拋光工具及非球面元件表面波紋去除方法與流程

本發明涉及加工制造技術領域，具體而言，涉及一種拋光工具及非球面元件表面波紋去除方法。

背景技術：

先進軍事光學系統、大型天文望遠鏡工程、極紫外光刻機工程、強激光工程等光學系統對光學元件的中頻段位相誤差、表面粗糙度和亞表面粗糙度等均提出了遠遠超越古典光學系統的要求，它們對光學元件的精度指標要求基本接近加工的極限。因此，基于計算機控制光學表面成形(Computer Controlled Optical Surfacing，CCOS)原理的各種子口徑拋光技術應運而生。

其中，基于CCOS原理的子口徑拋光技術與傳統的手工拋光工藝相比，其確定性高、面形收斂快，并且對工藝師的技術水平和經驗基本沒有依賴性。然而，子口徑拋光技術在快速去除被加工表面低頻面形誤差的同時，往往也將誤差的空間尺度變得更小，從而造成較多的小尺度位相誤差。

經研究發現，任意疊加到激光束中的“波紋”或周期性結構，無論是對光束振幅還是相位的擾動，都將破壞高功率光學系統的性能。特別地，由光學元件制造過程引入的小尺度的相位擾動，在強光非線性效應的影響下將獲得很大的增益，經過長的傳輸距離后，轉化為大的強度調制，惡化系統輸出的光束質量，嚴重時甚至會導致光學元件的激光破壞。

目前，研究表明大口徑非球面元件加工中拋光工具與元件不吻合是引入中頻誤差的原因之一，拋光工具的優化設計是能夠解決這一問題的有效辦法。另外，在保證所述拋光工具與元件吻合的情況下，調控工具剛度可以獲得更好的波紋去除效果。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種拋光工具及非球面元件表面波紋去除方法，既可與待加工非球面元件的表面相吻合，又可對非球面表面波紋進行去除。

為了達到上述目的，本發明較佳實施例提供一種拋光工具，所述拋光工具包括轉接部件、工具底座、粘彈性柔性介質、柔性介質厚度調節螺釘、橡膠囊以及設置于所述橡膠囊表面的拋光模層；

所述拋光工具通過所述轉接部件連接于數控機床；所述工具底座可拆卸連接于所述轉接部件，所述工具底座為圓環狀；所述柔性介質厚度調節螺釘可活動地內嵌于所述工具底座，所述橡膠囊蓋合于所述工具底座，使所述工具底座、柔性介質調節螺釘與橡膠囊之間形成密封腔；所述密封腔內填充滿所述粘彈性柔性介質。

優選地，在上述拋光工具中，所述柔性介質厚度調節螺釘的中央設置有內六角孔，所述柔性介質厚度調節螺釘的外沿設置有第一外螺紋，所述工具底座的內周面設置有與所述第一外螺紋契合的第一內螺紋，使所述柔性介質厚度調節螺釘可相對所述工具底座旋入或旋出，改變所述密封腔的大小；所述密封腔的高度變化范圍為0～18mm。

優選地，在上述拋光工具中，所述工具底座內緣的上端面設置有階梯狀限位件，所述橡膠囊蓋合于所述階梯狀限位件。

優選地，在上述拋光工具中，所述拋光工具還包括橡膠囊鎖緊螺母，所述橡膠囊鎖緊螺母套設于所述橡膠囊，并將所述橡膠囊固定于所述工具底座。

優選地，在上述拋光工具中，所述工具底座的外周面設置第二外螺紋，所述橡膠囊鎖緊螺母的內側壁設置有與所述第二外螺紋相契合的第二內螺紋，所述橡膠囊鎖緊螺母套設于所述橡膠囊并與所述工具底座的外周面旋合。

優選地，在上述拋光工具中，所述橡膠囊鎖緊螺母的外沿設置有多個卡槽。

優選地，在上述拋光工具中，所述轉接部件、工具底座、柔性介質厚度調節螺釘及橡膠囊鎖緊螺母由鋁制作而成，所述轉接部件、工具底座及柔性介質厚度調節螺釘經減重處理制成。

優選地，在上述拋光工具中，所述拋光模層由表面具有特氟龍涂層的成型模具制成，所述成型模具為間隔設置有多個方形孔的圓盤。

優選地，在上述拋光工具中，所述拋光模層由拋光瀝青制成。

本發明較佳實施例還提供一種非球面元件表面波紋去除方法，所述方法包括：

改變本發明提供的拋光工具中粘彈性柔性介質的種類及厚度，使所述拋光工具與待加工非球面元件的表面相吻合，并且對非球面表面波紋進行去除。

本發明實施例提供的拋光工具及非球面元件表面波紋去除方法，在工具底座、柔性介質厚度調節螺釘和橡膠囊形成的密封腔中添加粘彈性柔性介質，通過選取不同種類的粘彈性柔性介質以及對粘彈性柔性介質的厚度進行調節，可以實現拋光工具與待加工非球面元件表面的吻合，還可以改變待加工非球面元件表面波紋高低點之間存在的壓強差，進而實現待加工非球面元件表面波紋的去除，最終實現待加工非球面元件中頻誤差的抑制。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對范圍的限定，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1為本發明實施例提供的一種拋光工具的結構示意圖。

圖2為本發明實施例提供的一種轉接部件的結構示意圖。

圖3為本發明實施例提供的一種工具底座的結構示意圖。

圖4為本發明實施例提供的一種柔性介質厚度調節螺釘的結構示意圖。

圖5為本發明實施例提供的一種橡膠囊以及拋光模層的結構示意圖。

圖6為本發明實施例提供的一種成型模具的結構示意圖。

圖7為本發明實施例提供的一種橡膠囊鎖緊螺母的結構示意圖。

圖8為圖7所示橡膠囊鎖緊螺母的安裝示意圖。

圖標：100-拋光工具；110-轉接部件；111-圓盤主體；1111-底面；1112-側壁；1113-凸塊；1114-第一固定孔；112-轉接軸；120-工具底座；121-第二固定孔；122-階梯狀限位件；130-柔性介質厚度調節螺釘；131-內六角孔；140-橡膠囊；141-中空圓柱；1411-表面；1412-第一倒角；142-圓環；150-拋光模層；160-橡膠囊鎖緊螺母；161-第一側面；162-第二側面；163-第二倒角；164-卡槽；200-成型模具；210-方形孔。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清除、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而非全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。

因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發明的范圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

請參閱圖1，是本發明實施例提供的一種拋光工具100。所述拋光工具100包括轉接部件110、工具底座120、粘彈性柔性介質、柔性介質厚度調節螺釘130、橡膠囊140以及設置于所述橡膠囊140表面1411的拋光模層150。

其中，所述拋光工具100通過所述轉接部件110連接于數控機床，所述工具底座120為圓環142狀，并且可拆卸地連接于所述轉接部件110。所述柔性介質厚度調節螺釘130可活動地內嵌于所述工具底座120，所述橡膠囊140蓋合于所述工具底座120，使所述工具底座120、柔性介質調節螺釘與橡膠囊140之間形成密封腔，所述密封腔內填充滿粘彈性柔性介質。

在本實施例中，所述工具底座120與所述柔性介質厚度調節螺釘130為圓盤狀，所述橡膠囊140與所述拋光模層150具有圓形輪廓，也即沿所述橡膠囊140和拋光模層150的邊緣繪制而成的曲線為圓形。所述工具底座120、柔性介質厚度調節螺釘130、橡膠囊140與拋光模層150的中心位于同一直線上。

應當理解，此處所述的“位于同一直線”并非指嚴格地處于同一直線上，當所述工具底座120、柔性介質厚度調節螺釘130、橡膠囊140與拋光模層150的中心之間的水平距離處于本領域技術能夠接納的誤差范圍內時，也應將所述工具底座120、柔性介質厚度調節螺釘130、橡膠囊140與拋光模層150的中心視作位于同一直線。

請參閱圖2，是本發明實施例提供的一種轉接部件110的結構示意圖。可選地，所述轉接部件110可以包括圓盤主體111和轉接軸112，所述轉接軸112垂直固定于所述圓盤主體111的圓心所在位置。所述圓盤主體111包括底面1111以及圍設于所述底面1111的側壁1112，所述側壁1112的內側設置有多個凸塊1113，每個所述凸塊1113與所述底面1111平行的一面開設有第一固定孔1114。其中，所述多個凸塊1113可以等間距設置，每個所述凸塊1113沿所述圓盤主體111的環向的邊緣為弧形，并可以與所述圓盤主體111的圓周相平行。

需要說明的是，本實施例中，所述轉接部件110與所述拋光工具100所應用的數控機床的轉軸的具體連接方式和尺寸相匹配，圖2所示僅為示例，本實施例對此不做限制。

請參閱圖3，本發明實施例提供的一種工具底座120的結構示意圖。可選地，所述工具底座120可以柱狀圓環142，所述工具底座120的內緣可以與所述多個凸塊1113平行于所述圓盤主體111的邊沿相平。所述工具底座120與每個所述凸塊1113上的第一固定孔1114相對的位置開設有與第二固定孔121，如此，可以使用螺釘穿過所述第一固定孔1114和第二固定孔121實現所述轉接部件110與工具底座120的固定。

可選地，所述工具底座120的內緣上端面設置有階梯狀限位件122，實施時，所述橡膠囊140蓋合于所述階梯狀限位件122，如此，可以避免所述橡膠囊140相對所述工具底座120發生移動。

可選地，請參閱圖4，是本發明實施例提供的一種柔性介質厚度調節螺釘130的結構示意圖。所述柔性介質厚度調節螺釘130為圓盤狀，柔性介質厚度調節螺釘130的大小與所述工具底座120的內圓的大小相契合，使所述柔性介質厚度調節螺釘130能夠活動地內嵌于所述工具底座120。

可選地，所述柔性介質厚度調節螺釘130的中央設置有內六角孔131，所述柔性介質厚度調節螺釘130的外沿設置有第一外螺紋，所述工具底座120的內周面設置有第一內螺紋，所述第一內螺紋與所述第一外螺紋相契合，使所述柔性介質厚度調節螺釘130可相對所述工具底座120旋入或旋出。由于所述橡膠囊140與所述工具底座120的相對位置不變，通過改變所述柔性介質厚度調節螺釘130的位置，即可改變所述密封腔的大小。由于所述粘彈性柔性介質填充滿所述密封腔，因而，所述密封腔高度的改變，即可實現所述粘彈性柔性介質厚度的改變。

其中，所述粘彈性柔性介質厚度的改變范圍為0～18mm，也即，所述密封腔的高度變化范圍為0～18mm。

請參閱圖5，是本發明實施例提供的一種橡膠囊140及拋光模層150的結構示意圖。可選地，所述橡膠囊140可以為鍋蓋狀，由橡膠材料制成，其厚度可以為2mm。所述橡膠囊140可以一端開口的中空圓柱141，以及設置于所述開口外沿的圓環142，所述圓環142與所述開口所在平面相平。所述中空圓柱141背離所述工具底座120的表面1411的邊緣設置有第一倒角1412，所述拋光模層150設置于該表面1411。所述拋光模層150包括多個矩形凸起，所述矩形凸起間隔設置于該表面1411。

其中，所述中空圓柱141的背離所述工具底座120的表面1411直徑可以為111mm，所述第一倒角1412的半徑可以為6mm，所述橡膠囊140內腔深10mm。

實施時，所述橡膠囊140蓋合于所述工具底座120，也即，所述圓環142背離所述中空圓柱141的一面與所述工具底座120相互貼合。

在本實施例中，所述拋光模層150可以由圖6所示的成型模具200制成。所述成型模具200為開設有多個方形孔210的圓盤，所述成型模具200的表面1411可以具有特氟龍涂層。由于所述拋光模層150所用材料為瀝青，所述特氟龍涂層的設置可以避免制作成型的拋光模層150與成型模具200粘結，從而便于將制作成型的拋光模層150完整地從成型模具200脫開。

可選地，所述拋光工具100還包括橡膠囊鎖緊螺母160。請結合參閱圖7和圖8，圖7為本發明實施例提供的一種橡膠囊鎖緊螺母160的結構示意圖，圖8是橡膠囊鎖緊螺母160的安裝示意圖。

可選地，所述橡膠囊鎖緊螺母160可以包括相互連接的第一側面161和第二側面162，所述第一側面161與所述第二側面162相互垂直。所述第一側面161為圓環142狀，所述第二側面162為圓筒狀，也即，所述第一側面161和第二側面162構成的整體形如環形角鋼。

其中，所述第一側面161與所述第二側面162相接的位置設置有第二倒角163，所述第二倒角163所在圓周間隔設置有多個卡槽164，所述多個卡槽164可以等間距設置，其具體數量可以根據需要進行靈活設置，例如，可以為4個，本實施例對此不做限制。如此，在拆卸所述橡膠囊鎖緊螺母160便于將其擰動。

實施時，所述橡膠囊鎖緊螺母160套設于所述橡膠囊140。所述第一側面161的內緣與所述中空圓柱141的外側壁1112相互接觸，所述第二側面162背向所述卡槽164的一面與所述工具底座120的外周面相互接觸。根據實際需求，所述第二側面162背向所述卡槽164的一面可以設置有第二內螺紋，所述工具底座120的外周面可以設置有第二外螺紋，如此，當所述橡膠囊鎖緊螺母160套設于所述橡膠囊140時，所述第二內螺紋可以與所述第二外螺紋相互旋合，從而將所述橡膠囊140固定于所述工具底座120。

需要說明的是，本實施例中，所述轉接部件110、工具底座120、柔性介質厚度調節螺釘130及橡膠囊鎖緊螺母160均可以由鋁材料制作而成，并且所述轉接部件110、工具底座120及柔性介質厚度調節螺釘130均可以進行減重處理，如此可以減輕整體重量。

本發明實施例還提供一種非球面元件表面波紋去除方法，所述方法包括以下步驟。

改變本發明提供的拋光工具100中粘彈性柔性介質的種類及厚度，使所述拋光工具與待加工非球面元件的表面相吻合，并且對非球面表面波紋進行去除。

實施時，通過改變所述拋光工具100中粘彈性柔性介質的種類及厚度，可以使所述拋光工具100適應于由于非球面形貌造成的低階彎曲，也即，使所述拋光工具能夠與待加工非球面元件的表面相吻合。應當理解，本實施例中，所述非球面元件表面波紋去除方法同樣適用于具有平面或球面的待加工元件。

此外，通過改變所述拋光工具100中粘彈性柔性介質的種類及厚度，還可以對面形誤差中的波紋進行去除，也即保證待加工元件的表面波紋高低點之間存在壓強差。

其中，光學元件表面高低點間的壓強差可以根據計算式進行計算，P_sub表示待加工元件表面高低點之間的壓強差，ε表示波紋幅值，L表示粘彈性柔性介質的厚度，E′表示儲能模量，δ表示相位角。

在采用所述拋光工具100對待加工元件進行拋光時，在加工一定時間后，可以計算所述待加工元件表面波紋幅值變化量，所述波紋幅值變化量可以通過計算式ΔPV＝K·V·P_sub·Δt進行計算，其中，K為比例常數，用于表征除壓力、速度因素外對波紋去除量有影響的因素。V表示拋光模層150與待加工元件之間的相對速度，Δt表示加工時長。

綜上所述，本發明實施例提供的拋光工具100及非球面元件表面波紋去除方法，在工具底座120、柔性介質厚度調節螺釘130及橡膠囊140形成的密封腔內填充滿粘彈性柔性介質，如此，可以通過改變所述柔性介質厚度調節螺釘130的位置，實現所述粘彈性柔性介質厚度的改變，從而使所述拋光工具100與待加工元件的表面1411相吻合。此外，通過改變所述粘彈性柔性介質的種類的厚度，還可以改變待加工元件表面波紋高低點之間的壓強差，進而實現待加工元件表面波紋去除，以及對外加工元件中頻誤差的抑制。

在本發明的描述中，需要說明的是，術語“上”、“下”，“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，或者是該發明產品使用時慣常擺放的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。

在本發明的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“設置”、“安裝”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

在本發明中，除非另有規定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接觸，也可以包括第一和第二特征不是直接接觸而是通過它們之間的另外的特征接觸。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或僅僅表示第一特征的水平高度在高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征的正下方和斜下方，或僅僅表示第一特征的水平高度小于第二特征。

以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。