數控氣囊式拋光結構設計與非球面加工工藝技術研究

孔琳，賈宗合，邵維，劉冬梅，付秀華

（1長春理工大學光電工程學院，長春 130022；2吉林東光集團有限公司，長春 130022）

數控氣囊式拋光結構設計與非球面加工工藝技術研究

孔琳1，賈宗合1，邵維2，劉冬梅1，付秀華1

（1長春理工大學光電工程學院，長春 130022；2吉林東光集團有限公司，長春 130022）

非球面光學元件由于具有改善系統成像質量、提高光學性能等特點被廣泛的應用于各類光電產品中，因此如何拋光加工出高精度非球面元件成為國內外學者面臨的難題。對數控氣囊拋光方法拋光非球面元件的工藝進行研究，分析氣囊拋光的加工原理，設計氣囊式拋光頭的結構，并對材料去除函數進行分析。在實驗過程中使用硅膠氣囊與橡膠氣囊對非球面元件進行拋光對比，采用輪廓儀測量非球面面型，并使用高倍放大鏡檢測表面質量。結果表明，利用數控氣囊拋光方法可以加工出光滑的非球面表面，粗糙度為0.9nm，該方法是拋光高精密非球面光學元件的有效方法，且數控氣囊拋光工藝具有可擴展性。

數控氣囊式拋光；去除函數建模；結構設計；非球面；高精度

在現代光學系統設計中，由于非球面光學元件具有縮小光學系統外形尺寸、減輕系統質量、提高光學性能、改善成像質量等優點，被廣泛應用于軍事、民用、醫療、激光以及光通訊等領域。由于非球面光學元件的曲率半徑隨著空間坐標系的變化而各不相同，因此如何獲得高精密非球面成為相關領域技術人員所要解決的難題。近年來新的拋光方法發展迅速，如磁流變拋光、離子束拋光、應力盤拋光、小工具拋光以及計算機控制光學表面成型技術等［1］。

氣囊式拋光是20世紀90年代倫敦光學實驗室提出來的一種新的超精密拋光方法，國外在應用上取得了階段性成果。基于理論和實驗的研究成果，2002年倫敦光學實驗室相繼研制了IRP（IRP200、IRP600、IRP1000）系列數控氣囊式拋光機床，可拋光的最大直徑為2.3m，并將氣囊拋光應用于Euro50大型天文望遠鏡的加工中，其中IRP1000拋光機床加工直徑為1000mm，面型PV值80nm，表面粗糙度RMS為0.3nm，磨削去除率達到每分鐘2.0mm3以上，拋光去除效率達到每分鐘0.25mm3以上［2］。

在國內開展數控式氣囊拋光技術研究的有長春光機所、國防科技大學、哈爾濱工業大學、北京理工大學等。哈爾濱工業大學的宋劍鋒等運用數控氣囊式拋光技術對平面光學元件BK7進行了拋光實驗，得到Ra為0.931nm的超光滑表面。浙江工業大學在自由曲面上采用機器人拋光系統，研究氣囊拋光工具與拋光中各工藝參數對元件拋光的影響。在過去的實驗中，主要分析氣囊式拋光方法中的工藝參數以及去除機理。對于氣囊式拋光頭的結構設計問題，目前還沒有相關報道，本文為解決氣囊漏氣問題，對氣囊式拋光頭結構進行改善研究，達到良好的拋光效果。

1 數控氣囊式拋光原理與材料去除函數建模

氣囊式拋光屬于散粒式拋光方式，氣囊外形呈球冠狀，外表面粘貼聚氨酯拋光墊［3，4］，將氣囊置于拋光頭內，通過控制氣體的壓力，使氣囊發生形變與元件表面具有良好的吻合性。在拋光過程中通過控制氣囊充氣壓力、拋光路徑、氣囊與元件的接觸面積［5］、拋光表面駐留時間以及拋光液濃度等，達到對非球面元件表面精確拋光的目的。

對于拋光材料去除的研究，主要是對拋光材料在單位時間內的去除函數進行建模，假設氣囊與被拋非球面接觸時遵循赫茲接觸理論，即兩個物體在受到擠壓之后接觸，不考慮接觸之間的相互摩擦時所產生的局部應力以及應力分布，那么材料去除函數的建?；咀裱璓reston方程［6，7，8］。即拋光時材料的去除量與該接觸點的壓強、相對線速度以及駐留時間成正比，即：

為使實驗更加簡化，保持pc(x,y)恒定且υs(x,y)不隨時間變化。當施加壓力垂直表面時，定義拋光頭磨削特性函數為：

這樣，去除率函數H(x,y)即為拋光頭磨削特性函數R(x,y)與駐留時間函數D(u,ν)二者的卷積

通過理論和實驗總結得到，數控氣囊式拋光時拋光區域內的材料去除率遵循Preston方程。

2 拋光工具的結構設計

2.1 拋光氣囊材料選取

拋光過程中柔性氣囊作為主要的拋光工具，由于氣囊的硬度對元件的拋光影響很大，所以如何控制氣囊的硬度對拋光來說至關重要。之前的拋光氣囊多用橡膠制備，由于橡膠本身材料的特性，較厚的橡膠氣囊，與元件表面的吻合性降低；較薄的橡膠氣囊，過于柔軟不利于小口徑元件的拋光。通過實驗摸索，采用硅膠作為拋光氣囊，可彌補橡膠材料的不足。實驗中選取1mm、2mm、3mm、4mm、5mm不同厚度的氣囊，為了延長氣囊的使用壽命，用纖維布作為中間加強層，最外層即拋光模層使用0.08mm的聚氨酯拋光墊，使用相同的壓力對比橡膠氣囊與硅膠氣囊的形變量，對比圖如圖1所示。

圖1 氣囊厚度與形變量關系

由圖1可以得出，當氣囊厚度從1mm變化到5mm時，硅膠氣囊相比于橡膠氣囊壓縮形變量更小，硅膠氣囊的厚度變化對于氣囊硬度的影響較弱，實驗中更容易控制氣囊的形變量以及與元件表面的接觸面積。

2.2 拋光頭的結構設計

在實驗中發現，經過長時間的拋光，拋光氣囊容易出現漏氣問題，因而氣囊不能保持恒定的拋光壓力，使得元件表面面型精度下降。為了提高氣囊的牢固性和穩定性，對拋光頭結構進行重新設計，使拋光氣囊與拋光頭緊密接觸［8］，避免拋光過程中的漏氣問題，同時保持均勻壓力進行拋光。其結構主要由基座、套筒、緊固蝶型栓組成，如圖2、圖3所示。

圖2 拋光夾具裝配圖

圖3 拋光夾具組成圖

基座內部中空作為支撐氣囊的主體，外部使用套筒固定氣囊，同時對氣囊進行保護，防止磕碰漏氣，使用緊固蝶型栓將基座和套筒固定，此外，為了保證封閉性，在蝶型栓內加入密封墊。

此前的拋光氣囊主要依靠強力粘合劑與拋光頭固定，經過長時間拋光，粘合劑老化，氣囊與拋光頭的封閉性降低，新的氣囊式拋光頭不再依賴粘合劑固定，運用基座和套筒將氣囊穩固夾緊，實驗證明這種拋光頭結構簡單，并且經過長時間拋光后，硅膠氣囊不存在漏氣變形問題，氣囊與元件吻合性良好。能夠達到理想的拋光效果，并且具有良好的重復性和穩定性。

表1 加工工藝參數

圖4 加工運動方式

另外，在平面元件拋光過程中拋光氣囊采用“進動”的運動方式拋光，非球面元件拋光中也可借鑒這種運動方式，如圖4所示，即氣囊的自轉軸與元件表面法線傾斜一定的角度，由邊緣向中心均勻拋光。對非球面元件拋光這種運動方式具有以下特點：首先，能夠將氣囊中心速度為零的點轉換到拋光區域外，提升拋光效率。再者，氣囊保持穩定的壓力，使得元件表面得到均勻拋光。其次，在拋光過程中拋光液會隨著離心運動向元件邊緣運動，拋光頭的這種“進動”式運動能夠有效的保留拋光液分布在元件表面，提升去除效率。

3 硅膠氣囊拋光方法與橡膠氣囊拋光方法實驗對比研究

為了研究硅膠氣囊拋光方法的效果，實驗中對直徑為80mm非球面元件ZK-10（重冕玻璃化學組成成分為BaO（ZnO、CaO）-B2O3-SiO2），）［9，10］進行拋光。由于非球面度較大，要獲得精確面型具有一定難度。在實驗中使用相同的工藝參數，如表1所示。拋光過程每10min對元件表面進行PV值測量，得到結果如圖5所示。結果證明相比于橡膠氣囊，硅膠氣囊拋光能更快的收斂表面PV值，具有更高的去除效率，能獲得高精度非球面元件。在相同壓力下經過六小時連續拋光，使用輪廓儀測量元件PV值，如圖6所示，并使用高倍放大鏡觀察元件表面質量，將兩種拋光結果進行對比。

圖5 橡膠氣囊與硅膠氣囊拋光方式實驗結果對比（PV）

實驗中使用設計的氣囊式拋光頭，有效固定氣囊位置，并且解決了氣囊漏氣的問題，與元件表面保持良好的吻合性。硅膠氣囊對于非球面度較大的元件能夠隨著面型變化附著表面進行拋光，并且能保持穩定形態，彈性系數幾乎不變，可以長時間重復使用。橡膠氣囊經過長時間拋光，氣囊出現細小裂痕，拋光過程中無法保證恒定的拋光壓力，尤其對于非球面度較大的元件吻合性降低，因此，橡膠氣囊的拋光效果不如硅膠氣囊。

圖6 實驗結果對比

4 結論

本文從數控氣囊式拋光原理出發，對材料去除函數進行分析，經過實驗及理論總結，拋光區域內的材料去除率基本遵循Preston方程。針對拋光氣囊的漏氣問題，設計氣囊拋光頭的結構。在實驗中將硅膠氣囊與橡膠氣囊進行拋光對比研究，實驗結果證明，硅膠氣囊拋光相比橡膠氣囊拋光能更快收斂元件表面PV值，去除效率更高。對于ZK-10非球面元件，PV值達到0.3μm，表面粗糙度達到0.9nm，多次實驗證明重復性理想。可見氣囊式拋光是一種有效的加工方法，且該方法具有擴展性。

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The CNC Bonnet Polishing Structure Design and Study on Machining Technology of Aspheric Surface

KONG Lin1，JIA Zonghe1，SHAO Wei2，LIU Dongmei1，FU Xiuhua1
（1.School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Jinlin Dongguang Group，Changchun 130022）

Aspheric optical components are widely applied in various types of optoelectronic products due to the characteristics of improving the system imaging quality and the optical properties.Therefore，how to produce high precision aspherical components become the problem faced by domestic and foreign scholars.In this paper，the process of polishing aspheric components by the CNC bonnet polishing method is studied，and both the processing principle of bonnet polishing andmaterial removal function are analyzed，the structure of the bonnet polishing grinding head is designed，In the experimental process，using silicone gasbag and the rubber gasbag of aspherical components are comparatively polishing，In the experimental process，using silicone gasbag and rubber gasbag to polishing contrast for aspherical elements.

bonnet tool polishing with CNC machine；removal function modeling；structure design；aspheric surface；high precision

TH706

A

1672-9870（2016）06-0027-04

2016-07-04

吉林省重大科技攻關專項（No21040203002GX）；國家高技術研究發展計劃（12349876）資助

孔琳（1991-），女，碩士研究生，E-mail：13039046058@163.com

賈宗合（1980-），男，碩士，實驗員，E-mail：jiazonghe80@126.com