专利名称：一种电流变摆轴圆筒抛光装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种抛光装置，尤其是涉及一种电流变摆轴圆筒抛光装置，属于超精
密光学表面加工工具领域。
背景技术：
随着光电产业的迅猛发展，对所用光学元件质量要求越来越高，这促进了人们对 光学元件加工装置的研究。传统的光学抛光方法是完全依靠手工基于氧化铈抛光液的沥青 抛光，这种抛光过程是不可重复的、非确定性的，所费时间长且不可确定。进入新世纪，以计 算机控制光学表面成形(CC0S)、应力盘抛光(Stressed Lap Polishing)、离子束抛光(Ion Polishing)、磁流变抛光(MRF)技术得到快速发展。计算机控制光学表面成形技术通过用 计算机控制一个小磨头对光学元件表面进行研磨或抛光，通过控制磨头在工件表面的驻留 时间和相对压力来控制材料的去除量，然而，加工过程中存在局部的机械应力，难以加工超 薄的元件。磁流变抛光技术是一种不存在工具磨损的面型加工技术，没有亚表面缺陷，加工 精度高，同时因为细微磁性颗粒的存在，限制了磁流变技术在强激光领域的应用。应力盘抛 光技术可以很好地解决面形低频误差的修改和中高频误差的出现，且加工过程面形收敛速 度快，其不足在于抛光区域大，难以实现确定性抛光。离子束抛光技术利用中性离子束流轰 击工件，去除其表面一定区域的原子或分子，达到超光滑抛光效果，但是，由于离子束抛光 的目的在于对工件表面的修正，且抛光过程非常耗时，所以在进行离子束抛光之前，需要对 被加工工件进行预抛光处理。 电流变液辅助抛光(Electrorheological Fluid-assistedPolishing，简称ERF) 技术作为一项革命性的技术，将电磁学、流体动力学与分析化学相结合而提出的新型光学 加工方法。电流变液是由介于纳米与微米尺度之间的介电颗粒与高绝缘液体混合而成的复 杂流体，在施加电场时，介电颗粒在感应偶极矩的作用下，沿着电场线的方向形成链状、柱 状结构，这些链状、柱状结构改变了电流变液体的流变特性。抛光时，在高强度的梯度电场 中，电流变液中的磨料颗粒由于受到粒子间的相互作用，而聚集在工具电极的附件，在抛光 区域内形成微小的"柔性抛光头"，随着"柔性抛光头"和工具的相对旋转，完成材料的柔性 去除。 电流变液抛光技术由于其抛光斑尺寸小，从而可以准确地控制去除量，且不产生 亚表面破坏层，有利于获得更高的表面粗糙度，制造超光滑表面。然而，采用传统的针状电 流变抛光工具进行抛光时，抛光区域中心处由于线速度为零，根据普雷斯顿经验方程可知， 中心位置材料去除量也为零；同时由于传统工具正负电极都是采用分离式安装(即正极旋 转，负极固定不动或正极不动，负极旋转)，导致正负电极之间的电力线会因电极的高速旋 转而发生断裂，从而影响电流变效应的稳定性。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统的针状电流变抛光工具材料去除率低以及工具正
3负电极一体化难度大的问题，提出一种电流变摆轴圆筒抛光装置。该装置在抛光区域可获
得相对高的线速度，能显著提高材料去除效率，并且该抛光装置的正负极实现了整体旋转，
有效避免了旋转过程中电力线断裂的问题，同时该抛光装置的旋转轴能任意摆动，可实现
复杂光学表面的确定性、柔性抛光。 本发明的目的是通过下述技术方案实现的。 本发明的一种电流变摆轴圆筒抛光装置，包括电机、支架座、绝缘套、联轴器、连接
杆、旋转轴、底座、电刷套、圆环电刷、螺栓、螺母，还包括集成电极抛光头； 所述集成电极抛光头，包括阳极抛光装置、硬质绝缘材料、阴极抛光装置；其连接
关系为阳极抛光装置和阴极抛光装置之间用硬质绝缘材料隔开，三者通过螺栓固定为一
个整体，形成集成电极抛光头； 所述集成电极抛光头，在电机的带动下可作自转运动； 电机通过定位槽及螺钉安装在支架座上；支架座通过其上的转接板固定在精密数 控机床上，以便控制支架座作多自由度的运动；旋转轴一端与电机转轴通过联轴器连接，旋 转轴另一端与阴极抛光装置固定为一体； 所述旋转轴与直流高压电源负极连接，使阴极抛光圆筒作为阴极； 连接杆的上端穿过支架座上的螺孔和绝缘套，并用螺母与支架座固定，连接杆的
下端穿过底座上的螺孔和绝缘套，并用螺母与底座固定连接；利用内螺栓将电刷套固定在 底座中心处；圆环电刷置于电刷套的凹槽内，二者固定连接，并且圆环电刷内侧与阳极抛光
装置上端紧密接触； 所述底座与直流高压电源正极连接，使得底座、电刷套、圆环电刷、阳极抛光装置 为阳极； 本发明采用旋转的集成电极抛光头进行抛光；当在阳极抛光装置、阴极抛光装置 上施加高压直流电压时，两抛光装置之间混有抛光磨料的电流变液将发生电流变效应，变 为胶粘状类固体，聚集于两抛光装置之间及边沿处，形成"柔性抛光头"；工具旋转时，带动 "柔性抛光头"旋转并与工件表面接触，在由电场产生的极化压力、流体重力和流体旋转产 生的动压力等共同作用下，对工件表面产生一定的剪切力，实现对工件表面材料的去除，从 而达到抛光效果；工作时，该电流变摆轴圆筒抛光装置结合多自由度的精密数控机床，通过 计算机控制集成电极抛光头运动，并满足旋转轴与工件轴成一定角度，使集成电极抛光头 边沿处形成的"柔性抛光头"表面中心点的法线与工件抛光区域法线重合，实现对任意形状 光学表面元件的确定性抛光。
有益效果 本发明的优点在于解决了传统正负电极分离的针状电流变抛光工具存在的材料 去除率低以及工具正负电极一体化难度大的问题。该电流变摆轴圆筒抛光装置，可根据需 要设计不同尺寸的集成电极抛光头以获得相对高的线速度，显著提高材料去除效率，同时 该抛光装置的正负极能整体旋转，有效避免了旋转过程中电力线断裂的问题，并且该抛光 装置的旋转轴可任意摆动，即可实现复杂光学表面的确定性、柔性抛光。
图1为本发明装置的剖面结构示意 图2为本发明的底座俯视图； 图3为本发明的电刷套俯视图； 图4为本发明的圆环电刷俯视图； 图5为本发明的集成电极抛光头的三维示意图； 图6为本发明的圆筒抛光装置抛光示意图； 图7为本发明提及的传统针状电流变抛光装置的理论材料去除率函数；
图8为本发明的抛光装置的理论材料去除率函数； 图中，l-电机、2-螺母、3-支架座、4-绝缘套、5-转接板、6-联轴器、7-连接杆、 8_旋转轴、9-底座、10-电刷套、11_圆环电刷、12螺栓、13-阳极抛光圆筒、14-绝缘圆筒、 15-阴极抛光圆筒、16-螺钉、17-通孔、18-内螺纹孔、19-凹槽、20-螺孔、21-工件、22-工 件平台。
具体实施例方式
下面结合附图来详细说明 一下本发明的具体实施方式
。 如图1所示，为本发明的一种电流变摆轴圆筒抛光装置的剖面结构示意图，从图 中可以看出，它主要由电机1、螺母2、支架座3、绝缘套4、转接板5、联轴器6、连接杆7、旋转 轴8 、底座9 、电刷套10 、圆环电刷11 、螺栓12 、阳极抛光圆筒13 、绝缘圆筒14、阴极抛光圆筒 15、螺钉16构成；电机1通过定位槽及螺钉安装在支架座3上；支架座3通过其上的转接板 5固定在超精密数控机床上，以便控制支架座按照一定的轨迹运动；旋转轴8上端通过联轴 器6与电机1转轴连接，旋转轴8另一端与阴极抛光圆筒15焊接为一体，所述旋转轴8与 直流高压电源负极连接，使得阴极抛光圆筒15作为阴极；阳极抛光圆筒13和阴极抛光圆筒 15之间用硬质绝缘材料制成的绝缘圆筒14隔开，三者通过螺栓12固定，构成集成电极抛光 头，它在电机1的带动下作自转运动；连接杆7的上端穿过支架座3上的螺孔和绝缘套4， 并用螺母2将其与支架座3固定，连接杆7的下端穿过底座9上的螺孔和绝缘套，并用螺母 将其与底座9固定连接；电刷套10通过螺钉16固定在底座9中心处；圆环电刷11置于电 刷套10的凹槽内，二者固定连接，并且圆环电刷11与阳极抛光圆筒13上端紧密接触；所述 底座9与直流高压电源正极连接，使得底座9、电刷套10、圆环电刷11、阳极抛光圆筒13为 阳极； 图2为本发明的底座9俯视图，该底座为圆盘形，中心开有一过孔，它的周围分别 开有两组半径不同的螺孔，其中通孔17用于穿过连接杆7，内螺纹孔18用于固定电刷套
10 ; 图3为本发明的电刷套10俯视图，该电刷套为圆盘形，它通过螺钉16穿过螺孔20 与底座9上的内螺纹孔18扭紧，将其固定在底座9上；电刷套10中心处开有一凹槽19，用 于放置圆环电刷11 ; 图4为本发明的圆环电刷11的俯视图，该电刷为圆环形，当电机1工作，带动阳极 抛光筒13旋转，圆环电刷11内侧与阳极抛光圆筒13上端紧密滑动接触，使阳极抛光圆筒 13带正电，作为阳极； 图5为本发明的提及的集成电极抛光头的三维示意图，该抛光头为圆筒形，由阳 极抛光圆筒13、阴极抛光圆筒15、硬质绝缘材料14构成；阳极抛光圆筒13和阴极抛光圆筒15之间用硬质绝缘材料14隔开，三者通过螺栓12固定，构成集成电极抛光头，它在电机1 的带动下作自转运动； 图6为本发明的一种电流变摆轴圆筒抛光装置抛光示意图，通电时，在阳极抛光 圆筒13和阴极抛光圆筒15之间将会形成强梯度电场，两抛光圆筒之间混有抛光磨料的电 流变液将发生电流变效应，变为胶粘状类固体，聚集于两抛光圆筒之间及边沿，形成"柔性 抛光头";集成电极抛光头旋转时，带动"柔性抛光头"旋转，并与工件表面接触，在由电场产 生的极化压力、流体重力和流体旋转产生的动压力等共同作用下，对工件表面产生一定的 剪切力，实现对工件表面材料的去除，从而达到抛光效果；工件平台22用于固定工件21，并 可带动工件21作转动和二维平移运动；所述的一种电流变摆轴圆筒抛光装置，工作时，通 过计算机控制集成电极抛光头运动，并满足该抛光头的旋转轴与工件轴成一定角度0，使集 成电极抛光头顶端形成的"柔性抛光头"表面中心点处的法线与工件抛光区域法线始终重 合，圆筒抛光装置按照设定的运动轨迹，结合多自由度精密数控机床，即可以实现对复杂超 薄元件的超光滑确定性、柔性抛光。 传统针状电流变抛光装置的理论材料去除函数如图7所示，从图中可以看出，抛 光区域中心处材料去除率明显比周围的要低，理论上因为中心处的线速度为零，因此此处 的材料去除率为零； 图8为本发明的抛光装置的理论材料去除函数，从图中可以看出抛光区域中心处 材料去除率明显高于周围，适合光学表面的确定性抛光。
权利要求
一种电流变摆轴圆筒抛光装置，包括电机、支架座、绝缘套、联轴器、连接杆、旋转轴、底座、电刷套、圆环电刷、螺栓和螺母，其特征在于还包括集成电极抛光头；所述集成电极抛光头，包括阳极抛光装置、硬质绝缘材料、阴极抛光装置；其连接关系为阳极抛光装置和阴极抛光装置之间用绝缘材料隔开，三者通过螺栓固定为一个整体，形成集成电极抛光头，在电机的带动下作自转运动；电机通过定位槽及螺钉固定在支架座上；旋转轴一端与电机转轴通过联轴器连接，旋转轴另一端与阴极抛光装置固定为一体；连接杆的上端穿过支架座上的螺孔和绝缘套，并用螺母与支架座固定，连接杆的下端穿过底座上的螺孔和绝缘套，并用螺母与底座固定连接；电刷套利用内螺栓固定在底座的中心位置处；电刷置于电刷套的凹槽内，二者固定连接，电刷内侧与阳极抛光装置上端紧密接触。
2. 根据权利要求1所述的一种电流变摆轴圆筒抛光装置，其特征在于集成电极抛光 头中的阳极抛光装置和阴极抛光装置均由高硬度金属导电材料制成。
3. 根据权利要求1、2所述的一种电流变摆轴圆筒抛光装置，其特征在于集成电极抛 光头中的绝缘材料由硬质绝缘材料制成。
4. 根据权利要求1所述的一种电流变摆轴圆筒抛光装置，其特征在于所述旋转轴与 直流高压电源负极连接，使阴极抛光装置作为阴极。
5. 根据权利要求1所述的一种电流变摆轴圆筒抛光装置，其特征在于所述底座与直 流高压电源正极连接，使得底座、电刷套、电刷、阳极抛光装置为阳极。
6. 根据权利要求1所述的一种电流变摆轴圆筒抛光装置，其特征在于所述底座由高 硬度金属导电材料制成。
7. 根据权利要求1所述的一种电流变摆轴圆筒抛光装置，其特征在于所述电刷套由 高硬度金属导电材料制成。
8. 根据权利要求1所述的一种电流变摆轴圆筒抛光装置，其特征在于采用旋转的集 成电极抛光头进行抛光；当在阳极抛光装置、阴极抛光装置上施加高压直流电压时，两抛光 装置之间混有抛光磨料的电流变液将发生电流变效应，变为胶粘状类固体，聚集于两抛光 装置之间及边沿处，形成"柔性抛光头"；工具旋转时，带动"柔性抛光头"旋转并与工件接 触，在由电场产生的极化压力、流体重力和流体旋转产生的动压力等共同作用下，对工件表 面产生一定的剪切力，实现对工件表面材料的去除，从而达到抛光效果；工作时，该电流变 摆轴圆筒抛光装置结合多自由度的精密数控机床，通过计算机控制集成电极抛光头运动， 并满足集成电极抛光的旋转轴与工件轴成一定角度，使集成电极抛光头边沿处形成的"柔 性抛光头"表面中心点的法线与工件抛光区域法线重合，实现对任意形状光学表面元件的 确定性抛光。
全文摘要
本发明属于超精密光学表面加工工具领域，涉及一种电流变摆轴圆筒抛光装置。包括电机、支架座、连接杆、旋转轴、底座、圆环电刷，还包括阳极和阴极抛光装置、硬质绝缘材料；电机安装在支架座上；旋转轴一端用联轴器与电机转轴连接，一端与阴极抛光装置固定，抛光时旋转轴与工件轴成一定的角度；阳极和阴极抛光装置与硬质绝缘材料固定一体构成集成电极抛光头；支架和底座通过连接杆固定；电刷套利用螺栓固定在底座上；圆环电刷置于电刷套的凹槽内，并与阳极抛光装置上端紧密接触；工作时，电流变液聚集在集成电极抛光头边沿，当与工件接触并发生相对运动时，即实现抛光。本发明抛光装置正负极能整体旋转、旋转轴可任意摆动，适用于复杂光学表面的确定性加工。
文档编号B24B29/00GK101745866SQ20101010572
公开日2010年6月23日 申请日期2010年2月4日 优先权日2010年2月4日
发明者冯云鹏, 文永富, 程灏波 申请人:北京理工大学