專利名稱：一種非接觸式超聲波面形修拋方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及小口徑脆性高硬度材料的高精度非球面超聲波拋光技術，屬于精密光學加工技術領域。
背景技術：
脆性硬質合金材質的小口徑高精度非球面模芯是低熔點玻璃熱壓成型技術中的關鍵部件，其面形精度直接影響最終的成型光學零件精度。其光學表面的加工工序首先通過精密銑削加工使表面成形，然后進行拋光獲得最終的面形精度和達到光學等級的表面光潔度，最后對光學表面鍍類金剛石膜層。拋光工序直接影響最終面形和光潔度，是控制面形最為重要的工序。目前，對脆性硬質合金的拋光主要有以下幾種方式1、常規研磨拋光一般使用金剛石研磨膏作為研磨劑采用傳統的接觸式拋光盤研磨方法進行拋光，通過拋光工具和工件之間的相對移動實現拋光磨料顆粒對表面材料的劃擦去除，并采用邊拋邊檢的方法對面形進行修正。對于小口徑的非球面模芯來說，由于受拋光盤尺寸影響，難以精確控制各拋光區域內的材料去除量，尤其是口徑為毫米量級的高次非球面模芯，很難獲得高精度的表面面形。2、接觸式超聲波拋光同樣采用金剛石研磨膏作為研磨劑，通過超聲波發生器、換能器、變幅桿把超聲振動傳遞到工具頭上，工具頭對工件施加一定的拋光壓力，磨料顆粒受到工具頭的高速高頻振動的直接錘擊不斷撞擊工件表面，從而實現表面材料去除的目的。 這種拋光模式下由于工具頭和工件發生接觸，拋光過程中的材料去除量的分布和工具頭形狀有關，工具頭形狀會被復制。由于拋光過程中磨料顆粒同樣會損耗工具頭，因而工具頭的形狀在拋光過程中一直發生變化，其去除函數也一直在發生變化。這種拋光技術目前常見于對表面面形要求不高的模具模芯制造，對于光學應用的小口徑非球面模芯這種拋光方法無法實現高精度拋光。3、二維流體振動超光滑表面拋光設備及其拋光方法中國發明專利(CN1618568) 公開了一種二維流體振動超光滑表面拋光設備及其拋光方法，適用于低成本實現超光滑平面拋光；其步驟包括將被拋光工件浸泡在拋光液體內并置于密封容器中，容器中施加一定的壓力并通過液體傳遞到工件表面提高拋光效率。設備工作時由浸入式超聲波換能器在液體中產生垂直方向的高頻液體振動，由機械裝置使密封容器產生低頻的水平方向振動從而行成兩個方向上的綜合振動，在振動作用下實現表面材料的去除。該設備還設計的專門的裝置使工件可以在拋光液體中進行自轉和公轉，以保證拋光的均勻性。該拋光方法將拋光分為兩級拋光，第一級拋光拋光液中加入精細磨料和化學物質進行粗拋，第二級拋光采用純液體拋光進行精拋。該發明主要用于平面的超光滑拋光，拋光時整個光學平面都受到液體振動的作用，同時去除材料，由于設備采用了均化處理，理論上來說整個表面的材料去除量應該是一致的。該設備僅適合對各種材料的平面的均勻超光滑拋光，無法實現對表面的局部修拋，無法修正表面面形，其最終面形精度取決于拋光前的表面面形。

發明內容
本發明的目的在于提供一種適合于脆性硬質材料的小口徑高精度非球面面形加工，能實現數控加工的非接觸式超聲波面型修拋方法及其裝置。實現本發明目的的技術方案是提供一種非接觸式超聲波面型修拋方法，包括如下步驟(1)對被加工表面進行一定時間的非接觸式超聲波面型修拋加工，檢測修拋區域內的材料去除分布，得到被加工材料單點呈高斯型分布的去除函數；所述的非接觸式超聲波面型修拋加工為工具頭工作面和被加工表面之間充滿拋光液，并保持工具頭工作面和被加工表面間的間隔距離恒定；(2)設定覆蓋整個被加工表面的修拋路徑；(3)依據所得到的材料去除函數和被加工面的殘余誤差，確定工具頭在修拋路徑上各點的駐留時間；(4)依據修拋路徑及路徑上各點的駐留時間，編制加工程序，輸入數控加工系統， 對被加工表面進行非接觸式超聲波面型修拋加工；(5)檢測修拋后的面形，若未達到要求，則重復步驟(2) ，直至得到滿足要求的面形。所述的拋光液包括純水與磨料顆粒混合的懸浮液體；所述的磨料顆粒為氧化鋁微粉或碳化硼微粉。工具頭工作面和被加工表面的間隔距離為0. 1 1mm。一種實現上述非接觸式超聲波面型修拋方法的裝置，它包括超聲波加工系統、數控加工系統和拋光液供給循環系統；所述的超聲波加工系統由超升系統夾持裝置固定，換能器將超聲波發生器產生的超聲波信號轉換成相同頻率的超聲機械振動，再通過變幅桿將振幅放大并傳遞到工具頭，由工具頭實現超聲波修拋；所述的數控加工系統包括數控轉臺、數控位移臺、數控升降臺和夾具，待加工工件由夾具夾持，與數控轉臺和數控位移臺連接，由數控位移臺和數控轉臺的運動控制修拋路徑，工具頭與數控升降臺連接，由數控升降臺控制工具頭工作面和工件表面的間隔；所述的拋光液供給循環系統，拋光液盛于拋光液槽內，由磁力攪拌器攪拌均勻，經潛水泵吸入輸送管，通過萬向調節噴嘴將拋光液充滿工具頭工作面和被加工表面之間，拋光液再經拋光液收集槽、拋光液回流管至拋光液槽，循環使用。所述的工具頭為直徑0. 2 4mm、長度3 7mm的圓柱型銅棒或鋁棒。本發明的原理是工具頭產生的機械超聲振動在液體中繼續向下傳播時引起的質點高頻振動促使被加工工件表面附近的磨料顆粒產生同頻率的振動并撞擊被加工表面產生材料去除。本發明基于下述原理，可以獲得穩定的高斯型分布的去除函數分布1、圓盤形工具頭做活塞式的超聲簡諧振動時，其工作面可視作平面圓形振子，即它延平面法線方向作超聲簡諧振動時，其表面上各點的振動速度和相位都相同。工具頭向拋光液中傳遞超聲振動實質是平面圓形振子向半無限大的空間發射超聲波。2、以圓盤中心為坐標系原點，建立柱面坐標系，ζ軸正方向為超聲波傳播的半無限大空間。參見附

圖1，它是本發明所依據的圓形振子向半無限空間發射超聲波的原理示意圖；如圖1所示，取圓盤振子上某點代，0，％)，其面積力=凡#/^，其振動傳播到空間某
點M (代，處時的超聲聲壓可以用下式表示
權利要求
1.一種非接觸式超聲波面型修拋方法，其特征在于，包括如下步驟(1)對被加工表面進行非接觸式超聲波面型修拋加工，檢測修拋區域內的材料去除分布，得到被加工材料單點呈高斯型分布的去除函數；所述的非接觸式超聲波面型修拋加工為工具頭工作面和被加工表面之間充滿拋光液，并保持工具頭工作面和被加工表面間的間隔距離恒定；(2)設定覆蓋整個被加工表面的修拋路徑；(3)依據所得到的材料去除函數和被加工面的殘余誤差，確定工具頭在修拋路徑上各點的駐留時間；(4)依據修拋路徑及路徑上各點的駐留時間，編制加工程序，輸入數控加工系統，對被加工表面進行非接觸式超聲波面型修拋加工；(5)檢測修拋后的面形，若未達到要求，則重復步驟(2) G)，直至得到滿足要求的面形。
2.根據權利要求1所述的一種非接觸式超聲波面型修拋方法，其特征在于，所述的拋光液包括純水與磨料顆粒混合的懸浮液體；所述的磨料顆粒為氧化鋁微粉或碳化硼微粉。
3.根據權利要求1所述的一種非接觸式超聲波面型修拋方法，其特征在于，工具頭工作面和被加工表面的間隔距離為0. 1 1mm。
4.一種實現如權利要求1所述的非接觸式超聲波面型修拋方法的裝置，其特征在于， 它包括超聲波加工系統、數控加工系統和拋光液供給循環系統；所述的超聲波加工系統由超升系統夾持裝置固定，換能器將超聲波發生器產生的超聲波信號轉換成相同頻率的超聲機械振動，再通過變幅桿將振幅放大并傳遞到工具頭，由工具頭實現超聲波修拋；所述的數控加工系統包括數控轉臺、數控位移臺、數控升降臺和夾具，待加工工件由夾具夾持，與數控轉臺和數控位移臺連接，由數控位移臺和數控轉臺的運動控制修拋路徑，工具頭與數控升降臺連接，由數控升降臺控制工具頭工作面和工件表面的間隔；所述的拋光液供給循環系統，拋光液盛于拋光液槽內，由磁力攪拌器攪拌均勻，經潛水泵吸入輸送管，通過萬向調節噴嘴將拋光液充滿工具頭工作面和被加工表面之間，拋光液再經拋光液收集槽、拋光液回流管至拋光液槽，循環使用。
5.根據權利要求4所述的一種非接觸式超聲波面型修拋裝置，其特征在于，所述的工具頭為直徑0. 2 4mm、長度3 7mm的圓柱型銅棒或鋁棒。
全文摘要
本發明涉及小口徑脆性高硬度材料的高精度非球面超聲波拋光方法，公開了一種非接觸式超聲波面形修拋方法及其裝置。本發明利用圓形振子產生的超聲簡諧振動在液體中的傳播特性對脆性硬質合金材料進行拋光，能夠獲得高斯型分布的、穩定的材料去除函數。設定覆蓋整個被加工表面的拋光路徑后，依據所得到的材料去除函數和被加工面的殘余誤差確定工具頭在拋光路徑上各點的駐留時間，編制加工程序，輸入數控機床，進行修拋加工。本發明結合數控技術對表面不同區域實現材料去除量的精確控制，可以對各種平面、球面、非球面等光學表面進行面形修正拋光，獲得高面形精度的光學表面。
文檔編號B24B1/04GK102441820SQ20111036154
公開日2012年5月9日 申請日期2011年11月15日 優先權日2011年11月15日
發明者黃啟泰 申請人:蘇州大學, 蘇州日高微納光學精密機械有限公司