响，通用性好，降低了传统低刚度平面镜加工过程中对夹持方法和专用夹具的设计要求。由于本发明结合基于工件旋转法的磨床主轴相对工件的倾角可调和这种加工原理的优势，进行变形量的抵消，不仅能够实现高精度面形的低刚度平面镜加工，也能够实现对低刚度平面镜加工后面形的预测和控制。

技术领域

本发明涉及平面镜的磨削加工技术领域，特别涉及一种低刚度平面镜超精密磨削过程中工件变形补偿的高精度高效磨削加工方法。

背景技术

平面镜是诸多光学系统中重要的元件，例如：在空间遥感系统、精密测量系统等光学系统中，平面镜是不可缺少的组件之一。随着这类光学系统的轻量化和小型化，在保证平面镜使用性能的前提下，平面镜厚度方向上的尺寸也随之减小，使得平面镜的刚度变低，这对平面镜的高精度加工带来困难。通常获得超光滑和超平坦的平面镜表面的加工方法是先研磨，再抛光，最后修形。研磨加工能够为后续的抛光过程提供一定的面形精度和表面质量，减少后续抛光和修形过程所耗费的时间。因此，研磨加工的效率和精度直接影响整个平面镜的加工效率和成本。而研磨加工属于非确定性加工方法，并且对于低刚度易变形的平面镜零件，研磨压力和配重容易导致低刚度平面镜产生变形，无法高效地获得高精度平面。

磨削方法具有高效、高精度的优点，被广泛地应用于平面零件的加工。随着磨削技术的不断发展，加工精度不断提高，目前能够一定程度的替代研磨加工，甚至是粗抛加工。针对刚度高、夹持过程中不易产生变形的平面零件，传统的磨削方法(例如平面磨削的方法)能够实现其高精度、高表面质量的高效加工。然而，针对低刚度的平面镜，由于夹持过程中受力变形，磨削后夹持力释放导致工件的面形精度发生变化，不易获得高精度面形，并且受制于传统平面磨削的加工原理，也不易获得好的平行度。

在低刚度平面镜的传统平面磨削加工中，一些研究人员在采用了误差补偿的方法对低刚度平面镜夹持变形进行补偿和控制，例如中国专利CN201610903213.4公开了“光学元件磨削加工面形误差和平行度误差的控制方法及其装置，该装置利用平面磨削方法，先逐点扫描测量低刚度元件的夹持变形，然后通过逐点补偿的磨削方法进行了面形误差和平行度误差的稳定控制，虽然获得了面形精度高和平行度好的工件，但容易产生中频误差，对后续抛光和修形加工带来困难；并且，传统的平面磨削方法砂轮宽度有限，磨削过程中需要进行横向进给，加上逐点扫描和逐点误差补偿的加工方式，都会显著影响磨削精度和磨削效率。

而工件旋转法磨削，采用立式磨削的方法通过杯形砂轮的端面进行磨削，使得砂轮直径不受限制；同时工件转台中心与杯形金刚石砂轮的工作面重合，磨削时工件和砂轮各自绕轴线回转，只有砂轮主轴进行轴向进给，磨削效率高，容易获得厚度均一性高的工件；另外，由于杯形砂轮与工件之间通过砂轮主轴倾角(即砂轮主轴相对于工件的倾角)调整可以获得不同的接触面积，因此能够实现工件面形的控制。但工件旋转法磨削多用于集成电路制造过程中的大尺寸硅片平坦化和减薄加工，少有用于平面镜的加工，虽然在PingLi等发表的《Experimental Investigation of Precision Grinding Oriented toAchieve High Process Efficiency for Large and Middle-Scale Optic》(《AdvancedOptical Manufacturing Technologies》杂志的2016年第9683卷，第968328-1—938628-8页)，采用工件旋转法磨削了直径300mm厚度40mm的光学平面镜，也未涉及工件变形补偿和面形控制的问题。

发明内容