数控气囊式抛光结构设计与非球面加工工艺技术研究

孔琳，贾宗合，邵维，刘冬梅，付秀华

（1长春理工大学光电工程学院，长春 130022；2吉林东光集团有限公司，长春 130022）

数控气囊式抛光结构设计与非球面加工工艺技术研究

孔琳1，贾宗合1，邵维2，刘冬梅1，付秀华1

（1长春理工大学光电工程学院，长春 130022；2吉林东光集团有限公司，长春 130022）

非球面光学元件由于具有改善系统成像质量、提高光学性能等特点被广泛的应用于各类光电产品中，因此如何抛光加工出高精度非球面元件成为国内外学者面临的难题。对数控气囊抛光方法抛光非球面元件的工艺进行研究，分析气囊抛光的加工原理，设计气囊式抛光头的结构，并对材料去除函数进行分析。在实验过程中使用硅胶气囊与橡胶气囊对非球面元件进行抛光对比，采用轮廓仪测量非球面面型，并使用高倍放大镜检测表面质量。结果表明，利用数控气囊抛光方法可以加工出光滑的非球面表面，粗糙度为0.9nm，该方法是抛光高精密非球面光学元件的有效方法，且数控气囊抛光工艺具有可扩展性。

数控气囊式抛光；去除函数建模；结构设计；非球面；高精度

在现代光学系统设计中，由于非球面光学元件具有缩小光学系统外形尺寸、减轻系统质量、提高光学性能、改善成像质量等优点，被广泛应用于军事、民用、医疗、激光以及光通讯等领域。由于非球面光学元件的曲率半径随着空间坐标系的变化而各不相同，因此如何获得高精密非球面成为相关领域技术人员所要解决的难题。近年来新的抛光方法发展迅速，如磁流变抛光、离子束抛光、应力盘抛光、小工具抛光以及计算机控制光学表面成型技术等［1］。

气囊式抛光是20世纪90年代伦敦光学实验室提出来的一种新的超精密抛光方法，国外在应用上取得了阶段性成果。基于理论和实验的研究成果，2002年伦敦光学实验室相继研制了IRP（IRP200、IRP600、IRP1000）系列数控气囊式抛光机床，可抛光的最大直径为2.3m，并将气囊抛光应用于Euro50大型天文望远镜的加工中，其中IRP1000抛光机床加工直径为1000mm，面型PV值80nm，表面粗糙度RMS为0.3nm，磨削去除率达到每分钟2.0mm3以上，抛光去除效率达到每分钟0.25mm3以上［2］。

在国内开展数控式气囊抛光技术研究的有长春光机所、国防科技大学、哈尔滨工业大学、北京理工大学等。哈尔滨工业大学的宋剑锋等运用数控气囊式抛光技术对平面光学元件BK7进行了抛光实验，得到Ra为0.931nm的超光滑表面。浙江工业大学在自由曲面上采用机器人抛光系统，研究气囊抛光工具与抛光中各工艺参数对元件抛光的影响。在过去的实验中，主要分析气囊式抛光方法中的工艺参数以及去除机理。对于气囊式抛光头的结构设计问题，目前还没有相关报道，本文为解决气囊漏气问题，对气囊式抛光头结构进行改善研究，达到良好的抛光效果。

1 数控气囊式抛光原理与材料去除函数建模

气囊式抛光属于散粒式抛光方式，气囊外形呈球冠状，外表面粘贴聚氨酯抛光垫［3，4］，将气囊置于抛光头内，通过控制气体的压力，使气囊发生形变与元件表面具有良好的吻合性。在抛光过程中通过控制气囊充气压力、抛光路径、气囊与元件的接触面积［5］、抛光表面驻留时间以及抛光液浓度等，达到对非球面元件表面精确抛光的目的。

对于抛光材料去除的研究，主要是对抛光材料在单位时间内的去除函数进行建模，假设气囊与被抛非球面接触时遵循赫兹接触理论，即两个物体在受到挤压之后接触，不考虑接触之间的相互摩擦时所产生的局部应力以及应力分布，那么材料去除函数的建模基本遵循Preston方程［6，7，8］。即抛光时材料的去除量与该接触点的压强、相对线速度以及驻留时间成正比，即：

为使实验更加简化，保持pc(x,y)恒定且υs(x,y)不随时间变化。当施加压力垂直表面时，定义抛光头磨削特性函数为：

这样，去除率函数H(x,y)即为抛光头磨削特性函数R(x,y)与驻留时间函数D(u,ν)二者的卷积

通过理论和实验总结得到，数控气囊式抛光时抛光区域内的材料去除率遵循Preston方程。

2 抛光工具的结构设计

2.1 抛光气囊材料选取

抛光过程中柔性气囊作为主要的抛光工具，由于气囊的硬度对元件的抛光影响很大，所以如何控制气囊的硬度对抛光来说至关重要。之前的抛光气囊多用橡胶制备，由于橡胶本身材料的特性，较厚的橡胶气囊，与元件表面的吻合性降低；较薄的橡胶气囊，过于柔软不利于小口径元件的抛光。通过实验摸索，采用硅胶作为抛光气囊，可弥补橡胶材料的不足。实验中选取1mm、2mm、3mm、4mm、5mm不同厚度的气囊，为了延长气囊的使用寿命，用纤维布作为中间加强层，最外层即抛光模层使用0.08mm的聚氨酯抛光垫，使用相同的压力对比橡胶气囊与硅胶气囊的形变量，对比图如图1所示。

图1 气囊厚度与形变量关系

由图1可以得出，当气囊厚度从1mm变化到5mm时，硅胶气囊相比于橡胶气囊压缩形变量更小，硅胶气囊的厚度变化对于气囊硬度的影响较弱，实验中更容易控制气囊的形变量以及与元件表面的接触面积。

2.2 抛光头的结构设计

在实验中发现，经过长时间的抛光，抛光气囊容易出现漏气问题，因而气囊不能保持恒定的抛光压力，使得元件表面面型精度下降。为了提高气囊的牢固性和稳定性，对抛光头结构进行重新设计，使抛光气囊与抛光头紧密接触［8］，避免抛光过程中的漏气问题，同时保持均匀压力进行抛光。其结构主要由基座、套筒、紧固蝶型栓组成，如图2、图3所示。

图2 抛光夹具装配图

图3 抛光夹具组成图

基座内部中空作为支撑气囊的主体，外部使用套筒固定气囊，同时对气囊进行保护，防止磕碰漏气，使用紧固蝶型栓将基座和套筒固定，此外，为了保证封闭性，在蝶型栓内加入密封垫。

此前的抛光气囊主要依靠强力粘合剂与抛光头固定，经过长时间抛光，粘合剂老化，气囊与抛光头的封闭性降低，新的气囊式抛光头不再依赖粘合剂固定，运用基座和套筒将气囊稳固夹紧，实验证明这种抛光头结构简单，并且经过长时间抛光后，硅胶气囊不存在漏气变形问题，气囊与元件吻合性良好。能够达到理想的抛光效果，并且具有良好的重复性和稳定性。

表1 加工工艺参数

图4 加工运动方式

另外，在平面元件抛光过程中抛光气囊采用“进动”的运动方式抛光，非球面元件抛光中也可借鉴这种运动方式，如图4所示，即气囊的自转轴与元件表面法线倾斜一定的角度，由边缘向中心均匀抛光。对非球面元件抛光这种运动方式具有以下特点：首先，能够将气囊中心速度为零的点转换到抛光区域外，提升抛光效率。再者，气囊保持稳定的压力，使得元件表面得到均匀抛光。其次，在抛光过程中抛光液会随着离心运动向元件边缘运动，抛光头的这种“进动”式运动能够有效的保留抛光液分布在元件表面，提升去除效率。

3 硅胶气囊抛光方法与橡胶气囊抛光方法实验对比研究

为了研究硅胶气囊抛光方法的效果，实验中对直径为80mm非球面元件ZK-10（重冕玻璃化学组成成分为BaO（ZnO、CaO）-B2O3-SiO2），）［9，10］进行抛光。由于非球面度较大，要获得精确面型具有一定难度。在实验中使用相同的工艺参数，如表1所示。抛光过程每10min对元件表面进行PV值测量，得到结果如图5所示。结果证明相比于橡胶气囊，硅胶气囊抛光能更快的收敛表面PV值，具有更高的去除效率，能获得高精度非球面元件。在相同压力下经过六小时连续抛光，使用轮廓仪测量元件PV值，如图6所示，并使用高倍放大镜观察元件表面质量，将两种抛光结果进行对比。

图5 橡胶气囊与硅胶气囊抛光方式实验结果对比（PV）

实验中使用设计的气囊式抛光头，有效固定气囊位置，并且解决了气囊漏气的问题，与元件表面保持良好的吻合性。硅胶气囊对于非球面度较大的元件能够随着面型变化附着表面进行抛光，并且能保持稳定形态，弹性系数几乎不变，可以长时间重复使用。橡胶气囊经过长时间抛光，气囊出现细小裂痕，抛光过程中无法保证恒定的抛光压力，尤其对于非球面度较大的元件吻合性降低，因此，橡胶气囊的抛光效果不如硅胶气囊。

图6 实验结果对比

4 结论

本文从数控气囊式抛光原理出发，对材料去除函数进行分析，经过实验及理论总结，抛光区域内的材料去除率基本遵循Preston方程。针对抛光气囊的漏气问题，设计气囊抛光头的结构。在实验中将硅胶气囊与橡胶气囊进行抛光对比研究，实验结果证明，硅胶气囊抛光相比橡胶气囊抛光能更快收敛元件表面PV值，去除效率更高。对于ZK-10非球面元件，PV值达到0.3μm，表面粗糙度达到0.9nm，多次实验证明重复性理想。可见气囊式抛光是一种有效的加工方法，且该方法具有扩展性。

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The CNC Bonnet Polishing Structure Design and Study on Machining Technology of Aspheric Surface

KONG Lin1，JIA Zonghe1，SHAO Wei2，LIU Dongmei1，FU Xiuhua1
（1.School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Jinlin Dongguang Group，Changchun 130022）

Aspheric optical components are widely applied in various types of optoelectronic products due to the characteristics of improving the system imaging quality and the optical properties.Therefore，how to produce high precision aspherical components become the problem faced by domestic and foreign scholars.In this paper，the process of polishing aspheric components by the CNC bonnet polishing method is studied，and both the processing principle of bonnet polishing andmaterial removal function are analyzed，the structure of the bonnet polishing grinding head is designed，In the experimental process，using silicone gasbag and the rubber gasbag of aspherical components are comparatively polishing，In the experimental process，using silicone gasbag and rubber gasbag to polishing contrast for aspherical elements.

bonnet tool polishing with CNC machine；removal function modeling；structure design；aspheric surface；high precision

TH706

A

1672-9870（2016）06-0027-04

2016-07-04

吉林省重大科技攻关专项（No21040203002GX）；国家高技术研究发展计划（12349876）资助

孔琳（1991-），女，硕士研究生，E-mail：13039046058@163.com

贾宗合（1980-），男，硕士，实验员，E-mail：jiazonghe80@126.com