一種光學曲面加工用五軸二維超聲拋光機床及其使用方法與流程

本發明涉及拋光用機械，特別是一種光學曲面加工用五軸二維超聲拋光機床及其使用方法。

背景技術：

隨著工業技術的發展，硬脆材料在航空航天、汽車、模具、光學以及半導體等領域展現出廣闊的應用前景。光學玻璃常被用來制作偵查衛星照相機鏡頭、隱形雷達探照鏡、高速飛行器窗口、天文望遠鏡的大型反射鏡以及激光發射裝置中的光學透鏡、棱鏡等。硬脆材料光學元件常規切削加工非常困難，通常通過超精密研磨、拋光及超精密磨削加工獲得，但該方式加工時間長，加工成本較高。為解決這一加工難題，20世紀初一種超聲加工方法開始應用于工業領域，該方法可減小切削力和切削溫度，減小刀具磨損，提高加工質量，拓展可加工材料范圍，特別適合加工玻璃、陶瓷、石英、金剛石以及硅等各種硬脆材料。

拋光是光學曲面元件制造過程的最后一道工序，對保證曲面的質量和使用壽命起到至關重要的作用。光學曲面元件采用超聲輔助拋光是目前本領域的一項重要研究課題。

CN201410740536專利文獻公開了一種單激勵超聲橢圓振動拋光裝置，可以將超聲振動換能器產生的縱向超聲振動轉換為橢圓振動模態轉換器末端和工具頭的縱彎復合超聲橢圓振動，提供一種使工具頭實現往復機械運動和單激勵超聲橢圓軌跡振動的復合拋光裝置。該裝置的缺點是，只能加工形狀簡單的工件，加工復雜曲面難以實現。

CN201410100339專利文獻公開了一種超硬材料微結構表面的超聲振動輔助拋光裝置及其使用方法，要解決機械拋光方法的效率低、加工表面質量不均勻及微結構尖銳處易破壞的問題。該裝置存在的缺點是，需要應用仿形拋光輪，對于加工復雜曲面，仿形砂輪的制作困難，且成本較高；此外，還需要每間隔1～3分鐘向拋光區域內滴入拋光液，耗費時間，降低加工效率。

CN201610177819專利文獻公開了一種二維超聲振動拋光加工裝置及方法，通過提供拋光加工切面內的橢圓振動，由X向和Y向超聲振子的振動信號在鉸接接頭處耦合二維振動，輸出到拋光頭上，使得拋光頭在加工區域獲得理想的瞬時隨機運動軌跡，能夠在拋光頭不轉的前提下控制拋光力穩定，拋光頭仿形能力強，能夠加工各種復雜曲面，為確定性拋光，實現拋光材料的穩定均勻性去除。其存在的問題是，拋光頭軸線方向與復雜曲面元件拋光點的法線方向不重合，導致拋光頭和工件表面之間的接觸應力會產生不均勻現象，當工件為光學復雜曲面元件時，尤其是表面曲率半徑變化比較大時，拋光頭和工件表面之間的接觸應力不均勻現象就更嚴重，導致工件表面拋光加工精度低。

現有用于對模具凹槽、型腔型孔進行加工五軸聯動超聲拋光機床，是將工件浸泡在拋光液中，利用超聲傳遞給拋光頭對拋光液實施往復振動，拋光頭的振動引起容器中拋光液整體振動，利用拋光液中的磨粒對工件凹槽、型腔型孔進行拋光加工。這種超聲拋光機床的缺陷是，由于振動對象不明確，而且所需加工工件的尺寸相對于裝滿拋光液的容器較小，使超聲傳遞的能量大量分散，真正傳遞給拋光液中磨粒的能量較少，因此加工效率較低。

江南大學翟靖等在“一種使用超聲波精細霧化施液的SiO_2拋光液”(《半導體技術》2012,04:263-266+311.)一文中披露了一種超聲波精細霧化施液方法，該方法是將超聲波精細霧化的SiO_2拋光液經由超聲波霧化器被霧化成索太爾直徑為5～15μm的均勻微米級液粒，在負壓作用下進入拋光界面，采取單自由度垂直噴射到拋光墊表面，再由工作臺帶動拋光墊，載物盤帶動硅片工件以ω₁、ω₂的角速度相對轉動，實現對工件的拋磨。這種方法的缺點是：工作臺周圍必須保證處于負壓狀態，為防止拋光霧液的擴散和吸附，需要對拋光機和拋光界面進行密封；采取單自由度垂直噴射難以實現復雜曲面的作業，加工面型具有局限性；拋光與拋光液噴射是相互獨立的兩個過程，無關聯，不能充分發揮拋光液的作用；由于工件與拋光墊始終緊密貼附，不能保證工件與拋光墊之間一直存留霧化均勻的拋光液，極端情況下會出現干磨，表面質量無法保證；拋光墊長期使用易出現過度拋光、凹陷腐蝕等現象，需更換。

另外，在機械加工中，為了提高被加工工件的面形精度，一般需要借助測量技術進行面形誤差循環修正。現有超聲拋光加工裝置自身不帶工件在線檢測裝置，工件測量大都采用離線方式，將被測工件從機床上取下來進行測量，然后再裝卡進行二次拋光。因自由曲面具有非回轉對稱、形狀不規則、構造無規律等特點，很難確定定位基準實現再裝卡時的精確復位，由此導致加工精度難以保證，同時也影響拋光效率的提高。

CN102001024A專利文獻公開了針對加工機床的自由曲面的原位測量方法，采取面形誤差分布直接測量，將測頭和加工刀具刀架一并放置于加工機床上，并進行測量控制點和刀具控制點的位置對正。該方法的缺陷是只能測量一個方向的位置數據和面型誤差。

CN201510011865專利文獻公開了一種采用二維超聲振動平臺的超聲輔助拋光裝置，提出在兩個方向加上超聲振動的二維超聲振動平臺，即將二維振動間接加在被加工件上，存在僅適用于小型元件的缺點，不能加工大型光學復雜曲面元件，或者說加工大型工件時容易出現振動傳遞偏差，從而影響加工精度。

技術實現要素：

針對上述現有光學復雜曲面拋光加工裝置存在的技術問題，本發明的目的是提供一種拋光加工精度高、拋光效率高的光學曲面加工用五軸二維超聲拋光機床及其使用方法。

本發明提供的光學曲面加工用五軸二維超聲拋光機床，包括由機座和垂直固定在機座上的床身構成的機架；由X向移動機構、Y向移動機構和Z向移動機構組成的三維移動裝置；旋轉式超聲振動拋光裝置；旋轉工作臺；拋光液超聲霧化施液裝置；工件在線檢測裝置。

所述Z向移動機構安裝在所述床身上，X向移動機構和Y向移動機構對應Z向移動機構安裝在所述機座上；所述Z向移動機構包括固定安裝在所述床身前壁上、前部帶有Z向導軌的Z向導軌座，可沿Z向導軌做Z向移動的Z向移動臺，驅動Z向移動臺做Z向移動的Z向移動絲杠和驅動Z向移動絲杠轉動的Z向伺服電機；所述Y向移動機構包括固定安裝在所述機座上、上部帶有Y向導軌的Y向導軌座，可沿Y向導軌做Y向移動的Y向移動臺，驅動Y向移動臺做Y向移動的Y向移動絲杠和驅動Y向移動絲杠轉動的Y向伺服電機，Y向移動臺上有X向導軌；所述X向移動機構包括可沿所述Y向移動臺面上的X向導軌做X向移動的X向移動臺，驅動X向移動臺做X向移動的X向移動絲杠和驅動X向移動絲杠轉動的X向伺服電機；

所述旋轉式超聲振動拋光裝置包括固定安裝在所述Z向移動臺上的箱式殼體，在殼體的前部有立式旋轉臺，在箱式殼體的內部安裝有驅動立式旋轉臺做立式旋轉(繞Y向轉動)的立式旋轉渦輪蝸桿傳動機構，在箱式殼體的上部有驅動立式旋轉渦輪蝸桿傳動機構的伺服電機，在立式旋轉臺上通過夾具固定安裝有由換能器、與換能器相接的變幅桿和與變幅桿相接的拋光頭組成的超聲振動拋光組件；

所述旋轉工作臺包括固定安裝在所述X向移動臺上的機殼，在機殼的上部有放置被加工工件的臥式旋轉臺，在機殼的內部安裝有驅動臥式旋轉臺做臥式旋轉的臥式旋轉渦輪蝸桿傳動機構，在機殼的側部有驅動臥式旋轉渦輪蝸桿傳動機構的伺服電機；

所述拋光液超聲霧化施液裝置包括固定安裝在所述機座一側的五軸機械手，該五周機械手的前端安裝有向工件拋光部位噴灑拋光液的超聲噴頭；

所述工件在線檢測裝置包括固定安裝在所述機座另一側的五軸機械手，該五軸機械手的前端安裝有檢測工件拋光面形精度的激光干涉測頭。

上述光學曲面加工用五軸二維超聲拋光機床的使用方法，包括以下步驟：

1)將光學復雜曲面元件表面的形狀參數轉化為拋光頭的走刀文件，通過運動學反解獲得機床的數控程序，通過程序控制系統使機床五軸聯動(三維移動和二維轉動)，使拋光頭軸線方向與工件拋光點的法線方向始終保持重合；

2)通過拋光頭的主軸位姿反解得到拋光液超聲霧化施液裝置五軸機械手的數控程序，使其與拋光頭實現隨動，并使拋光液噴射方向與工件拋光點法線方向的夾角保持45±5度；

3)根據實驗需要的霧化程度(液滴的直徑)確定拋光液超聲霧化施液裝置使用的超聲波頻率f1(由噴頭產品的標定函數給出)；旋轉式超聲振動拋光裝置使用的超聲波頻率f2在20～35kHz(超聲波振動拋光一般選用范圍)范圍內選取，振幅A2由以下公式確定：

式中

V：超聲噴頭標定霧化量(m³/s)

D：超聲噴頭噴射孔直徑(m)

θ：拋光液噴射方向與工件拋光點法線方向的夾角(°)

v₁：使工件發生最大彈性壓縮深度時的臨界沖擊速度(m/s)

v₂：臨界切削速度(m/s)

v₁和v₂由以下公式計算得出：

式中：

ρ:拋光液中磨粒的密度(kg/m³)

E₁:磨粒材料的彈性模量(pa)

E₂:工件材料的彈性模量(pa)

c₁：磨粒材料的泊松比

c₂：工件材料的泊松比

R：磨粒的半徑(m)

σ_s：工件材料的屈服極限(pa)

h：工件材料的臨界切削深度(m)

δ_y：工件材料的最大彈性壓縮深度(m)

S_y：發生臨界切削深度時磨粒與工件的接觸面積(m²)；

4)工件曲面加工精度需檢測時，通過Y向移動機構將工件退出加工區，由工件在線檢測裝置對工件曲面進行檢測，根據檢測結果，如需繼續進行拋光，通過Y向移動機構將工件退回加工區，繼續進行拋光加工。

與現有技術相比較，本發明的有益效果是：

1、本發明采用五軸聯動(三維移動和二維轉動)，可使拋光頭軸線方向與復雜曲面元件拋光點的法線方向始終保持重合，超聲傳遞的能量集中，拋光頭和工件表面之間的接觸應力均勻，工件表面拋光精度提高；同時有利于增加拋光過程的去除率，提高拋光效率。

2、本發明采用五軸機械手帶動超聲霧化裝置的超聲噴頭與超聲振動拋光裝置的拋光頭隨動噴射拋光液，與拋光頭在超聲作用下沿其主軸軸線方向的往復運動相配合，隨著拋光頭的轉動，汽霧狀態的拋光液噴入拋光頭與工件之間，消除由于干磨引起的工件表面損傷，實現拋光力的均勻性及對材料的高效去除功能。

3、使超聲噴頭噴射拋光液的方向與拋光點法線方向保持45度夾角，可使拋光液更好地對準拋光點，不僅提高拋光效果，而且有利于提高拋光液的利用率，節約拋光液；

4、超聲振動拋光裝置使用的超聲波振幅按給出的計算公式求得，可使拋光頭在拋光過程中實現最大彈性壓縮深度的材料去除的同時，對工件表面不會產生損傷。

5、通過工件在線測量裝置實現拋光過程在線測量，可避免工件離線檢測反復安裝產生的定位誤差對加工質量和拋光效率的不利影響。

6、本發明可加工直徑為300～350mm的大尺寸光學復雜曲面元件。

附圖說明

圖1是本發明超聲拋光裝置的整體結構示意圖，

圖2是圖1中旋轉式超聲振動拋光裝置結構示意圖，

圖3是圖1中旋轉工作臺結構示意圖，

圖4是圖1中拋光液超聲霧化施液裝置結構示意圖，

圖5是圖1中工件在線檢測裝置的結構示意圖；

圖6為圖1中超聲噴頭噴灑拋光液的方向示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明做進一步說明。

如圖1所示，本發明光學曲面加工用五軸二維超聲拋光機床，包括機架、三維(X、Y、Z)移動裝置、旋轉式超聲振動拋光裝置、旋轉工作臺、拋光液超聲霧化施液裝置和工件在線檢測裝置。

所述機架由機座25和垂直固定在機座上的床身1構成。

所述三維移動裝置由X向移動機構、Y向移動機構和Z向移動機構組成，其中Z向移動機構安裝在所述床身上，X向移動機構和Y向移動機構與Z向移動機構相對應安裝在機座上。

所述Z向移動機構包括固定安裝在所述床身前壁上、前部帶有Z向導軌4的Z向導軌座3，可沿Z向導軌做Z向移動的Z向移動臺33，驅動Z向移動臺做Z向移動的Z向移動絲杠5和驅動Z向移動絲杠轉動的Z向伺服電機2。

所述Y向移動機構包括固定安裝在所述機座上、上部帶有Y向導軌24的Y向導軌座23，可沿Y向導軌做Y向移動的Y向移動臺20，驅動Y向移動臺做Y向移動的Y向移動絲杠22和驅動Y向移動絲杠轉動的Y向伺服電機21。在Y向移動臺上安裝X向導軌29。

所述X向移動機構包括可沿所述Y向移動臺面上的X向導軌29做X向移動的X向移動臺30，驅動X向移動臺做X向移動的X向移動絲杠28和驅動X向移動絲杠轉動的X向伺服電機27。

如圖1和圖2所示，旋轉式超聲振動拋光裝置包括固定安裝在所述Z向移動臺上的箱式殼體7，在殼體的前部有立式旋轉臺9，在箱式殼體的內部安裝有驅動立式旋轉臺做立式旋轉(繞Y向轉動)的立式旋轉渦輪蝸桿傳動機構8，在箱式殼體的上部有驅動立式旋轉渦輪蝸桿傳動機構的伺服電機6，在立式旋轉臺上通過夾具11固定安裝有由換能器10、與換能器相接的變幅桿12和與變幅桿相接的拋光頭13組成的超聲振動拋光組件。

如圖3所示，旋轉工作臺包括固定安裝在所述X向移動臺上的機殼19，在機殼的上部有通過夾具(未圖示)放置被加工工件16的臥式旋轉臺17，在機殼的內部安裝有驅動臥式旋轉臺做臥式旋轉(繞Z向轉動)的臥式旋轉渦輪蝸桿傳動機構18，在機殼的側部有驅動臥式旋轉渦輪蝸桿傳動機構的伺服電機31。

如圖1和圖4所示，拋光液超聲霧化施液裝置的五軸機械手15固定安裝在機座的側部，在該五周機械手的前端安裝向工件拋光部位噴灑拋光液的超聲噴頭14。

如圖1和圖5所示，工件在線檢測裝置的五軸機械手26固定安裝在機座的另一側，在該五軸機械手的前端安裝檢測工件拋光面形精度的激光干涉測頭32。

以下為使用上述超聲拋光機床對光學曲面元件進行拋光的一個實施例。

該光學曲面元件為石英玻璃,其尺寸為300mm×300mm×200mm,彈性模量E₂＝7.25×10¹⁰P_a，泊松比c₂＝0.17，屈服極限σ_s＝2.41×10¹⁰P_a，拋光的臨界切削深度h＝1.3×10^-8m，最大彈性壓縮深度δ_y＝4.32×10^-8m。拋光液采用碳化硅磨粒懸濁液，其主要成分包括S_iC磨料顆粒,純凈水基液和PMAA-NH4表面活性劑，拋光液中磨粒的密度ρ＝3220(kg/m³)，磨粒材料的彈性模量E₁＝4.5×10¹¹(pa)，磨粒材料的泊松比c₁＝0.3，磨粒的半徑R＝5×10^-6(m)，發生臨界切削深度時磨粒與工件的接觸面積S_y＝2.65×10^-21(m²)，超聲霧化使用的超聲波頻率為100KHZ。超聲振動拋光裝置使用的超聲波頻率f2為20KHZ，將以上參數代入計算公式，求得超聲振動振幅A2的取值范圍為2.2228μm～2.2316μm，實際取值2.2256μm。

將該光學復雜曲面元件表面的形狀參數轉化為拋光頭的走刀文件，通過運動學反解獲得機床的數控程序；通過拋光頭主軸位姿反解得到拋光液超聲霧化施液裝置的五軸機械手的數控程序。拋光時，通過程序控制系統使機床的五軸聯動，使拋光頭軸線與工件拋光點的法線始終保持重合；拋光液超聲霧化施液裝置的五軸機械手由其數控程序控制運行，使超聲噴頭與拋光頭隨動，并使其噴射拋光液的方向與工件拋光點法線之間的夾角θ始終保持45度(如圖6所示)。

該工件在整個拋光過程中通過在線檢測裝置先后共進行五次在線檢測，最后得到的加工工件表面光滑，無傷痕，達到加工質量要求。