[发明专利]一种螺旋形流体动压抛光垫及其抛光方法

说明书

本发明公开了一种螺旋形流体动压抛光垫及其抛光方法，改变传统球形工具和柱形工具的切点和切线抛光作用方式，将工具与工件之间的作用区域扩展到面接触方式，以提高抛光效率。本发明在抛光垫基体上的中心设置中心供液孔和中行储液区，在表面上设置螺旋形动压槽，且螺旋形动压槽均匀分布于抛光垫基体的表面上，在抛光加工过程中，将预先混合有抛光颗粒的抛光液以一压力从中心供液孔注入抛光垫与工件表面之间的液膜间隙中，同时抛光垫高速旋转，以增强液膜间隙内抛光液的动压效应，根据流体动力学理论，液膜间隙内流体动压力以及流体剪切力能够显著提高抛光液中颗粒冲蚀光学元件表面的效应，去除元件表面材料的，实现抛光的目的。

技术领域

本发明涉及光学加工技术，具体来说是一种基于小磨头抛光工具的盘式流体动压抛光垫及抛光方法，特别是一种涉及流体动压超精密抛光方法。

背景技术

随着现代光学技术的发展，大口径非球面光学元件、离轴非球面光学元件广泛应用于遥感卫星、空基太空望远镜、地基太空望远镜以及惯性约束核聚变等领域。以光学成像系统为例，光学元件的口径越大，其最终分辨率越高，能量收集能力越强，因此，大口径也成为现代非球面光学元件发展的一个趋势。然而，非球面光学元件口径的增大往往会导致加工难度的提高。传统的大口径非球面光学元件的制造通常需要经过铣磨、粗研、精研、粗抛、精抛几道工序，计算机控制光学表面成形技术是目前广泛使用的大口径非球面光学元件加工方法，它通过控制抛光工具在光学元件不同位置驻留时间来实现材料的定量去除，制造过程中加工与检测交替进行，直到光学元件表面精度满足要求。根据所使用的抛光工具不同，抛光方法具体又可以分为应力盘抛光、传统小磨头抛光、磁流变抛光、离子束抛光、射流抛光、流体动压抛光等。各种抛光方法都有自己的适用范围。在实际加工过程中，每一道工序对加工精度和去除效率的要求都有所不同，为兼顾效率和精度，通常需要结合使用多种抛光方法，单一抛光方法难以独立支撑整个加工流程。例如，传统小磨头抛光结构简单，并且具有较高的材料去除效率，既可以被用于研磨阶段，也可以被用于粗抛阶段。然而，工具磨损和磨料分布不均等因素又会导致传统小磨头抛光去除效率的不稳定，这也限制了该方法在精抛面形控制阶段的应用。离子束抛光以其原子级的去除精度和极强的面形控制能力被誉为金字塔尖上的光学加工技术，通常在磁流变抛光工序之后作为精抛的最后一道抛光方法使用。但是，离子束抛光在去除材料的过程中难以改善工件的表面粗糙度，这在一定程度上会影响光学元件的最终性能。所以有必要探索和研究新的抛光方法，优化光学元件加工工艺，这对补充和完善现有光学元件加工体系有着重要的意义。

流体动压抛光技术起源于上世纪90年代，主要特征是将抛光工具与工件完全侵入抛光液中，随着抛光工具的高速运动，抛光工具与工件之间半接触或非接触式相互作用，工具和工件之间形成动压液膜，并通过动压液膜流体的高速运动带动抛光液中磨粒冲蚀工件表面形成材料去除。流体动压原理的抛光技术是一种非接触式抛光工艺，被认为是一种“原子级”抛光工艺，能够实现样件表面无损及纳米级抛光工艺。在以球形工具加工中，加工区域在球形工具与工件表面的切点位置，可以认为是基于切点加工的球式流体动压抛光。在以柱形工具的加工中，加工区域在圆柱形工具与工件表面的切线位置，可以认为是基于切线加工的圆柱式流体动压抛光。然而基于切点和切线方式的动压抛光加工工艺中，工具的作用区域十分有限，难以满足大口径非球面光学元件表面的加工需求。

发明内容