[发明专利]一种用于加工光学元件的非谐振振动辅助磁流变抛光装置及方法

说明书

本发明涉及一种用于加工光学元件的非谐振振动辅助磁流变抛光装置及方法，属于超精密加工领域。X、Y向气浮导轨安装在机床框架上，带动元件进行X、Y向运动；Z、Y向气浮导轨通过螺钉连接，使固定在Z向气浮导轨底端的抛光刀头运动平台沿Z向运动；磁铁旋转台固定在机床框架上，产生的动态磁场使磁流变液发生磁化反应形成磁簇；振动装置安装在磁铁旋转台上，带动元件进行二维振动。本发明提出的非谐振振动辅助磁流变抛光方法，利用旋转磁刷与二维振动相结合，使磨料与元件的表面微结构充分接触，二者的复合运动使磨料对元件的表面划痕、毛刺和裂纹进行有效去除，在提高抛光效率的同时，更好地保留了元件的形状精度。

技术领域

本发明涉及超精密加工领域，尤指一种用于加工光学元件的非谐振振动辅助磁流变抛光装置及方法。

背景技术

随着科技的不断进步，新型的光学元件具有体积小、重量轻、光学性能优良等优点，在幻灯机、红外探测器、薄膜放大镜和航空航天等具有广泛应用。光学元件的面形精度与表面粗糙度直接影响成像质量与分辨率，但有些经过工业加工方法加工出的光学元件由于加工工艺的固有缺陷使得加工出的光学元件无法满足使用要求，因此需要对光学元件进行精密抛光，对一些具有复杂微结构的光学元件，传统的机械抛光技术无法对光学元件上的微结构进行抛光。

现如今对光学元件的加工方法主要有化学抛光、浮法抛光、弹性发射加工、离子束抛光等，化学抛光是一种靠化学试剂对元件表面凹凸不平区域的选择性溶解以达到消除划痕、浸蚀整平的一种方法，但在加工过程中抛光液化学成分的变化会导致加工过程不稳定；浮法抛光是一种将被抛光元件置于抛光液上，但不与抛光盘接触的抛光方式，其对装置结构要求太高；弹性发射加工采用浸液工作方式，利用在工件表面高速旋转的聚氨酯小球带动抛光液中粒度为几十纳米的磨料进行抛光，以达到去除被加工元件表面裂纹的目的，但其加工条件苛刻，制作实验装置困难；离子束抛光是根据离子束溅射原理进行抛光的，抛光时发射具有一定能量的离子去轰击元件表面以达到提高表面粗糙度的目的，但其抛光效率低，抛光成本高昂。

随着磁流变抛光技术的不断发展，越来越多的学者对其进行了更深入的探索与研究。国内的郭江教授公开了一种宏观振动与磁流变抛光技术相结合的新型抛光方法，这种新型的抛光方法利用线性振动器带动被抛光件做垂直于磁场的线性运动，同时被抛光件表面的磁流变液在磁场的作用下发生磁化反应，从而达到抛光工件表面及凹槽的目的，在抛光结束之后，被加工元件的表面粗糙度从2.23μm下降到了0.32μm，粗糙度提高了80％左右，这促使国内的磁流变抛光技术有了很大的创新。国外的印度理工学院的Pandey将超声振动、化学方法和磁流变抛光技术结合在一起，首先通过超声振动与磁流变抛光技术对Si进行抛光，然后利用化学试剂进行整平，在最佳条件下获得了表面粗糙度为11.6nm的表面粗糙度。虽然利用超声振动辅助磁流变抛光技术可以获得较低的表面粗糙度，但是超声振动采用的是谐振方式，只能在特定的谐振频率下工作，并且行程也会受到制动器的限制，同时存在发热等固有缺陷。

发明内容

本发明提供一种用于加工光学元件的非谐振振动辅助磁流变抛光装置及方法，以改善传统磁流变抛光抛光效率低、稳定性差等问题。

本发明采取的技术方案是：一种用于加工光学元件的非谐振振动辅助磁流变抛光装置，包括：X向气浮导轨、Y向气浮导轨、Z向气浮导轨、抛光刀头运动平台、振动装置、磁铁旋转台和机床框架，X向气浮导轨安装在机床框架上，Y向气浮导轨通过螺钉与机床框架连接，Z向气浮导轨通过螺钉与Y向气浮导轨连接，抛光刀头运动平台通过螺钉与Z向气浮导轨连接，振动装置通过螺钉与磁铁旋转台连接，磁铁旋转台通过螺钉与X向气浮导轨连接。

本发明所述的抛光刀头运动平台包括：主轴、配重器和抛光刀头，配重器安装在Z向气浮导轨上，主轴安装在配重器上，抛光刀头安装在主轴上。

本发明所述的抛光刀头包括：抛光杆、长方体磁铁和U型带孔板，长方体磁铁安装在抛光杆的长方形槽内，U型带孔板通过螺钉与抛光杆连接。