一種多束交替水射流拋光盤及拋光方法
【專利摘要】本發明是一種多束交替水射流拋光盤，該拋光盤包括：多組噴口和底座，在底座的軸心處設有一噴口，以該一噴口的軸心設置不同半徑的第一同心圓和第二同心圓，并在第一同心圓和第二同心圓的圓周上布設通透于底座的多組噴口，每個噴口與底座的射流供料系統相連，供料系統為各噴口提供拋光磨料，使得交替水射流拋光零件表面時保證沖擊區域內零件表面均勻的去除；每組噴口按照設定的不同時間段對加工工件表面進行加工，使得各個噴口水射流穩定獨立，零件表面的去除函數穩定，去除量可控，去除分布均勻；再加工過程中產生的亞表面損傷層小，用于提高射流拋光的加工效率。本發明還提供一種使用多束交替水射流拋光盤的多束交替水射流拋光方法。
【專利說明】一種多束交替水射流拋光盤及拋光方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光學技術加工領域，涉及一種多束交替水射流拋光盤及多束交替水射流拋光方法。
【背景技術】
[0002]隨著技術的進步，越來越多的高功率激光系統被設計制造，而高功率激光系統對光學零件表面質量要求很高，光學零件表面的瑕疵、加工表面的殘余誤差和亞表面損傷等都會影響系統的損傷閾值。當激光入射到尖銳的突起或凹坑邊緣時，這類高頻缺陷會導致強光散射，如果強光散射發生在零件表面的破壞層或亞表面損傷層，由于零件表面破壞層和亞表面損傷層抗損傷能力較低，強光散射的能量加深零件表面的損傷層，最終導致零件的損壞，并且系統中強光散射的能量越大，系統的性能將會減弱。因而對光學零件表面的高頻誤差以及表面破壞層和亞表面損傷層的控制是為了滿足高功率激光的需求。
[0003]荷蘭TNO應用物理研究所的0.w.Faehnle和H.van Brug等人首先將磨料水射流技術引入光學加工領域。該技術利用混有磨料粒子的拋光液經液壓系統泵的作用從噴口噴出，高速作用于工件表面，借助于磨料粒子的高速碰撞和剪切作用達到材料去除的目的。磨料水射流拋光技術具有應用范圍廣、去除斑點小、無亞表面損傷以及成本低等特點。由于磨料水射流拋光的拋光頭是一段細長的液體射流束，并且沖擊壓力一般均在IMPa以下，因此加工過程中拋光面質量不受“拋光盤”變形的影響，不會改變材料的力學和物理性能及產生磨料硬、熱損傷等優點，可用來對多種材料進行高頻誤差以及表面破壞層和亞表面損傷層處理。另外磁射流拋光和磁流變等拋光方式也可對元件進行表面處理而幾乎不引入亞表面損傷，但磨料水射流相對于他們成本低，大規模應用更有經濟優勢。
[0004]而磨料水射流本身由于噴口較小，沖擊范圍有限，單噴口的加工效率較低，用來對整個被加工零件表面進行高頻誤差以及破壞層或亞表面層的處理會耗時較長，特別是加工大口徑零件，如采用單噴口水射流模式，加工時間則更長，加工時間太長不但對機床的穩定性要求高，同時水射流時磨料的濃度、酸緘性等工藝參數都很難保證一致，這些誤差導致去除函數的不穩定，因而降低零件表面的加工精度。但是，如果增加磨料水射流系統壓強，雖可提高去除效率，但由于磨料粒子對零件表面沖擊加劇，沖擊后的表面粗糙度會增大，表面質量變差。由此看來，采用單噴口磨料水射流拋光在零件表面時的效率和質量上難以兼顧。
【發明內容】
[0005](一 )要解決的技術問題
[0006]為了解決單噴口在處理光學元件表面時加工范圍小、效率低下的問題，本發明的目的是提出一種能提高單束水射流拋光效率的多束交替水射流拋光盤及多束交替水射流拋光方法。
[0007]( 二 )技術方案
[0008]為了實現所述目的，本發明的第一方面是提供一種多束交替水射流拋光盤，該拋光盤包括:多組噴口和底座，在底座的軸心處設有一噴口，以該一噴口的軸心設置不同半徑的第一同心圓和第二同心圓，并在第一同心圓和第二同心圓的圓周上布設通透于底座的多組噴口，每個噴口與底座的射流供料系統相連，供料系統為各噴口提供拋光磨料，使得交替水射流拋光零件表面時保證沖擊區域內零件表面均勻的去除；每組噴口按照設定的不同時間段對待加工工件表面進行加工，使得各個噴口水射流穩定獨立，零件表面的去除函數穩定，去除量可控，去除分布均勻。
[0009]為了實現所述目的，本發明的第二方面是提供一種多束交替水射流拋光方法，包括如下步驟:
[0010]步驟S1:多束交替射流拋光拋光盤系統開始工作，對多束交替水射流拋光盤的一個噴口的定點拋光，確定一個噴口對所拋光零件表面的去除量；
[0011]步驟S2:設定兩個噴口水射流時噴口之間的最佳距離；仿真分析兩個相距一距離的噴口對零件表面進行定點拋光，使當兩個噴口水射流時之間的強相互作用最低時確定為兩個噴口的最佳距離，得出多噴口水射流的去除量；在底座上布置每個噴口，對去除量較低的位置添加噴口，用于保證零件拋光表面的均勻去除，同時也減少零件拋光表面的高頻誤差和亞表面損傷層；
[0012]步驟S3:以一噴口的軸心為中心設置不同半徑的第一同心圓和第二同心圓，并在第一同心圓和第二同心圓的圓周上布設通透于底座的多組噴口，根據所設定的各個噴口在底盤上的位置，對每個噴口的開啟時間進行計算，在不同時間段使不同位置的噴口工作，用以交替水射流的方式對零件表面進行拋光，同時對整個底座上的噴口旋轉，從而保持零件拋光表面的均勻去除。
[0013](三)有益效果
[0014]本發明提出的提高射流拋光效率的方法特點是:一、在一個底座上布局多個噴口組，在同一時間有多個噴口同時開啟，對元件表面進行磨料水射流加工，從而提高射流拋光效率，同時通過噴口的合理分布和交替射流保證沖擊區域內較均勻的去除；二、通過合理布局和控制噴口組開啟時間，使得各個噴口射流穩定獨立，便于控制去除量，本發明去除量可控，以及去除分布較均勻，去除效率較一噴口有很大提高，因而拋光產生的表面損傷和亞表面損傷層小；三、本發明綜合單束水射流拋光技術，采用按照一定規律分布在拋光盤底座上的多束噴口，靠多噴口拋光盤的水射流使拋光液由沖擊射流轉化為切向流動，該方法通過單束水射流在被加工零件表面的去除量實驗、兩束水射流的仿真分析，給出噴口合理的分布布局，保證多束切向射流流動的剪切力作用實現被加工表面的材料去除，把待拋光光學零件表面的高點誤差“抹平”。和單束水射流拋光方法的沖擊材料去除率相比，多束水射流噴口能獲得更高的拋光效率，更少的壓表面損傷層，并且結構簡單、制造成本低。采用多束交替水射流拋光盤消除了單束水射流拋光過程中僅靠徑向流動產生的剪切力實現被加工零件表面的材料去除，在提高水射流拋光效率的同時減少了被拋光零件表面的高頻誤差。本發明特別適用于對光學元件進行全表面的高頻誤差而同時避免引入亞表面損傷，同時也可用于光學元件的亞表面損傷層和表面損傷的去除。本發明特別適用于被加工零件表面高頻誤差和亞表面損傷要求嚴格的光學玻璃、微晶玻璃、半導體材料及單晶材料的超精密拋光。【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明中底座和噴口參數及分布狀況示意圖；
[0016]圖2為本發明各個噴口工作時序流程框圖。
【具體實施方式】
[0017]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0018]本發明一種多束交替水射流拋光盤及多束交替水射流拋光方法，是將多束交替水射流拋光盤包括各個噴口在底座上的位置分布、噴口直徑和底座直徑的幾何關系、各個噴口組按順序且在不同的時間段開啟；通過控制噴口組的開啟時間，使得各個噴口水射流穩定、獨立，做到被加工表面的均勻去除。
[0019]根據單個噴口水射流時對被加工表面的去除情況，確定每個噴口在底座上位置的布局，多個噴口同時啟動對加工零件表面進行磨料水射流加工，從而提高水射流拋光效率。
[0020]通過仿真分析得出:當兩個噴口之間的距離為單個噴口直徑的4倍關系時，兩個噴口水射流時之間的強相互作用降為最低，從而使得被加工表面在均勻去除的同時減少表面的高頻誤差和表面破壞層；
[0021]圖1示出為實現本發明的一個具體多束交替射流拋光盤，該拋光盤包括:多組噴口和底座5,在底座5的軸心處設有一噴口，以該一噴口的軸心設置不同半徑的第一同心圓和第二同心圓，并在第一同心圓和第二同心圓的圓周上布設通透于底座5的多組噴口，每個噴口與底座5的射流供料系統相連，供料系統為各噴口提供拋光磨料，使得交替水射流拋光零件表面時保證沖擊區域內零件表面均勻的去除；每組噴口按照設定的不同時間段對待加工工件表面進行加工，使得各個噴口水射流穩定獨立，零件表面的去除函數穩定，去除量可控，去除分布均勻；再加工過程中產生的亞表面損傷層小，用于提高射流拋光的加工效率。
[0022]所述多組噴口包括第一組噴口、第二組噴口、第三組噴口、第四組噴口。所述第一組噴口由多個第一噴口 I組成；所述第二組噴口由多個第二噴口 2組成；所述第三組噴口由多個第三噴口 3組成；所述第四噴口組為一個第四噴口 4且設置于底座5的軸心位置處。
[0023]所述每個噴口的直徑為D，D的單位為mm。所述底座5的直徑為10D。所述第一同心圓的半徑為4D。所述第二同心圓的半徑是第四噴口 4與第二噴口 2或第三噴口 3之間的
距離，所述第二同心圓的半徑為。
[0024]所述多個第一噴口 I等距離地設置在底座5的第一同心圓的圓周上。所述多個第二噴口 2與所述多個第三噴口 3等距離、相間隔地設置在底座5的第二同心圓的圓周上。
[0025]由每兩個第一噴口 I分別與第四噴口 4組成多個第一等邊三角結構，由每個第二噴口 2、每個第三噴口 3和第四噴口 4組成多個第二等邊三角結構，且每個第二噴口 2、每個第三噴口 3相間隔地位于第一等邊三角結構的中心位置處。
[0026]圖2是利用圖1多束交替射流拋光盤實現各個噴口工作時序流程框圖步驟如下:
[0027]步驟S1:首先確定單個噴口水射流時的去除量。使用多束交替水射流拋光盤的一個噴口對加工零件相應的材料進行定點水射流拋光，拋光一段時間后測量待加工零件材料的去除量，得出單位時間單個噴口的水射流拋光時的去除率(X nm/秒)，其中X為去除量，單位為nm。
[0028]步驟S2:設定兩個噴口水射流時噴口之間的最佳距離；仿真分析兩個相距一距離的噴口對零件表面進行定點拋光，使當兩個噴口水射流時之間的強相互作用最低時確定為兩個噴口的最佳距離；得出多噴口水射流的去除量；在底座5上布置多個噴口，對去除量較低的位置添加噴口，用于保證零件拋光表面的均勻去除，同時也減少零件拋光表面的高頻誤差和亞表面損傷層；
[0029]將底座5上的多個噴口進行分組，第四噴口 4位于底座5的中心，由于兩個噴口水射流拋光時最佳作用范圍為4D，當兩個噴口的距離小于4D的時候，由于流場的相互作用，兩噴口連線中部區域的流場不穩定，從每個噴口得出的去除函數不穩定。因而六個第一噴口 I位于以第四噴口 4的中心距離為4D的第一同心圓的圓周上，呈等距離均勻分布，其目的是避免各個噴口流場的強相互作用。每兩個相鄰的六個第一噴口 I和第四噴口4所組成的等邊三角形中心位置設置直徑為D的六個噴口，由于這六個噴口兩兩相距太近，因而將這六個噴口分為兩組，相間隔的噴口為一組，得出第二組噴口、第三組噴口，這六個噴口等距離地均勻分布于第二同心圓的圓周上。
[0030]步驟S3:以一噴口的軸心為中心設置不同半徑的第一同心圓和第二同心圓，并在第一同心圓和第二同心圓的圓周上布設通透于底座的多組噴口，根據所設定的各個噴口在底盤上的位置，對每個噴口的開啟時間進行計算，在不同時間段使不同位置的噴口進行工作，用以交替水射流的方式對零件表面進行拋光，同時對整個底座上的噴口旋轉，從而保持零件拋光表面的均勻去除。
[0031]計算每一組噴口的開啟時間。如圖2所示，將第四噴口 4與六個噴口 I組成第一時間組；將六個第一噴口 I組成第二時間組；將三個第二噴口 2組成第三時間組；將三個第三噴口 3組成第四時間組。
[0032]第四噴口 4的加工區域面積為4 31 D2，六個第一噴口 I在旋轉噴射的時候掃過的范圍為寬度為4D的環帶，面積為32 Ji D2，每一個噴口 I掃過的面積為32 Ji D2/6，第二噴口 2和第三噴口 3掃過的面積為18 Ji D2每一個噴口 2或噴口 3掃過的面積為18jiD2/6。每個第一噴口 I掃過的面積與第四噴口 4的掃過的面積比為4: 3，三個第二噴口 2或三個第三噴口 3中的每個噴口與第四噴口 4的掃過的面積比為3:4，。由于各組噴口的加工面積不同，為實現均勻去除的目的，加工面積相對大的噴口組開啟時間相對較長，開啟時間與噴口組面積成正比，因此六個第一噴口 I和三個第二噴口 2或三個第三噴口 3與第四噴口 4的開啟時間比為16: 9: 12，即令第四噴口 4開啟時間為X，那么六個第一噴口 I的每個噴口開啟時間為4/3X，三個第二噴口 2或三個第三噴口 3的每個噴口與開啟時間為3/4XX。
[0033]由于第四噴口 4和六個第一噴口 I的間距為4D，幾個噴口可以同時開啟；而三個第二噴口 2和三個第三噴口 3由于相距太近，不能同時開啟，也不能與第四噴口 4和六個第一噴口 I同時開啟，在上述的第一時間組中，第四噴口 4和六個第一噴口 I開啟，時間為12秒；在上述的第二時間組中，六個第一噴口 I開啟，時間為4秒；在上述的第三時間中，三個第二噴口 2開啟，時間為9秒；在上述的第四時間組，三個第三噴口 3開啟，時間為9秒。
[0034]按時間分組和各分組的開啟時間有序開啟各個噴口，保證每一個時刻都有多個噴口開啟，且開啟的噴口沒有強相互作用，用單個噴口的去除量代替每個噴口的去除量(Xnm)。通過交替水射流模式拋光盤，使整個被加工零件表面均勻的去除，同時拋光效率得以提聞。
[0035]圖2示出各個噴口工作時序流程框圖，步驟如下:
[0036]步驟S31:多束交替射流拋光盤的系統開始工作；在第一工作時間組中噴口數量為7，啟動六個第一噴口 I和一個第四噴口 4對被加工零件表面做拋磨，拋磨的第一工作時長為12秒時，則關閉第四組噴口即第四噴口 4，第一工作時間組的拋磨去除量為7X12(xnm)；
[0037]步驟S32:在第二工作時間組中噴口數量為6，六個第一噴口 I繼續對被加工零件表面做拋磨，拋磨的第二工作時長為4秒時，第二工作時間組的拋磨去除量為6X4(x nm)；
[0038]步驟S33:在第三工作時間組中噴口數量為3，啟動三個第二噴口 2繼續對被加工零件表面做拋磨，拋磨的第三工作時長為9秒時，關閉三個第二噴口 2，第三工作時間組拋磨去除量為3X9(x nm)；
[0039]步驟S34:在第四工作時間組中噴口數量為3，啟動三個第三噴口 3繼續對被加工零件表面做拋磨，拋磨的第四工作時間長為9秒時，關閉三個第三噴口 3，第四工作時間組拋磨去除量為3X9 (X nm)；
[0040]步驟S35:對累加各工作時長的總拋磨去除量進行計算，如果拋磨去除量沒有滿足設計要求，則重復步驟S31 — S34 ;如果拋磨去除量滿足設計要求，則關閉拋光系統。
[0041]根據不同時間段開啟的噴口數量，可以算出在相同的工作時間里，使用一個噴口水射流拋光時被加工零件的去除量為34XX(nm)，即假設單個噴口在I秒工作時間對零件表面的去除量為Xnm，那么在工作34秒(即:12+4+9+9)后零件表面的去除量則為34XXnm，而使用交替水射流拋光時被加工零件的去除量為162XX(nm)(即:多噴口工作34秒(12+4+9+9)后，零件表面的去除量則為(7X12+6X4+3X9+3X9) XXnm)，因而交替水射流的去除效率是單噴口水射流的162/34 = 4.76倍，由此可見拋光效率得到大大提高。
[0042]用多束交替射流的方式，提高了射流單位時間的去除效率；同時交替水射流的方式避免了噴口之間的強相互作用，使被加工零件表面去除量穩定可控；噴口的合理分布和噴口開啟時間的控制，以及整個裝置的旋轉，使得在整個加工區域去除比較均勻。本發明適用于對光學元件表面的高頻誤差以及破壞層和亞表面損傷層進行較快速去除，同時較好地保持元件面形。
[0043]以上所述，僅為本發明中的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術范圍內，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在本發明的包含范圍之內。
【權利要求】
1.一種多束交替水射流拋光盤，其特征在于:該拋光盤包括:多組噴口和底座，在底座的軸心處設有一噴口，以該一噴口的軸心設置不同半徑的第一同心圓和第二同心圓，并在第一同心圓和第二同心圓的圓周上布設通透于底座的多組噴口，每個噴口與底座的射流供料系統相連，供料系統為各噴口提供拋光磨料，使得交替水射流拋光零件表面時保證沖擊區域內零件表面均勻的去除；每組噴口按照設定的不同時間段對待加工工件表面進行加工，使得各個噴口水射流穩定獨立，零件表面的去除函數穩定，去除量可控，去除分布均勻。
2.如權利要求1所述的多束交替水射流拋光盤，其特征在于:所述多組噴口包括第一組噴口、第二組噴口、第三組噴口、第四組噴口；所述第一組噴口由多個第一噴口組成；所述第二組噴口由多個第二噴口組成；所述第三組噴口由多個第三噴口組成；所述第四噴口組僅為一個第四噴口且該噴口設置于底座的軸心位置處。
3.如權利要求1所述的多束交替水射流拋光盤，其特征在于:所述每個噴口的直徑為D ;所述底座的直徑為IOD ;所述第一同心圓的半徑為4D ;所述第二同心圓的半徑為(4D/√3。
4.如權利要求1所述的多束交替水射流拋光盤，其特征在于:所述多個第一噴口等距離地設置在底座的第一同心圓的圓周上；所述多個第二噴口與所述多個第三噴口等距離、相間隔地設置在底座的第二同心圓的圓周上。
5.如權利要求1所述的多束交替水射流拋光盤，其特征在于:每兩個第一噴口分別與第四噴口組成多個等邊三角結構，在等邊三角結構的中心位置處設置第二噴口和第三噴口，且第二噴口、第三噴口相間隔。
6.一種使用權利要求1所述的多束交替水射流拋光盤的拋光方法，其特征在于:該拋光方法的步驟包括: 步驟S1:多束交替水射流拋光拋光盤系統開始工作，使多束交替水射流拋光盤的一個噴口對零件表面進行定點拋光，確定一個噴口對所拋光零件表面的去除量； 步驟S2:設定兩個噴口水射流時噴口之間的最佳距離；仿真分析兩個相距一距離的噴口對零件表面進行定點拋光，使當兩個噴口水射流時之間的強相互作用最低時確定為兩個噴口的最佳距離，得出多噴口水射流的去除量；在底座上布置多個噴口，對去除量較低的位置添加噴口，用于保證零件拋光表面的均勻去除，同時也減少零件拋光表面的高頻誤差和亞表面損傷層； 步驟S3:以一噴口的軸心為中心設置不同半徑的第一同心圓和第二同心圓，并在第一同心圓和第二同心圓的圓周上布設通透于底座的多組噴口，根據所設定的各個噴口在底盤上的位置，對每個噴口的開啟時間進行計算，在不同時間段使不同位置的噴口工作，用以交替水射流的方式對零件表面進行拋光，同時對整個底座上的噴口旋轉，從而保持零件拋光表面的均勻去除。
7.如權利要求6所述多束交替水射流拋光盤的拋光方法，其特征在于:所述不同時間段使不同位置的噴口工作的步驟包括: 步驟S31:多束交替水射流拋光拋光盤的系統啟動第一組噴口和第四組噴口對被加工零件表面做拋磨，拋磨的第一工作時長為12秒時，則關閉第四組噴口，獲得第一工作時間組的拋磨去除量；步驟S32:第一組噴口繼續對被加工零件表面做拋磨，拋磨的第二工作時長為4秒時，關閉第一組噴口，獲得第二工作時間組的拋磨去除量； 步驟S33:啟動第二組噴口繼續對被加工零件表面做拋磨，拋磨的第三工作時長為9秒時，關閉第二組噴口，獲得第三工作時間組拋磨去除量； 步驟S34:啟動第三組噴口繼續對被加工零件表面做拋磨，拋磨的第四工作時間長為9秒時，關閉第三組噴口，獲得第四工作時間組拋磨去除量； 步驟S35:對累加各組工作時長的總拋磨去除量進行累加計算，如果拋磨去除量沒有滿足設計要求，則重復步驟S31 — S34 ;如果拋磨去除量滿足設計要求，則關閉拋光系統。
8.如權利要求6所述的多束交替水射流拋光盤的拋光方法，其特征在于:所述每個噴口的直徑為D ;所述底座的直徑為IOD ;所述第一同心圓的半徑為4D ;所述第二同心圓的半徑是(4D/V￥j。
9.如權利要求6所述的多束交替水射流拋光盤的拋光方法，其特征在于:所述多組噴口包括第一組噴口、第二組噴口、第三組噴口、第四組噴口 ；所述第一組噴口由多個第一噴口組成；所述第二組噴口由多個第二噴口組成；所述第三組噴口由多個第三噴口組成；所述第四噴口組僅為一個噴口且設置于底座的軸心位置處；所述多個第一噴口等距離地設置在底座的第一同心圓的圓周上；所述多個第二噴口與所述多個第三噴口等距離、相間隔地設置在底座的第二同心圓的圓周上。
10.如權利要求9所述的多束交替水射流拋光盤的拋光方法，其特征在于:由每兩個第一噴口分別與第四噴 口組成多個第一等邊三角結構，由每個第二噴口、每個第三噴口和第四噴口組成多個第二等邊三角結構，且每個第二噴口、每個第三噴口相間隔地位于第一等邊三角結構的中心位置處。
【文檔編號】B24C1/08GK103934757SQ201410182989
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年5月4日 優先權日:2014年5月4日
【發明者】徐清蘭, 萬勇建, 張蓉竹, 李秀龍, 施春燕, 張楊, 羅銀川 申請人:中國科學院光電技術研究所