[实用新型]基于静压原理抛光工具的薄壁异形曲面抛光装置

说明书

本实用新型公开了基于静压原理抛光工具的薄壁异形曲面抛光装置，包括用于喷出抛光液的喷嘴，还包括流体缸，所述流体缸上连接若干活塞，所述活塞的输出方向朝向被抛光曲面，活塞的输出端设置抛光磨具，所述抛光磨具与被抛光曲面相匹配。本实用新型的目的在于提供基于静压原理抛光工具的薄壁异形曲面抛光装置，以解决现有技术中针对薄壁异形曲面的抛光方式存在加工效率低、均匀性差、容易破坏初始面形、难以获得高精度表面的问题，实现对薄壁异形曲面载荷的均匀施加，保证去除的均匀性，同时大大减少边缘效应的目的。

技术领域

本实用新型涉及光学元件抛光领域，具体涉及基于静压原理抛光工具的薄壁异形曲面抛光装置。

背景技术

薄壁异形曲面是重大光学工程和国防武器系统中的一类重要元器件，正在朝尺寸小型化、形状复杂化、材料特殊化、表面无损化等方向发展，其超精密加工难度较大，已成为我国科学技术发展的瓶颈。例如：用于长波红外远程空空导弹中的金刚石膜头罩，采用超硬材料和高陡度非球面结构设计，要求达到亚微米级面形精度和纳米级表面粗糙度；用于惯性导航仪—半球谐振陀螺仪中的半球谐振子，采用狭小深腔异形曲面结构设计，要求内外表面达到亚微米级面形精度以及近无损伤表面完整性；并且随着激光技术快速发展，提出对于光学薄壁圆筒等多种深腔类曲面的加工需求，目前传统抛光方式的加工精度和效率远远满足不了装备发展需要。

上述半球谐振子、导弹头罩、薄壁圆筒等回转对称类异形曲面对面形精度和表面质量都有很高的要求，加工工艺可分为磨削、粗抛光、精抛光过程，针对硬脆材料的磨削主要通过砂轮磨削、金刚石飞车等方式，但不管哪一种方式都会在被加工表面留下划痕或形成损伤层，同时粗糙度难以达到精抛光的要求。对于高速飞行器的头罩，表面缺陷会降低材料抗高温、高压的性能；而对于光学元件，亚表面损伤等会降低元件抗激光性能。因此工件需进行粗抛光过程，粗抛光过程主要有两个目的：(1)快速去除前一道工序的损伤层；(2)降低表面粗糙度值。工件经过粗抛光后，表面质量达到要求后，精抛光过程经过局部的修整，最终达到较高的面形精度。综上所述，粗抛光过程十分重要，其加工效率和质量直接决定了工件的加工周期和表面质量。

针对半球谐振子、薄壁圆筒这类异形曲面抛光，其难度较大，主要有两个方面：(1)被加工表面为异形或深腔类结构，传统抛光方法抛光工具难以满足空间结构要求；(2)被加工光学曲面壁厚很薄，工具载荷均匀性对去除的均匀性与工件变形的均匀性有很大影响，最终决定了去除的均匀性以及对面形精度的影响。目前，针对薄壁圆筒或半球谐振子这一类薄壁异形曲面的加工，主要以手工抛光为主，十分依赖工人的技巧，工艺过程经验化严重，加工精度难以保证，难以实现高效率、高精度加工。

针对薄壁圆筒、半球谐振子这类回转对称类曲面抛光的自动化的难度主要有几个方面：(1)抛光工具结构难以满足加工要求；(2)如何实现抛光工具载荷均匀作用在被加工曲面，从而保证去除的均匀性，不破坏初始面形；(3)被加工表面存在边缘效应，抛光磨具各个部分磨损速率不同，长时间加工影响磨具与被加工表面的贴合均匀性，导致材料去除不均匀，破坏初始面形。以K9材料的薄壁圆筒为例，圆筒壁厚小于5mm，长度大于100mm，在经过砂轮磨削后，内外圆柱面会存在几十微米的损伤层，粗抛光的目的是均匀去除损伤层，又不破坏内外圆柱表面高精度的面形精度和形位公差，现有工艺方式基本不能满足这种深腔、薄壁光学曲面的加工要求，以抛光玻璃圆筒的内圆柱面为例，圆筒为深腔结构，抛光工具必然是类似车刀、镗刀的悬臂结构，这样工具才能深入到圆筒内表面进行加工，然而抛光不可能如车削等机械加工工艺一样，刀具与被加工表面的接触类型为点接触的方式，抛光去除量远远小于机械加工，同时光学元件对材料表面完整性有极高的要求，因此，抛光工具与被加工光学表面的接触一定是面接触，那么一个亟待解决的问题是悬臂结构的抛光工具如何施加载荷使整个抛光工具与工件接触面的载荷作用均匀？在实际加工过程中，悬臂结构的抛光工具会发生变形，抛光磨具表面也不平整，抛光磨具与工件的接触面各处的载荷很难达到相同，最终导致实际抛光过程中材料去除不均匀，破坏了初始的面形精度，同时抛光过程不确定性增加，难以控制。