CN112536649A - 一种基于磁性磨粒流的光学玻璃抛光方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁性磨粒流的光学玻璃抛光方法及其装置，在聚合物胶体中加入磁性磨粒、加工磨粒和分散剂，制备具有高浓度磁性磨粒的抛光液；其中，磁性磨粒占抛光液的质量分数为75％～95％，聚合物胶体的质量分数为10％～20％，加工磨粒的质量分数为1％～5％，分散剂的质量分数为0.5％～2％。同时公开了一种实现上述抛光方法的装置，在抛光过程中，利用抛光装置控制光学玻璃零件与抛光液之间做相对运动，采用磁场发生器给所述抛光液施加磁场，调节抛光液中磨粒的聚集度，增加零件与磨粒之间的摩擦力，进而实现磨粒对零件的微量去除，达到高效抛光的效果。本发明可低成本地实现曲面光学玻璃零件的高效低损伤抛光。
Description
技术领域
本发明属于光学玻璃的抛光领域，具体涉及一种基于磁性磨粒流的光学玻璃抛光方法及其装置。
背景技术
光学玻璃目前已广泛应用于航空航天、军事装备、核电能源、医疗和电子设备等领域。其中光学玻璃零件类型主要为光学定位镜头和光路调节镜头。不同应用场合对光学玻璃表面有不同的质量要求，例如，空间望远镜中的光学元件须具有高力学强度和形状保持度；武器装备瞄准系统的光学元件须具有高准确性和机动性；核聚变高能激光系统的光学元件须具有高激光损伤阈值；各种光学测量仪器中的光学元件须具有完整性和便携性。
为满足上述应用领域的性能要求，光学玻璃零件的工作面须达到超光滑、少/无表层损伤，对其抛光工艺提出了苛刻的要求。目前，针对平面型镜面，采用传统的抛光方法即可制造出精度非常高的镜面；而对于曲面形状的光学玻璃元件，如球面镜和非球面镜等，通常采用机械小工具技术(CCOS)、磁流变技术(MRF)和离子束修形技术(IBF)等计算机辅助的柔性抛光技术加工。CCOS技术基于数控系统可实现利用小工具抛光大尺寸工件，缺点是加工效率低且存在边缘效应；MRF的加工介质是以磁性颗粒为主要成分的Bingham流体，其在高速运动过程中可实现材料剪切去除，MRF的缺点是加工斑点小，对工件尺寸和曲率有一定限制，此外，磁流变液还有沉降的缺陷，限制其加工效率；IBF通过离子束轰击材料表面实现表层材料去除，其优点是加工表面无亚表面损伤层，无边缘效应，缺点是加工条件苛刻(真空环境)，加工效率低。上述抛光方法的共同缺点还包括工艺复杂，设备成本较高。
申请号为2006201055708和2015108115101公开的磁性磨粒抛光方法均采用干的磁性磨粒作为抛光介质，其加工方式为干式摩擦磨损，此类方法易在加工表面产生局部能量聚集，加剧零件表层损伤；此外，由于加工介质为干式磁性磨粒粉末，即使在磨粒非极化状态下，由于磨粒聚集度较高，工件也难以方便进入抛光介质。
综上所述，现有的抛光技术难以实现高效、高表面质量和低成本地抛光光学玻璃零件。因此，需要开发一种加工效率较高，实现成本较低，且能够保证加工质量的抛光方法。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明结合磁流变液和干式磁性磨粒抛光方法的优势，提出一种基于高浓度磁性磨粒流体的光学玻璃抛光方法及其装置。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于磁性磨粒流的光学玻璃抛光方法，在聚合物胶体中加入磁性磨粒、加工磨粒和分散剂，制备具有高浓度磁性磨粒的抛光液；其中，磁性磨粒占抛光液的质量分数为75％～95％，聚合物胶体的质量分数为10％～20％，加工磨粒的质量分数为1％～5％，分散剂的质量分数为0.5％～2％。
在抛光过程中，光学玻璃零件与抛光液之间做相对运动，采用磁场发生器给所述抛光液施加磁场，调节抛光液中磨粒的聚集度，增加零件与磨粒之间的摩擦力，进而实现磨粒对零件的微量去除，达到高效抛光的效果。
进一步，所述的磁性磨粒为铁氧体粉末或羟基铁粉，粒径范围为0.05～3μm；所述的聚合物胶体为硅溶胶或铝溶胶；所述的加工磨粒为金刚石、碳化硅、氧化铝、氧化铈、氧化硅、氧化锆、氧化钛的一种或几种磨粒的混合物，粒径范围为0.5～30μm，磨粒的种类、粒度和浓度根据抛光工件的加工质量和效率选取。
再进一步，在所述抛光液中，可以加入分散剂以防止磁性磨粒和加工磨粒的沉降和凝聚。所述的分散剂为油酸、聚乙二醇、六偏磷酸钠、焦磷酸钠、聚乙烯醇的一种或几种混合物，分散剂的种类和浓度根据加工磨粒和聚合物胶体种类以及加工工件的材料特性选取。
本发明进一步公开了一种实现所述抛光方法的装置，包括用于盛放抛光液的抛光槽、磁场发生器和用于固定零件的夹具，所述磁场发生器安装在所述抛光槽的周围，所述夹具位于所述抛光槽上方。
进一步，所述抛光槽包括粗加工抛光槽和精加工抛光槽，所述粗加工抛光槽中抛光液的加工磨粒为硬度和粒度较大的磨粒，所述精加工抛光槽中抛光液的加工磨粒为硬度和粒度较小的磨粒，抛光过程中，零件首先浸入粗加工抛光槽加工，然后再浸入精加工抛光槽加工。
进一步，所述磁场发生器为螺旋结构的电磁激励线圈。
再进一步，所述夹具与用于驱动夹具转动以及上下左右前后移动的驱动机构连接。
本发明的构思为：开发一种包含加工磨粒的磁性磨粒流抛光液，在磁场作用下实现光学玻璃的高效精密抛光。其中，加工磨粒为硬质磨粒或化学活性磨粒，聚合物胶体和分散剂主要作用为保持磨粒分布稳定性，磁性磨粒在外加磁场作用下控制加工磨粒与零件的压力，配合零件与抛光流体的相对运动，达到高效抛光光学玻璃零件的目的。
与现有技术相比，本发明的有益效果主要表现为：属于流体抛光方法，适用于加工曲面零件；加工磨粒通过磁场柔性把持，有利于减少加工损伤层；抛光过程分成粗加工和加工，并采用不同加工磨粒，可有效提高加工效率；抛光液易于制备，抛光装置可方便应用于数控机床，可显著降低加工成本。
附图说明
图1为本发明磁性磨粒流抛光装置的结构示意图；
图2为本发明抛光装置处于工作状态时的磨粒流状态的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的方案做进一步说明。
参照图1和图2，一种基于磁性磨粒流的光学玻璃抛光方法，在聚合物胶体2中加入磁性磨粒3和加工磨粒4，提高抛光效率并降低加工区域局部温度，再加入分散剂提高磨粒的沉降稳定性，制备具有高浓度磁性磨粒的抛光液；其中，磁性磨粒占抛光液的质量分数为75％～95％，聚合物胶体的质量分数为10％～20％，加工磨粒的质量分数为1％～5％，分散剂的质量分数为0.5％～2％。
在抛光过程中，光学玻璃零件1与抛光液5之间做相对运动，采用磁场发生器10给所述抛光液5施加磁场，调节抛光液中磨粒的聚集度，增加零件与磨粒之间的摩擦力，进而实现磨粒对零件的微量去除，达到高效抛光的效果。
进一步，所述的磁性磨粒为铁氧体粉末或羟基铁粉，粒径范围为0.05～3μm；所述的聚合物胶体为硅溶胶或铝溶胶；所述的加工磨粒为金刚石、碳化硅、氧化铝、氧化铈、氧化硅、氧化锆、氧化钛的一种或几种磨粒的混合物，粒径范围为0.5～30μm，磨粒的种类、粒度和浓度根据抛光工件的加工质量和效率选取。
再进一步，在所述抛光液中，可以加入分散剂以防止磁性磨粒和加工磨粒的沉降和凝聚。所述的分散剂为油酸、聚乙二醇、六偏磷酸钠、焦磷酸钠、聚乙烯醇的一种或几种混合物，分散剂的种类和浓度根据加工磨粒和聚合物胶体种类以及加工工件的材料特性选取。
一种基于磁性磨粒流的光学玻璃抛光装置，包括用于盛放抛光液5的抛光槽、磁场发生器10和用于固定零件的夹具6，所述磁场发生器10安装在所述抛光槽的周围，所述夹具6位于所述抛光槽上方。
所述抛光槽包括粗加工抛光槽9和精加工抛光槽11，所述粗加工抛光槽9中加工磨粒为硬度和粒度较大的磨粒，所述精加工抛光槽11中抛光磨粒为硬度和粒度较小的磨粒，抛光过程中，零件1首先浸入粗加工抛光槽9加工，然后浸入精加工抛光槽11加工。
所述磁场发生器10为螺旋结构的电磁激励线圈，采用线圈螺旋缠绕抛光槽，当线圈通电后，在抛光槽内产生近似平行于主轴8的磁场13。
本发明所述的一种基于磁性磨粒流的光学玻璃抛光方法，可实现光学玻璃回转体零件的高效低成本抛光。
将氧化铁粉和1000#的碳化硅磨粒加入硅溶胶，分散剂为聚乙二醇，充分搅拌后，加入粗加工抛光槽9；将氧化铁粉和1～3μm氧化铈磨粒加入硅溶胶，分散剂为聚乙二醇，充分搅拌后，加入精加工抛光槽11。加工对象为K9玻璃材质的非球面镜。非球面镜1通过夹具6固定于主轴8后，启动主轴电机7驱动主轴8转动，然后给磁场发射器10通电，在抛光槽内产生从下向上的磁场13，使抛光液中的磁性磨粒聚集在抛光槽上层，在聚合物胶体中形成包裹加工磨粒的粒子团，同时有效避免抛光液中磨粒的沉降，参照图2。粗加工完成后，磁场发生器10断电，主轴8抬起；工作台12将精加工抛光槽11移至主轴8下方，然后重复上述粗加工的加工流程。精加工抛光槽中，由于硅溶胶分子式为SiO2·nH2O，其中含有的大量水分子可与硅酸盐玻璃网络发生水化反应：Si-O-Si(glass)+H2O→2SiOH，在玻璃表面形成软质薄膜，方便加工磨粒去除；且氧化铈为化学活性磨粒，可与玻璃表面离子交换形成Si-O-Ce桥键，提高磨粒和零件表面的摩擦力，完成光学玻璃高效低损伤抛光。
本发明使用的加工磨粒为硬质磨粒或化学活性磨粒，加工介质为流体，方便贴合曲面零件表面。在磁场的作用下，抛光液在加工对象表面形成柔性磨具，通过零件与抛光液的相对运动，实现曲面零件表面材料的柔性去除。
以上所述仅为本发明的具体实施例，本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的范围之内，所做的简单变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。
Claims (7)
1.一种基于磁性磨粒流的光学玻璃抛光方法，其特征在于：在聚合物胶体中加入磁性磨粒、加工磨粒和分散剂，制备具有高浓度磁性磨粒的抛光液；其中，磁性磨粒占抛光液的质量分数为75％～95％，聚合物胶体的质量分数为10％～20％，加工磨粒的质量分数为1％～5％，分散剂的质量分数为0.5％～2％。
在抛光过程中，光学玻璃零件与抛光液之间做相对运动，采用磁场发生器给所述抛光液施加磁场，调节抛光液中磨粒的聚集度，增加零件与磨粒之间的摩擦力，进而实现磨粒对零件的微量去除，达到高效抛光的效果。
2.如权利要求1所述的一种基于磁性磨粒流的光学玻璃抛光方法，其特征在于：所述的磁性磨粒为铁氧体粉末或羟基铁粉，粒径范围为0.05～3μm；所述的聚合物胶体为硅溶胶或铝溶胶；所述的加工磨粒为金刚石、碳化硅、氧化铝、氧化铈、氧化硅、氧化锆、氧化钛的一种或几种磨粒的混合物，粒径范围为0.5～30μm，磨粒的种类、粒度和浓度根据抛光工件的加工质量和效率选取。
3.如权利要求1所述的一种基于磁性磨粒流的光学玻璃抛光方法，其特征在于：在所述抛光液中，可以加入分散剂以防止磁性磨粒和加工磨粒的沉降和凝聚。所述的分散剂为油酸、聚乙二醇、六偏磷酸钠、焦磷酸钠、聚乙烯醇的一种或几种混合物，分散剂的种类和浓度根据加工磨粒和聚合物胶体种类以及加工工件的材料特性选取。
4.一种基于磁性磨粒流的光学玻璃抛光装置，其特征在于：包括用于盛放抛光液的抛光槽、磁场发生器和用于固定零件的夹具，所述磁场发生器安装在所述抛光槽的周围，所述夹具位于所述抛光槽上方。
5.如权利要求4所述的一种基于磁性磨粒流的光学玻璃抛光装置，其特征在于：所述抛光槽包括粗加工抛光槽和精加工抛光槽，所述粗加工抛光槽中抛光液的加工磨粒为硬度和粒度较大的磨粒，所述精加工抛光槽中抛光液的加工磨粒为硬度和粒度较小的磨粒。
6.如权利要求4所述的一种基于磁性磨粒流的光学玻璃抛光装置，其特征在于：所述磁场发生器为螺旋结构的电磁激励线圈。
7.如权利要求4所述的一种基于磁性磨粒流的光学玻璃抛光装置，其特征在于：所述夹具与用于驱动夹具转动以及上下左右前后移动的驱动机构连接。
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