一種用于彈性發射加工的工具輪的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光學元件加工后期的超光滑技術領域，具體涉及一種用于彈性發射加工的工具輪。
【背景技術】
[0002]隨著科學技術的不斷進步，光學向尺度的極端化發展，具有超光滑表面性質的光學元件被廣泛應用于高精密產品和現代化的國防等重要領域，使得超光滑表面加工技術成為當今世界的研究熱點。例如，極紫外光刻利用波長為13.5nm的極紫外光作為工作波長實現掩模圖案的曝光復制，被半導體行業認為是用于極大規模集成電路制造的最具潛力的下開一代光刻技術。根據散射理論，由于超短的工作波長，光學元件極小的表面粗糙度都會引起光能的散射，從而降低成像對比度和系統產能。目前，典型的超光滑技術主要有機械研磨拋光、計算機控制小磨頭拋光、浴法拋光、化學機械拋光、磁流變拋光、液體噴射拋光、離子束拋光、彈性發射加工等。其中，彈性發射加工(Elastic Emiss1n Machining，EEM)技術依靠高速旋轉的工具輪帶動拋光液中的納米級磨粒使之獲得動能，并與光學元件表面接觸，磨粒與元件表面原子發生相互吸附，并在流動的拋光液的帶動下使得元件表面發生原子量級的去除，因此其材料去除穩定、無亞表面損傷等優點，且在高陡度非球面以及自由曲面加工有顯著優勢。
[0003]日本大阪大學的Mori在1976年首次提出了彈性發射加工技術，并于1987年從電子衍射和X射線的角度，驗證EEM很容易獲得幾何和結晶均十分“完美”的表面，次年對不同磨粒與光學元件材料組合的材料去除率進行了研究，對EEM的工作機理完成了進一步確認，2006年，Kubota等人對EHM中所采用的磨粒形態與材料去除率間的關系進行了研究，指出磨粒形態越不規則，相對表面積越大，則材料去除率越高，并于2007年利用EEM對低熱膨脹光學微晶玻璃進行加工，使得Ra達到0.085nm。
[0004]傳統的EEM技術采用彈性球作為拋光工具，單點作用區域極其有限，存在嚴重的磨粒流側漏，從而降低加工效率。為此，大連理工大學的余興芹提出用圓柱形彈性磨輪替代傳統的球形輪，較好地解決了磨粒流的側漏現象，增加了磨粒流與光學元件的作用面積，從而提高加工速率。但不論是采用球形還是圓柱形工具輪，其接觸面的半徑均只存在單一的曲率半徑，在加工過程中仍然存在一定的局限性。
【發明內容】
[0005]本發明要提高EEM中工具輪的加工適用性，提供一種用于彈性發射加工的工具輪。
[0006]為了解決上述技術問題，本發明的技術方案具體如下:
[0007]—種用于彈性發射加工的工具輪，該工具輪的形狀為橢球，其赤道半徑分別為a和b ；極半徑c與赤道半徑b相等;且a>b，a/b不大于5 ；電機的轉軸與工具輪的赤道半徑a相互重入口 ο
[0008]在上述技術方案中，該工具輪的材料為彈性材料。
[0009]在上述技術方案中，該工具輪的材料為聚氨酯。
[0010]本發明具有以下的有益效果:
[0011]本發明的用于彈性發射加工的工具輪，它利用橢球具有連續可變的曲率半徑，從而增大與光學元件表面的有效作用面積，尤其是凹面光學元件，從而提高加工效率。
[0012]本發明的用于彈性發射加工的工具輪，在彈性發射加工中，它與光學元件表面間的作用是連續變化的，從而使得整個光學元件內的拋光不會因為工具輪的定位誤差存在奇點，從而提高整個光學元件的加工質量。
[0013]本發明的用于彈性發射加工的工具輪在光學元件內移動時，由于它與光學元件間的相互作用是連續漸變的，因此可以通過施加連續變化的外力有效控制工具輪與光學元件表面的間隔，防止光學元件表面劃傷。
[0014]本發明的用于彈性發射加工的工具輪，一方面，可在不明顯改變彈性加工輪質量的情況下，橢球形彈性加工輪可以獲得更大、更加豐富的曲率半徑，從而增加有效工作面積，提高加工效率，并通過調整彈性橢球加工輪與元件的相對姿態，使單一彈性橢球工具輪能適應不同的元件加工;另一方面，工具輪與光學元件間的間隙地決定了拋光效率，橢球工具輪與光學元件間的間隙變化是連續的，因此，其單點加工區域內的拋光效率也是連續變化的，因此使得EEM在整個光學元件內的作用均勻性得到提高，從而提高整個光學元件的拋光質量;此外，橢球形工具輪與光學元件表面的相互作用力是連續漸變的，這有利于通過外部施力有效地控制工具輪與光學元件表面的間隙，防止表面劃傷，提高表面加工質量。
【附圖說明】
[0015]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細說明。
[0016]圖1為彈性發射加工(EEM)原理裝置示意圖。
[0017]圖2為彈性發射加工裝置中不同工具輪的比較示意圖。
[0018]圖中的附圖標記表示為:
[0019]11-數控主軸箱；12-電機;13-彈性工具輪;14-光學元件；15-光學元件臺；16-拋光液;16-十字簧;17-載荷臺；
[0020]20-待加工光學元件面形；21-球形工具輪；22-圓柱形工具輪；橢球形工具輪23 ;200-局部放大的作用區域;211、221、231_作用區域；
【具體實施方式】
[0021]本發明的發明思想為:
[0022]為了提高EEM中工具輪的加工適用性，本發明提出一種用于彈性發射加工的工具輪。該工具輪為一彈性旋轉橢球，一方面，在不明顯改變彈性加工輪質量的情況下，橢球形彈性加工輪可以獲得更大、更加豐富的曲率半徑，從而增加有效工作面積，提高加工效率，并通過調整彈性橢球加工輪與元件的相對姿態，使單一彈性橢球工具輪能適應不同的元件加工;另一方面，工具輪與光學元件間的間隙地決定了拋光效率，橢球工具輪與光學元件間的間隙變化是連續的，因此，其單點加工區域內的拋光效率也是連續變化的，因此使得EEM在整個光學元件內的作用均勻性得到提高，從而提高整個光學元件的拋光質量;此外，橢球形工具輪與光學元件表面的相互作用力是連續漸變的，這有利于通過外部施力有效地控制工具輪與光學元件表面的間隙，防止表面劃傷，提高表面加工質量。
[0023]圖2為彈性發射加工裝置中不同工具輪間的單點有效加工區域比較。其中待加工光學元件面形20上的局部放大的作用區域200的放大圖呈現于圖2下方區域。根據不同幾何體的性質得到不同工具輪作用下的不同作用區域，作用區域211對應于球形工具輪21，作用區域221對應于柱形工具輪22，作用區域231對應于橢球形工具輪23。可見，橢球形工作輪23在單點具備最大的加工區域，可以很好地提高加工效率。此外，橢球形工具輪23與光學元件表面20的相互作用在工具輪進行移動時是連續漸變的，這有助于連續調整載荷臺17上的力，很好地保持工具輪與光學元件表面之間的間隙，從而避免光學元件表面劃傷。
[0024]下面結合附圖對本發明做以詳細說明。
[0025]如圖1所示為彈性發射加工的原理裝置示意圖，它主要由數控主軸箱11，電機12和采用聚氨酯做成的彈性工具輪13構成。彈性工具輪13在數控主軸箱的控制下找到光學元件14上待加工區域，并在電機12的帶動下產生旋轉，并帶動拋光液16，使拋光液具備一定的動能。拋光液16由溶劑和磨粒組成，當運動的磨粒與光學元件14表面接觸時，會因為表面結合能的釋放在兩者之間形成一種結合力，并在拋光液16的帶動下脫離光學元件表面，從而實現原子級別的去除量。當向載荷臺17添加一微小的力時，可以使十字簧16發生輕微形變，從而較為準確地控制工具輪13與光學元件14間的間隔，避免劃傷光學元件。光學元件臺15主要起著固定光學元件14的作用。
[0026]彈性工具輪13的剖面為一橢圓，其長軸和短軸分別為a和b(橢球的赤道半徑分別為a和b)，且a>b，則電機12的轉軸應與長軸相互重合，即彈性橢球形工具輪是該橢圓繞長軸，亦為電機12的轉軸所形成的旋轉橢球(橢球極半徑c與赤道半徑b相等)。
[0027]根據二次曲線相關知識，橢球的曲率半徑r分布于:
[0028]b2/a<r<a2/b
[0029]則r的分布廣度正比于(a/b)3，r的分布越廣，則該橢球形彈性工具輪對不同曲率半徑的元件加工適用也就越廣，一般情況下，當a/b達到5時，已基本可覆蓋常用的光學元件曲率半徑。當對不同彎曲程度的元件分別進行加工時，保持電機12姿態，亦為橢球形彈性工具輪的姿態不變時，通過改變光學元件臺15的姿態，使橢球形彈性工具輪不同部位與不同彎曲程度的元件相接觸，從而保持較高的加工效率。
[0030]顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明創造的保護范圍之中。
【主權項】
1.一種用于彈性發射加工的工具輪，其特征在于，該工具輪的形狀為橢球，其赤道半徑分別為a和b;極半徑c與赤道半徑b相等;且a>b，a/b不大于5;電機的轉軸與工具輪的赤道半徑a相互重合。2.根據權利要求1所述的用于彈性發射加工的工具輪，其特征在于，該工具輪的材料為彈性材料。3.根據權利要求2所述的用于彈性發射加工的工具輪，其特征在于，該工具輪的材料為聚氨酯。
【專利摘要】本發明涉及一種用于彈性發射加工的工具輪，屬于光學加工領域。通過在彈性發射加工裝置中引入具有連續變化曲率半徑的橢球形工具輪，可以增大工具輪與光學元件表面的相互作用區域，從而提高加工效率，尤其是凹面光學元件；此外，由于工作輪與光學元件表面的相互作用是連續漸變的，一方面可以避免因工具輪定位誤差引起的加工奇點，提高整個光學元件表面加工質量，另一方面使得相鄰作用區域間，兩者的相互作用也是連續的，從而可以通過施加連續可控的外力，有效控制工具輪與光學元件表面間隙，避免劃傷。
【IPC分類】B24B13/02, B24B55/00
【公開號】CN105563271
【申請號】CN201510956315
【發明人】王君, 金春水, 王麗萍, 謝耀
【申請人】中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2015年12月21日