光学元件磨削用金刚石砂轮离线电解修整装置及其修整方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学元件超精密加工领域，特别涉及一种大口径非球面光学元件成型 磨削加工阶段金刚石砂轮的离线电解修整装置及其修整方法。
【背景技术】
[0002] 随着激光技术的不断发展，大口径高功率激光驱动器作为激光技术的一个重要分 支，在惯性约束核聚变方面有着重要的应用，如美国的NIF装置。作为世界上最大的光学 工程，在大口径光学元件数量、质量方面，高功率激光驱动器所提出的要求比迄今为止任何 光学系统都高出许多。而光学元件的超精密加工，是获得大批量、高性能光学元件的重要手 段。
[0003] 磨削加工作为大口径非球面激光光学元件超精密加工的重要成型工序，其使用固 结金刚石砂轮获得光学非球面元件的快速成型，并获得一定面形精度与表面质量。金刚石 砂轮在使用过程中，由于金刚石颗粒与光学材料的相互作用，使得原本凸出的磨粒逐渐钝 化、磨损、脱落，进一步增大磨削力，降低了元件的表面质量和加工精度，严重者导致元件产 生较大崩边、裂纹，最终使得元件不合格或报废。因此在金刚石砂轮使用一段时间后，需要 对其进行电解修整，使表面的金刚石颗粒凸出，达到一定的锐利度与形状精度。
[0004] 实现非球面光学元件高效磨削加工的设备，是一种高精度的三轴联动超精密磨削 机床。目前国际上仅日本Nagase公司、Okamoto公司、瑞士Magerle集团等具有生产能力，而 国内也处于高校、科研院所等研制阶段，设备投入成本达到数百甚至上千万人民币。因此， 采用超精密磨削机床实现金刚石砂轮在位修整，会增加元件的制造成本，延长加工工时，降 低总体生产效率。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种低成本的非球面光学元件磨削用金刚石 砂轮离线电解修整装置。
[0006] 本发明还要提供一种采用上述修整装置的修整方法。
[0007] 本发明解决技术问题所采用的解决方案是：光学元件磨削用金刚石砂轮离线电解 修整装置，包括主轴、设置有修整头的电解液槽、修整距离微调系统和控制器，金刚石砂轮 安装在主轴上，所述主轴在控制器的控制下旋转从而带动金刚石砂轮作旋转运动；所述修 整距离微调系统支撑电解液槽，并对电解液槽的高度进行精密微调，以调节电解液槽中的 修整头与金刚石砂轮表面之间的距离。
[0008] 所述电解液槽用于容纳电解质修整液，设置在电解液槽内的修整头与电解直流电 源阴极相连，用于进行修整电解反应。
[0009] 所述修整头利用过盈配合的圆柱孔实现与直流电源阴极的电导通。
[0010] 所述金刚石砂轮与电解直流电源阳极相连，修整头与金刚石砂轮表面等距离贴合 且与直流电源阴极相连，输出电解电压连续可调。
[0011] 还包括支撑底座，所述支撑底座保证所有部件的安装可靠，所述支撑底座下方设 置有高度可调的四个脚。
[0012] 所述主轴与金刚石砂轮之间不绝缘，具有电流导通能力。
[0013] 所述主轴安装金刚石砂轮的位置设计为锥形轴，锥度与金刚石砂轮的法兰孔一 致，所述金刚石砂轮、法兰、主轴之间可以导电。
[0014] 所述修整头按金刚石砂轮的磨削刃形状分为直线磨削刃修整头以及圆弧磨削刃 修整头。
[0015] 还包括防护罩，所述防护罩对修整区域进行包裹。
[0016] 在所述防护罩上还设置有换气系统。
[0017] 光学元件磨削用金刚石砂轮离线电解修整装置的修整方法，该方法包括以下步 骤：1)首先清洁主轴锥面与金刚石砂轮法兰内孔面无杂质油污，将金刚石砂轮安装于主轴 上并锁死；2)根据金刚石砂轮磨削刃形状选择相应的修整头安装于电解液槽中；3)向电 解液槽中注入适量去离子水，加入适量硫酸钾粉末电解质并搅拌均匀；4)根据具体修整工 艺，通过修整距离微调系统调节电解液槽水平位置与高度，使修整头位于金刚石砂轮正下 方；5)开启装置总电源，换气风扇启动；6)在控制器面板上修改主轴转速后，开启主轴旋转 运行，此时金刚石砂轮低速均匀旋转；7)开启电解电源，调节电解电压与输出电流，开始电 解修整；8)根据金刚石砂轮表面电解修整情况，选择合适的电解修整参数；9)完成修整后 将金刚石砂轮表面清理干净，处理电解液。
[0018] 本发明的有益效果：可用于金属结合剂金刚石砂轮的离线电解修整，在不占用超 精密磨削机床工时的情况下，修整效率高，砂轮表面磨粒凸出性好；本发明除能实现金刚石 砂轮的电解修整外，对于其他磨粒（CBN、白刚玉等）的金属结合剂砂轮，通过选用合适的电 解质，均可实现砂轮的快速离线电解修整，获得良好的磨粒凸出性；通过选用不同轮廓形状 的修整头，可实现直线磨削刃砂轮和不同圆弧半径的圆弧磨削刃砂轮的电解修整，形状精 度优于50 μπι ;通过调节砂轮转速、电解电压或电流、修整头与砂轮表面的距离，可实现砂 轮的快速修整和精密修整，既保证磨粒具有良好的凸出性，也保证结合剂对磨粒具有较强 的把持性；采用本发明的装置修整青铜结合剂金刚石砂轮，修整耗时约6小时，节约超精密 磨削机床工时15% ;用修锐的金刚石砂轮进行大口径非球面光学元件的精密成型磨削加 工，材料去除速率可达120cm3/min，产生的崩边尺寸小于1_，表面沙眼均勾，无烧蚀痕迹， 600mm 口径元件面形误差优于20 μπι。
【附图说明】
[0019] 图1是本发明的金刚石砂轮离线电解修整装置的立体图。
[0020] 图2是本发明的金刚石砂轮离线电解修整装置的电气原理图。
[0021] 图3是本发明的直线磨削刃金刚石砂轮修整头的主视图。
[0022] 图4是图3的左视图。
[0023] 图5是图3的俯视图。
[0024] 图6是图3的立体图。
[0025] 图7是本发明的圆弧磨削刃金刚石砂轮修整头的主视图。
[0026] 图8是图7的左视图。
[0027] 图9是图7的俯视图。
[0028] 图10是图7的立体图。
【具体实施方式】
[0029] 如图1和2所示，本发明的修整装置包括主轴1、设置有修整头的电解液槽3、修整 距离微调系统4、防护罩5、控制器和支撑底座7。金刚石砂轮2安装在主轴1上，在控制器 的控制下，主轴1旋转从而带动金刚石砂轮2作低速旋转运动；电解液槽3用于容纳电解质 修整液，设置在电解液槽3内的修整头与电解直流电源阴极相连，用于进行修整电解反应， 修整头利用过盈配合的圆柱孔实现与直流电源阴极的良好电导通；修整距离微调系统4支 撑电解液槽3,可以对电解液槽3的高度进行精密微调，以调节电解液槽3中的修整头与金 刚石砂轮2表面之间的距离，从而控制修整效果。
[0030] 金刚石砂轮2与电解直流电源阳极相连，修整头与金刚石砂轮2表面等距离贴合 且与直流电源阴极相连，输出电解电压连续可调，实现金刚石砂轮2表面与修整液的连续 均匀作用，去除金刚石砂轮2表面的结合剂，达到均匀修整的目的。
[0031] 支撑底座7保证所有部件的安装可靠。支撑底座7的操作台面最好敷设耐腐蚀的 尼龙板，便于放置电解液槽3等部件。支撑底座7可采用优质不锈钢矩管焊接而成，可最大 化地减轻装置的整体重量，另外，为适应不同安装地面的要求，支撑底座7下方设置有高度 可调的四个脚。
[0032] 主轴1支撑、紧固金刚石砂轮2,控制器可实现主轴1的转速可调，从而带动金刚石 砂轮2作匀速和低速旋转运动，保证修整均匀性。主轴1与金刚石砂轮2之间不绝缘，具有 电流导通能力。
[0033] 主轴1可采用优质45#结构钢制造，安装金刚石砂轮2的位置设计为锥形轴，锥度 与金刚石砂轮2的法兰孔一致，便于金刚石砂轮2的安装紧固，同时保证金刚石砂轮2、法 兰、主轴1之间可以导电。主轴1的轴端设计为左旋螺纹锁紧，而工作时金刚石砂轮2旋转 方向为右旋，主轴1的另一端为直连联轴节安装位置。为减轻装置的总体重量，在保证主轴 1悬臂刚度的情况下，可将主轴1设计为中空结构。主轴1的电机可选用TYPE90DF 0. 75-30 伺服电机，输入转速0_3000r/min，再经过速比为1:50的精密行星减速机PLF090,实现低转 速输出，同时配备WT10