專利名稱：基于電流變液的柔性可控氣囊拋光工具的制作方法
技術領域：
本發明屬于先進光學制造領域，具體涉及的是一種電流變式柔性可控氣囊拋光工具。
背景技術：
現代光學系統對光學元件表面質量提出了極其嚴格的要求，武器裝備、空間觀測、激光核聚變、極紫外光刻等不僅要求光學元件具有極高的面形精度，同時也要對全頻段誤差分布做出嚴格的控制。目前的計算機控制光學表面成形技術(CCOS)與傳統技術相比能大大提高加工效率，且具有設備簡單、造價低廉等優勢，逐漸成為加工非球面的主要方法。但是由于其采用的剛性小磨頭與被加工零件表面不吻合及其子口徑修磨加工特性等原因， 導致CCOS技術加工出的光學元件表面通常帶有明顯的中頻誤差(波紋度誤差)。這種誤差會使光線發生小角度散射，從而使成像產生耀斑，嚴重影響像的對比度。因此研究抑制CCOS技術產生的中高頻誤差的方法便成為光學加工界普遍關注的課題。20世紀70年代初，Itek公司的W. J. Rupp率先提出CCOS技術思想，并由R. A. Jones設計完成了世界上第一臺計算機控制拋光機。這種技術采用比被加工元件尺寸小得多的柔性拋光工具(一般是工件的1/8-1/15)，根據干涉儀等光學表面面形檢測儀器測得的面形數據，建立加工過程的控制模型，選擇合適的拋光參數，在計算機控制下按照一定的路徑和相應的磨頭駐留時間來加工工件表面，使其面形向理想形狀收斂。正是在這種技術思想的引導下，世界各個發達國家開始研究不同形式的CCOS技術，目前主要有氣囊拋光(airsac polishing)、射流拋光(fluent jet polishing)、磁流變拋光(magnetorheologicalfinishing)、離子束拋光(ion beam finishing)。在實際加工非球面光學元件的過程中，這幾種加工技術能大大提高加工效率，但同時也存在中高頻誤差，以剛性小磨具拋光最為嚴重。自CCOS技術誕生之初，研究人員就已經意識到該技術在拋光加工中帶來的中高頻誤差。1990年Pravin K. Mehta等發表文章提出flexible polishing tools (柔性拋光工具)，以彈性力學為理論基礎分析了柔性拋光工具的受力分布和彈性變形情況，擬解決傳統剛性小磨頭與拋光工件面形不吻合及受力不均勻等問題。其論文中大量的理論分析、有限元仿真為研究新型拋光小磨具做了開創性的工作。基于Pravin K. Mehta等人的研究,亞利桑那大學的 Michael T. Tuell 和 James H. Burge 等人進一步提出 semi-flexible tool (被動半剛性盤)。這種被動半剛性盤由剛性基底、變形層、金屬薄板以及拋光層構成，之所以采用這種特殊的夾層式結構，是為了使磨盤在具有足夠的剛度的同時，又能按照工件的面形被動變形，這樣才能在盡量不破壞原有面形的同時，盡可能去除中頻誤差。在被動半剛性磨盤中，剛性基底用于傳遞外加載荷，變形層則保證了金屬薄板被動變形的可達性。利用這種拋光盤對鏡面進行平滑處理，對中頻誤差有一定抑制作用。但磨盤本身無法主動控制變形、彈性模量等參數，限制了其進一步廣泛應用。近年來，亞利桑那大學的Dae Wook Kim等在前人工作基礎上，從材料力學角度出發采用一種非牛頓流體材料，設計出一種新型拋光工具visco-elastic polishing tool (粘彈性拋光工具)。這種拋光工具采用和被動半剛性磨盤類似的結構，只是將變形層的材料改為非牛頓流體。該非牛頓流體對作用時間長的力可以保持其流體的柔性，而對于作用時間短的力則表現出類似薄板一樣的剛性。以此非牛頓流體為變形層，拋光盤能對中高頻誤差保持較高的剛性，從而實現特定頻率誤差去除，對于低頻面形拋光盤又具有很好的變形能力，從而保持鏡面原有面形不變。以上所述的各種不同小磨具拋光磨盤設計方法，g在小磨具的柔性和剛性之間尋求ー個平衡點，以達到去除鏡面中頻誤差的同時又能很好的保持其原始面形不變。然而無論是采用被動半剛性盤或是使用非牛頓流體，小磨具磨盤自身的剛性都不是可控變化的，從而降低了小磨具對各種不同面形的適應能力，限制了其抑制中頻誤差能力。本發明在上述各種拋光盤的設計基礎之上，結合材料力學、電磁學和現有的幾種CCOS加工方法，設計出ー種以電流變液為可控變形層的柔性可控氣囊拋光工具。

發明內容
為了解決小磨具拋光時與エ件表面不吻合、受カ不均勻的問題，有效抑制傳統剛性小磨具拋光帶來的嚴重的中頻誤差或稱波紋度誤差，本發明提供一種基于電流變液的柔性可控氣囊拋光工具及實現拋光的方法。為實現本發明的目的，本發明的第一方面是提供基于電流變液的柔性可控氣囊拋光工具包括一基底，其是設有下部開ロ的中空柱體，其上具有外壁、軸孔、內壁，在基底上部的中心位置處設置軸孔；ー連接件，具有ー連接軸孔，連接件置于基底的上部且固定連接；ー轉軸，其一端安置在連接件的連接軸孔和基底的軸孔中并形成上端封閉、下部開ロ的一凹形空腔；轉軸的另一端連接機床的動カ軸，用于驅動轉軸旋轉；兩個電極板，其對稱并絕緣固接于凹形空腔的內壁上，并通過轉軸內部的通電導線提供電源；一中空氣囊部件，其設有上部開ロ、中空氣囊、加強層和拋光層，基底的外壁緊密嵌設于中空氣囊部件的加強層中，基底的上部與中空氣囊部件的上部開ロ對齊，中空氣囊 底部位于加強層的表面上,且中空氣囊的上部邊緣粘接于基底的下部開口上,使中空氣囊的上部與凹形空腔形成一密封空腔；拋光層在轉軸的壓力控制下與被拋光エ件上表面的A位置緊密接觸，并對被拋光エ件進行拋光；電流變液，密封于中空氣囊部件的中空氣囊的空腔中，兩個電極板產生的電場，用于使電流變液從液態到固態連續變化形成可控變形層；一外圍電路，與兩個電極板連接，控制兩個電極板間電場的大小，調節控制電流變液的彈性模量。為實現本發明的目的，本發明的第二方面是提供一種基于電流變液的柔性可控氣囊拋光工具的拋光方法，其步驟包括如下步驟SI :柔性可控氣囊拋光工具接觸被拋光エ件表面A位置吋，轉軸夾持在機床的動カ轉軸上獲得驅動力，驅動基底旋轉；步驟S2 :由外圍電路控制兩個電極板間電場Etl的大小，調節電流變液的彈性模量即剛度G ;所述電流變液的彈性模量與臨界電場E。及外加電場強度Etl的電場關系為G = 90 小 e f ( r /Ac)0.1 (Ec/E0)0.9E02其中$為電流變液導電顆粒的體積含量，e f為電流變液載液的介電常數，r =O p/of(0), r為導電顆粒和載液的電導率之比，O p為導電顆粒的電導率，Of(O)為載液未加電場時的導電率，Ac = 0. 007為常數，E。為電流變液發生流變現象的臨界電場，EO為外加電場強度；步驟S3 :利用中空氣囊部件的拋光層在轉軸的壓力控制下與被拋光工件上表面的A位置處緊密接觸，并對被拋光工件上表面的A處進行拋光；A位置處的材料去除量滿足如下方程
權利要求
1.一種基于電流變液的柔性可控氣囊拋光工具，其特征在于包括 一基底，其是設有下部開口的中空柱體，其上具有外壁、軸孔、內壁，在基底上部的中心位置處設置軸孔； 一連接件，具有一連接軸孔，連接件置于基底的上部且固定連接； 一轉軸，其一端安置在連接件的連接軸孔和基底的軸孔中并形成上端封閉、下部開口的一凹形空腔；轉軸的另一端連接機床的動力軸，用于驅動轉軸旋轉； 兩個電極板，其對稱并絕緣固接于凹形空腔的內壁上，并通過轉軸內部的通電導線提供電源； 一中空氣囊部件，其設有上部開口、中空氣囊、加強層和拋光層，基底的外壁緊密嵌設于中空氣囊部件的加強層中，基底的上部與中空氣囊部件的上部開口對齊，中空氣囊底部位于加強層的表面上，且中空氣囊的上部邊緣粘接于基底的下部開口上，使中空氣囊的上部與凹形空腔形成一密封空腔；拋光層在轉軸的壓力控制下與被拋光工件上表面的A位置緊密接觸，并對被拋光工件進行拋光； 電流變液，密封于中空氣囊部件的中空氣囊的空腔中，兩個電極板產生的電場，用于使電流變液從液態到固態連續變化形成可控變形層； 一外圍電路，與兩個電極板連接，控制兩個電極板間電場的大小，調節控制電流變液的彈性模量。
2.如權利要求I所述的基于電流變液的柔性可控氣囊拋光工具，其特征在于，所述基底為金屬或合金材質的剛性基底。
3.如權利要求I所述的基于電流變液的柔性可控氣囊拋光工具，其特征在于，中空氣囊部件為半球狀囊體。
4.如權利要求I所述的基于電流變液的柔性可控氣囊拋光工具，其特征在于，所述中空氣囊部件為多層復合材料的部件，其中中空氣囊的材料為橡膠、加強層為高韌性纖維布、拋光層為聚氨酯拋光墊。
5.如權利要求I所述的基于電流變液的柔性可控氣囊拋光工具，其特征在于，所述兩個電極板為金屬電極板且呈八字形排布，用于得到弧形電場分布。
6.如權利要求I所述的基于電流變液的柔性可控氣囊拋光工具，其特征在于，所述密封空腔，用于調節中空氣囊的壓強。
7.如權利要求I所述的基于電流變液的柔性可控氣囊拋光工具，其特征在于，所述中空氣囊，用于密封電流變液。
8.如權利要求I所述的基于電流變液的柔性可控氣囊拋光工具，其特征在于，所述電流變液彈性模量G與臨界電場E。及外加電場強度Etl的關系為G = 90Φ ef(r/Ac)αι (Ec/E0)a9E02 其中Φ為電流變液導電顆粒的體積含量，電流變液載液的介電常數，Γ = σ p/Qf(O), Γ為導電顆粒和載液的電導率之比，σ p為導電顆粒的電導率，Of(O)為載液未加電場時的導電率，Ac = O. 007為常數，E。為電流變液發生流變現象的臨界電場，Etl為外加電場強度。
9.一種使用權利要求I所述基于電流變液的柔性可控氣囊拋光工具的拋光方法，其步驟包括如下步驟SI :柔性可控氣囊拋光工具接觸被拋光工件表面A位置時，轉軸夾持在機床的動力轉軸上獲得驅動力，驅動基底旋轉； 步驟S2 :由外圍電路控制兩個電極板間電場Etl的大小，調節電流變液的彈性模量即剛度G ;所述電流變液的彈性模量與臨界電場E。及外加電場強度Etl的電場關系為G = 90Φ ef(r/Ac)αι (Ec/E0)a9E02 其中Φ為電流變液導電顆粒的體積含量，電流變液載液的介電常數，Γ = σ p/Qf(O), Γ為導電顆粒和載液的電導率之比，σ ρ為導電顆粒的電導率，Of(O)為載液未加電場時的導電率，Ac = O. 007為常數，Ε。為電流變液發生流變現象的臨界電場，Etl為外加電場強度； 步驟S3 :利用中空氣囊部件的拋光層在轉軸的壓力控制下與被拋光工件上表面的A位置處緊密接觸，并對被拋光工件上表面的A處進行拋光；Α位置處的材料去除量滿足如下方程/Sz{x,y) = k\ P(x,y,t)V(x,y,t)dtJ 0 以被拋光工件上中心點或對稱點為原點建立直角坐標系，其中X，y表示A位置在被拋光工件表面的坐標，Δζ(χ,γ)為材料去除量，k是除了壓力、速度因素影響外的加工過程的比例常數，P(x，y，t)表示拋光層與被拋光工件間的相對壓力，V (x，y，t)表示拋光層與被拋 光工件之間的相對運動速度，t表示時間； 步驟S4 :對兩個電極板不通電時，電流變液呈現液態，電流變液則產生變形并與被拋光工件上表面的A位置處的面形吻合； 步驟S5 :對兩個電極板通電時，電流變液將從液態變為粘稠狀或固態，則電流變液形狀被固定下來，實現電流變液對被拋光工件局部區域面形的記錄，利用電流變液的仿形記錄功能對被拋光工件的多個局部區域進行拋光，保證拋光曲率半徑恒定區域的面形精度；而通過在線控制電流大小調節電流變液的彈性模量(剛度)能靈活控制被拋光工件的材料去除量，材料去除量滿足步驟3中方程；所述柔性可控氣囊拋光工具位置繼續移動到被拋光工件表面B位置處重復執行步驟SI，直至所述柔性可控氣囊拋光工具按照N個位置的拋光軌跡移動，實現對整個被拋光工件的拋光。
全文摘要
本發明為基于電流變液的柔性可控氣囊拋光工具，基底為具有一凹形空腔且下端開口的剛性圓柱體結構；其外上部通過連接件和轉軸相連獲得驅動力；中空氣囊粘接于基底外側壁上；凹形空腔內壁上絕緣固接兩電極板且呈八字形排布并由轉軸內的導線提供電源；中空氣囊內填充電流變液；被拋光工件的上表面置于中空氣囊下表面且緊密貼合；本發明拋光方法當拋光層和工件上表面緊密接觸時，不對電極板通電，電流變液呈現液態，拋光層產生變形并與所述工件的面形吻合；對電極板通電，電流變液將從液態變為粘稠狀或固態，則拋光層表面形狀被固定下來，實現拋光層對所述工件局部面形的記錄，保證拋光曲率半徑恒定區域的面形精度，控制所述工件的材料去除量。
文檔編號B24B1/00GK102765012SQ20121008005
公開日2012年11月7日 申請日期2012年3月23日 優先權日2012年3月23日
發明者萬勇建, 施春燕, 王佳 申請人:中國科學院光電技術研究所