气囊抛光曲面光学零件工艺参数对抛光区特征影响的研究

第32卷第3期 2008年5月 燕山大学学报 JournalofYanshanUniversity Vbl．32No．3 May2008 文章编号：1007-791X(2008)03-0197—04 气囊抛光曲面光学零件工艺参数对抛光区 特征影响的研究 龚金成1，谢大纲1，宋剑锋1，姚英学1 (1．哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150001) 摘 要：首先介绍了气囊抛光的原理，然后在自行研制的气囊抛光实验样机上，对曲面光学零件进行了抛光实 验，研究了进动角、气囊压缩量、气囊内部压力、气囊转速以及工件的曲率半径几个重要的工艺参数对球面光 学玻璃抛光区影响情况， 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 了各工艺参数对抛光区的影响规律，给出了曲面光学零件工艺参数合理的抛光区 取值范围。 关键词：气囊抛光；工艺参数；抛光区 中图分类号：THl61+．1文献标识码：A 0 引言 非球曲面光学零件因其具有优良的光学性能， 不仅在航天、航空等国防工业有着广泛的应用，而 且非球面光学零件在军用和民用光电产品上的应 用也很广泛，如在摄影镜头和取景器、电视摄像 管、变焦镜头、电影放影镜头、卫星红外望远镜、 录像机镜头、录像和录音光盘读出头等方面应用“1。 气囊抛光工艺方法，是20世纪90年代伦敦光 学实验室提出来的一种新的非球面抛光方法伫训。气 囊式抛光技术不仅可以保证抛光头与被抛光工件 表面吻合性好，而且可以通过调节压力，控制抛光 效率和被抛光工件的表面质量，是一种具有发展潜 力的非球曲面抛光方法。 哈尔滨工业大学对这种工艺方法进行了深入 研究，自行研制了气囊抛光实验样机，如图1所示， 初步掌握了这种工艺方法晦1。工件进给机构由平面 二维平动运动机构和回转轴魄成，通过工件沿着 x，z向的运动和自身的转动来实现加工过程中工件 相对气囊的进给运动；气囊“进动”机构由二自由 度的串联机构组成，通过进动上转臂吼和进动下转 臂巩的合成运动实现气囊对加工点局部法线的跟 踪和气囊空问姿态的调节。在运动过程中进动上臂 的轴线和下臂轴线始终交于气囊抛光头的球心，气 囊高速旋转时实现对工件的抛光加工。工件在抛光 过程中可自转或是不动，也可以沿槲方向做匀 速移动。 图1气囊抛光实验样机的结构图 Fig．1Structureofbonnetpolishingapparatus 在气囊抛光中，被加工光学元件的材料去除过 程是在抛光区内实现的。因此，研究气囊抛光接触 区的形状特点显得十分必要。本文在一系列凸球曲 面光学零件上进行了抛光实验，在此基础上重点研 究了工艺参数，如进动角、气囊的压缩量、气囊的 内部压力、气囊的转速、工件的曲率半径对曲面光 学零件抛光接触区形状、尺寸面积影响规律，并且 收稿日期：2008·04·02基金项目：哈尔滨工业大学校基金资助项目(HIT．2001．10)；哈尔滨市青年基金资助项目(2002AFQXJ040) 作者简介：龚金成(1981一)，男，甘肃定西人。硕士研究生。主要研究方向为精密、超精密加工。 万方数据 198 燕山大学学报 2008 对实验结果进行了分析，最后得出了实验结论。 1气囊抛光的实验设计 为了研究工艺参数对抛光接触区的影响，在自 行研制的抛光实验样机l二对凸球面的光学玻璃进 行了定点抛光实验。实验条件的取值见表1所示， 具体实验方法是只改变所要研究的那种气囊抛光 的工艺参数，而使其余的参数保持不变，工件的材 料是K9、口径为30mm，抛光液是白氧化铈、浓 度为10％(体积百分比)。被抛光工件为不同曲率 半径球面件。 表1定点抛光实验条件 Tab．1Conditionsforappointedpolishingexperiments 参数 取值 气囊旋转速度／rpm 气囊内部压力／kPa 气囊进动角“o) 抛光液浓度(体积百分比)肠 气囊压缩量／mm 驻留时间／s 工件类型 800 20 25 lO O．2 480 不同曲率的球面件 2工艺参数对曲面工件气囊抛光接触区特 征影响的研究 在气囊抛光中，当充气气囊抛光头在抛光液的 浇淋作用下以一定速度匀速旋转时，在旋转的抛光 头上粘贴的聚氨酯抛光膜载体带动下抛光粉颗粒 在固定不动的工件上产生划痕，这些划痕就形成了 气囊抛光所研究的抛光区。可用工件表面的抛光划 痕来确定抛光接触区的尺寸和形状陋，。而将形状规 则与周围过渡平缓的接触I基称为有效抛光接触区。 影响抛光接触区性质的主要工艺参数为进动 角、气囊的压缩量、气囊的内部气压、气囊的旋转 速度以及工件的曲率半径等。这些工艺参数取值不 同，划痕的长度和深度也各不一样。被加工光学元 件的材料去除过程是在抛光区内实现的。因此，研 究工艺参数对气囊抛光接触区的形状特点影响显 得十分必要。接下来就几种工艺参数对曲面工件抛 光接触区形状的影响规律分别作讨论。 2．1进动角的大小及取值范围对曲面工件抛光接 触区形状影响的研究 针对凸球面工件而言，当进动角较小时 (p=100～15。)，抛光区的形状不规则，对称性较差， 抛光接触区的形状不再是规则的圆形或椭圆形，如 图2所示，接触区沿着与磨料运动垂直方向呈细长 形状，而且离工件中心越远的接触区宽度越小：也 就是说进动角较小时，在加工过程中形成的抛光接 触区是不稳定的，这给光学零件的确定量加工增加 了难度，同时对抛光表面的质量也有不利影响。而 当p=200-25。时，抛光接触区按照一定的规律连续 变化，其分布形状并彳i会随着气囊的压缩量和内部 压力的增加而发生突变，呈规则的圆形或是椭圆 形，只是接触区的面积相应增大，因此定点抛光时 进动角一般设定在此范围内。当p=300时，观察工 件的抛光接触区可以发现，抛光接触区的形状发生 突变，沿与磨料运动方向垂直的一侧出现凸起，离 球心越远的接触区越宽，使得抛光接触区呈柱状。 因此，球面工件气囊抛光得到有效抛光接触区 的进动角的取值范围为20。一25。。 图2球面工件抛光区形状随进动角变化的关系图 Fig．2Relationbetweenpolishingspotshapeofspherical workandprecessingangle 2．2气囊压缩量对曲面工件抛光接触区形状影响 的研究 压缩量是以气囊与被抛光工件表面刚接触为 起点、抛光头在外加压力作用F所产生的下陷量。 不同的压缩量将导致气囊与工件表而接触时形成 不同尺寸的接触区，因此气囊的压缩量也足影响抛 光过程中有效接触区的重要因素。 针对曲率半径较小凸球面工件而言，气囊的压 缩量在0．1-0．6mm之问变化时，气囊的自身变形 是连续的。因此，使得气囊的压缩量分别为0．1， 0．2，0．3，0．4，0．5，0．6mm，其他工艺参数保持 不变，在曲率半径较小的球面工件上进行实验研究 气囊压缩量和接触区的关系，所得到的有效抛光接 触区的形状随气囊压缩量的变化显示在图3中，从 图3中可以看到：在气囊压缩量比较小时 (肛0．1-4)．3mm)，球面工件上的抛光接触区的形状 万方数据 第3期 龚金成等气囊抛光曲面光学零件工艺参数对抛光区特征影响的研究 199 都比较规则，相对于水平轴和垂直轴比较对称；而 当气囊压缩量比较大时(^=0．3~0．6mm)，球面工 件抛光接触区形状和对称性仍旧较好；当气囊压缩 量继续增大时，球面工件抛光接触【x-形状对称性较 差，而且沿着磨料运动方向垂直的方向呈柱状。 因此，较小曲率半径的球面工件气囊抛光得到 有效抛光接触区的压缩量的取值范围为0．1-0．6 0．1rain0．21111110．3into0．4mm O．5mm 0．6mm 图3较小曲率的球面工件抛光区形状 随气囊压缩量变化的关系 Fig．3Relationbetweenpolishingspotshapeofsmall curvaturesphericalworkandbonnetdecrement 然而，针对较大曲率半径的球面工件而言，由 于其弯曲的程度接近平面工件，对平面上件的接触 区和压缩量的关系也进行了研究，可以反映较大曲 率半径球面工件和压缩量关系的变化趋势，如图4 所示。在气囊压缩量比较小时(南=O．1~o．3ram)， 平面工件上的抛光接触区的形状都比较规则，相对 于水平轴和垂直轴比较对称；而当气囊压缩量比较 大时(厅=0．3-0．6mm)，平面工件抛光接触区形状 和对称性较差。平面工件气囊抛光得到的有效抛光 接触区压缩量的取值范围为0．1—0．3mill。 0．1mm O．2mmO．3rain0．4nlnl O．5ITlln0．6111111 图4平面工件抛光区形状随压缩量变化的关系 Fig．4Relationbetweenpolishingspotshapeofplanework andbonnetdecrement 2．3气囊内部压力对曲面工件抛光区形状影响的 研究 抛光气囊的内部压力可以独立调节，它也是影 响抛光区特性的重要因素。通过对气囊内部压力的 控制，能够达到不同的加工目的。 使得气囊的内部气压分别为10、15、20、25、 30kPa，其他工艺参数保持不变，在曲率半径较小 的凸球面工上进行了实验，得到抛光接触区的实验 结果如图5所示。从图5中可以看到：在气囊内部 气压比较小时(p=10-25kPa)，球面工件上的抛光 接触区的形状都比较规则，相对于水平轴和垂直轴 比较对称；而当气囊内部气压比较大时(p=25～30 kPa)，球面工件的抛光接触区形状和对称性仍旧较 好，基本和内部气压较小时没有很大的差别。因 此，较小曲率半径．(f勺球面工件气囊抛光得到有效抛 光接触区的内部气压的取值范围为：10kPa<压缩 量<30kPa。 10kPa15kPa 20kPa 25J【Pa 30kPa 图5球面工件抛光区形状随内部气压变化的关系图 Fig．5Relationbetweenpolishingspotshapeofspherical workandbonnetpress 然而，针对较大曲率半径的球面工件而言，由 于其弯曲的程度接近平面工件，对平面工件的接触 区和内部气压的关系也进行了研究，可以反映较大 曲率半径球面工件和内部气压的关系的变化趋势， 如图6所示。在气囊内部气压比较小时p=10～25 kPa)，平面工件上的抛光接触区的形状都比较规 则，相对于水平轴和垂直轴比较对称；而当气囊内 部气压比较大时(p=25-30kPa)，平面工件抛光接 触区形状和对称性仍旧较差。-甲面工件气囊抛光得 到的有效抛光接触区压缩量的取值范围为：10-25 kPa。 lOl【Pa15kPa 20kPa 25kPa30kPa 图6平面工件抛光区形状随内部气压变化关系图 Fig．6Relationbetweenpolishingspotshapeofplanework andbonnetpress 2．4气囊转速对曲面工件抛光接触区形状影响的 研究 使得气囊的转速分别为300、400、500、600、 700、800rpm，其他工艺参数保持不变，在不同曲 万方数据 200 燕山大学学报 2008 率半径球面工件上进行了实验，得到抛光接触区的 速对球面抛光区形状变化的影响较小； 实验结果表明：气囊转速对抛光接触区的形状特征 基本没有影响，抛光接触区尺寸总的趋势是随转速 的增加而增大。 2．5工件曲率半径对曲面工件抛光接触区形状影 响的研究 采用不同曲率半径曲面工件进行抛光。在相同 的实验条件下，曲率半径小的实验件抛光区比曲率 半径大的抛光区小。这是因为当气囊压缩后和曲率 半径大的工件接触面积比和曲率半径小的工件接 触面积大，因此曲率半径大的工件的抛光区也要大 一些。 3结论 本文在一系列抛光实验的基础上研究了进动 角、气囊压缩量、气囊内部压力及其转速以及工件 的曲率半径几个重要的工艺参数对曲面件抛光接 触区的大小和形状特征的影响规律。在一系列抛光 实验的基础上得到如下结论： 1)进动角、气囊压缩量、气囊内部压力是影 响工件抛光区形状的主要工艺参数，并且气囊压缩 量、气囊内部气压对较大曲率的球面件抛光区的形 状影响比曲率半径较小的球面工件明显，而气囊转 2)曲率半径对于抛光参数的取值具有明显的 影响，即工艺参数对曲率半径较大的球面件比对曲 率半径小的球面件抛光接触区的影响显著。通常， 曲率半径小的工件抛光参数的取值范围稍大。 上述从实验中得到的结果为今后气囊抛光应 用到非球面的加工上、进而突破高精密非球面加工 的难题奠定了理论和实验基础。 参考文献 【l】杨力．先进光学制造技术【M]．北京：科学出版杜，2001． 【2】BinghamRG，walI【erDD，KimDH，etal。Anovelautomated processforasphericsurfaces【C】／／ProcSPIE45thAnnualMeeting， 2000：445．450． 【3】WalkerDD，BeaucampATH，BrooksD，eta1．．Newresults fromtheprecessionspolishingprocessscaledtolargersizes[C】／／ ‘ProcSHEAstronomicalTelescopcsandInstnmaantaionMeeting， 2004：71． 【4】WalkerDD，BeaucampATH，BinghamRH，etal～Processions ashericpolishing：newresultsfromthedevelopmentm_0m-dm[c]# ProcSHE’s48thAnnualMeeting．2004：15-28． 【5】高波．气囊抛光实验样机的研制及其关键技术的研究【】D】．哈 尔滨：哈尔滨工业大学，2005． 【6】刘研．气囊式抛光原理分析及工艺实验研究【D】．哈尔滨：哈 尔滨工业大学，2004． Studyoninfluencesofprocessingparametersonpolishingspotforcurved opticalwork—pieceinbonnetpolishing GONGJin-chen91，XIEDa-gan91，SONGJian—fen91，YAOYing—XUel (1．SchoolofMechanicalandElectricalEngineering，HarbinInst．ituteofTechnology,Harbin，Heilongjiang150001，China) Abstract：Inthispaper,firstlythetheoryofbonnetpolishingisdescribed．Thentheinfluencesofdifferentimportantprocessing parametersonthesizeandshapeof”polishingspot”forsphericalopticalwork-piecesarestudiedbytheexperimentsonthetrial· manufacturingmachine．Intheend，forthesphericalwork·pieceinbonnetpolishing，theinfluencerulesoftheprocessingparameters onthepolishingspotandthevaluespanoftheprocessparametersaregiven． Keywords：bonnetpolishing；processingparameter；polishingspot 万方数据