本發(fā)明涉及先進光學(xué)制造技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種流體動壓拋光方法及裝置。

背景技術(shù)：

精密光學(xué)元件利于獲得高品質(zhì)光學(xué)特性和高質(zhì)量圖像效果，在航空、航天、國防以及高科技民用領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛?，F(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)對光學(xué)元件提出了更高的要求，如超高精度、無缺陷、無應(yīng)力、超光滑等，這些要求對制造提出了更多的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)光學(xué)制造技術(shù)已經(jīng)遠遠不能適應(yīng)精密光學(xué)元件的廣泛需求，光學(xué)制造已開始向現(xiàn)代先進光學(xué)制造方向轉(zhuǎn)變。

針對精密光學(xué)元件的制造需求以及傳統(tǒng)光學(xué)制造技術(shù)的弊端，國內(nèi)外重點發(fā)展基于計算機控制光學(xué)表面成形(ccos,computercontrolledopticalsurfacing)原理的各種特種加工技術(shù)，包括磁流變拋光技術(shù)(magnetorheologicalfinishing，mrf)、離子束拋光技術(shù)(ionbeamfiguring，ibf)、射流拋光技術(shù)(fluidjetpolishing,fjp)等。這些特種加工技術(shù)的共同特點如下：研磨拋光工具的“柔度”可以通過計算機的控制而改變，從而強化了工件曲率變化的適應(yīng)能力，達到了保持去除函數(shù)的長期穩(wěn)定性的目標，甚至可以方便地改變工具的“柔度”以適應(yīng)不同需求的研拋過程，這一過程也可稱為柔性拋光過程。

柔性拋光的基本機理包括使用新型拋光工具以及智能材料柔性拋光頭。接觸柔性拋光(如2000年英國倫敦大學(xué)學(xué)院提出的氣囊拋光、20世紀90年代初美國羅徹斯特大學(xué)研究的磁流變拋光)未消除邊緣效應(yīng)；且由于拋光頭尺寸的限制很難加工凹形高陡度非球面。針對柔性接觸拋光的局限性，1998年荷蘭delft理工大學(xué)提出射流拋光方法，依靠動能磨粒流沖擊工件表面實現(xiàn)材料的塑性去除，屬于非接觸柔性拋光。射流拋光無邊緣效應(yīng)；且射流束截面面積小，可加工高陡度深凹非球面。

針對極紫外光刻系統(tǒng)(extremeultravioletlithography,euvl)中使用的元件加工精度要求，依靠磨粒的機械去除作用很難實現(xiàn)其加工精度，需通過其他加工原理的非接觸超精密拋光進行表面修正。如采用連續(xù)的粒子流沖擊工件表面產(chǎn)生原子級結(jié)合(如1987年日本大阪大學(xué)提出的彈性發(fā)射加工)或離子濺射(如1988年美國新墨西哥大學(xué)完善的離子束加工)，以及采用化學(xué)方式(如1993年日本大阪大學(xué)提出的等離子體化學(xué)蒸發(fā)加工)實現(xiàn)工件表面材料的原子級去除。

不難看出，隨著光學(xué)元件應(yīng)用范圍的拓展(如低能粒子束聚焦)以及應(yīng)用精度的提高(如下一代光刻技術(shù))，非球面元件表面質(zhì)量要求趨向于原子級，要求表面完整，無亞表面損傷與晶格缺陷。

使用無接觸加工方式來實現(xiàn)原子級的高效無損傷材料去除成為當前特種加工技術(shù)的一個發(fā)展方向。但是，現(xiàn)有的無接觸式加工方法中，大多存在去除函數(shù)穩(wěn)定性差、拋光工具與工件之間間隙難以控制的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種流體動壓拋光方法及裝置，以改善上述問題。

本發(fā)明較佳實施例提供一種流體動壓拋光方法，應(yīng)用于包括氣囊拋光工具、精密測力臺、精密位移臺以及拋光液供給系統(tǒng)的流體動壓拋光裝置，其中，所述精密測力臺位于所述精密位移臺之上，待拋光工件位于所述精密測力臺之上，所述方法包括：通過所述精密測力臺與精密位移臺使所述氣囊拋光工具與待拋光工件之間達到臨界接觸狀態(tài)；拋光時，由所述拋光液供給系統(tǒng)向所述氣囊拋光工具與待拋光工件之間供給拋光液，并控制所述氣囊拋光工具轉(zhuǎn)動以帶動所述拋光液在所述待拋光工件與該氣囊拋光工具之間產(chǎn)生流體動壓。

可選地，通過所述精密測力臺與精密位移臺使所述氣囊拋光工具與待拋光工件之間達到臨界接觸狀態(tài)的步驟包括：利用所述精密測力臺測量所述氣囊拋光工具在轉(zhuǎn)動靠近所述待拋光工件的過程中，對所述待拋光工件的作用力是否達到預(yù)設(shè)壓力范圍；若對所述待拋光工件的作用力達到了所述預(yù)設(shè)壓力范圍，控制所述氣囊拋光工具停止轉(zhuǎn)動靠近，并調(diào)節(jié)所述精密位移臺使所述待拋光工件逐漸遠離所述氣囊拋光工具直至所述精密測力臺測量的壓力值首次為零。

可選地，所述氣囊拋光工具包括球形橡膠氣囊以及貼附于所述球形橡膠氣囊上的拋光墊；在通過所述精密測力臺與精密位移臺使所述氣囊拋光工具與待拋光工件之間達到臨界接觸狀態(tài)的步驟之前，該方法還包括：

對所述氣囊拋光工具進行修整以矯正存在的誤差因素，其中，所述誤差因素包括所述球形橡膠氣囊的制造誤差、所述拋光墊的厚度誤差以及所述橡膠氣囊與拋光墊的粘貼誤差。

本發(fā)明另一較佳實施例提供一種流體動壓拋光裝置，該裝置包括氣囊拋光工具、精密測力臺、精密位移臺以及拋光液供給系統(tǒng)，其中，所述精密測力臺位于所述精密位移臺之上，待拋光工件位于所述精密測力臺之上；所述精密測力臺與精密位移臺用于互相配合以使所述氣囊拋光工具與待拋光工件之間達到臨界接觸狀態(tài)；所述拋光液供給系統(tǒng)用于在拋光時向所述氣囊拋光工具與待拋光工件之間供給拋光液；所述氣囊拋光工具用于在拋光時被控制轉(zhuǎn)動以帶動所述拋光液在所述待拋光工件與該氣囊拋光工具之間產(chǎn)生流體動壓。

可選地，所述精密測力臺與精密位移臺互相配合以使所述氣囊拋光工具與待拋光工件之間達到臨界接觸狀態(tài)的方式包括：所述精密測力臺測量所述氣囊拋光工具在轉(zhuǎn)動靠近所述待拋光工件的過程中，對所述待拋光工件的作用力是否達到預(yù)設(shè)壓力范圍；若對所述待拋光工件的作用力達到了所述預(yù)設(shè)壓力范圍，控制所述氣囊拋光工具停止轉(zhuǎn)動靠近，并調(diào)節(jié)所述精密位移臺使所述待拋光工件逐漸遠離所述氣囊拋光工具直至所述精密測力臺測量的壓力值首次為零。

本發(fā)明實施例提供的流體動壓拋光方法及裝置，通過精密測力臺與精密位移臺的配合操作保證了氣囊拋光工具與待拋光工件之間間隙控制的準確性和重復(fù)性，保障了去除函數(shù)的穩(wěn)定性，達到去除函數(shù)形態(tài)優(yōu)化的目的。另外，本實施例中的拋光液供給系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)拋光液濃度、拋光液供給量的實時控制，確保了拋光液工作條件的準確控制。本發(fā)明實施例提供的方法及裝置，可實現(xiàn)控制工藝參數(shù)(如間隙、轉(zhuǎn)速、拋光顆粒大小)以改變材料去除量，滿足待拋光工件不同工藝目的下的效率需求。此外，上述方法及裝置還具備工藝調(diào)整冗余大的優(yōu)點，能夠滿足科研實驗需要，同時也適用于實際工程中精密光學(xué)元件高精度、超光滑加工的需要。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)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(yīng)當理解，以下附圖僅示出了本發(fā)明的某些實施例，因此不應(yīng)被看作是對范圍的限定，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他相關(guān)的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種流體動壓拋光裝置的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的一種應(yīng)用于圖1所示裝置的流體動壓拋光方法的流程圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的圖1所示流體動壓拋光裝置中氣囊拋光工具在拋光時的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例提供的一種氣囊拋光工具與待拋光工件臨界接觸狀態(tài)示意圖；

圖5a為本發(fā)明實施例提供的一實驗示例中所得到的去除函數(shù)的輪廓檢測圖；

圖5b為本發(fā)明實施例提供的所述實驗示例中所得到的去除函數(shù)的三維檢測圖；

圖6為圖5b所示去除函數(shù)x、y方向的輪廓圖。

圖標：100-流體動壓拋光裝置；110-氣囊拋光工具；120-精密測力臺；130-精密位移臺；140-拋光液供給系統(tǒng)；200-待拋光工件；300-環(huán)形帶狀區(qū)域；400-進動角。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發(fā)明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設(shè)計。應(yīng)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(fā)明實施例提供的一種流體動壓拋光裝置100的立體結(jié)構(gòu)示意圖。該流體動壓拋光裝置100包括氣囊拋光工具110、精密測力臺120、精密位移臺130以及拋光液供給系統(tǒng)140。待拋光工件200放置在所述精密測力臺120之上，以通過該精密測力臺120測量所述待拋光工件200受到的外力作用的大小。所述精密位移臺130位于精密測力臺120之上，以與所述精密測力臺120配合控制所述氣囊拋光工具110與待拋光工件200之間間隙的距離。所述拋光液供給系統(tǒng)140在拋光時向氣囊拋光工具110和待拋光工件200之間的間隙供給拋光液。氣囊拋光工具110高速旋轉(zhuǎn)帶動拋光液在待拋光工件200與氣囊拋光工具110之間產(chǎn)生流體動壓，進而實現(xiàn)拋光液中的拋光顆粒以一定的速度和壓力對待拋光工件200的表面進行拋光去除。

本實施例中，所述氣囊拋光工具110包括氣囊和粘貼于氣囊上的拋光墊。所述氣囊拋光工具可以安裝于驅(qū)動裝置上以被驅(qū)動進行旋轉(zhuǎn)。所述驅(qū)動裝置可以是，但不限于，數(shù)控機床。所述氣囊可以是但不限于為球形，其材質(zhì)優(yōu)選采用內(nèi)部帶鋼網(wǎng)層的橡膠。拋光墊一般情況下采用聚氨酯材料制成。因為聚氨酯材料不僅是性能優(yōu)異的拋光輔材，而且便于成型為球形，以便于粘貼在球形橡膠氣囊上?？蛇x的，在一個實施方式中，所述氣囊拋光工具110由半徑80毫米、厚度5毫米的球形橡膠氣囊和厚度為3毫米、聚氨酯材料的拋光墊構(gòu)成。所述拋光墊經(jīng)專用成型模具制成球冠狀后再粘貼于氣囊上。

所述精密測力臺120的檢測分辨率優(yōu)選為小于或等于1牛頓。

所述精密位移臺130的位移分辨率優(yōu)選為小于或等于0.5微米，行程為10mm左右。

所述拋光液供給系統(tǒng)140可以實現(xiàn)拋光液濃度和拋光液供給量的實時控制，并且能夠回收、過濾所述拋光液以循環(huán)供給。在一個實施方式中，所述拋光液供給系統(tǒng)140的拋光液流量大于等于10升/分鐘，拋光液兩級過濾，過濾的精度達到3微米。

另外，作為一種實施方式，所述待拋光工件200、精密測力臺120和精密位移臺130可以選用磁力擋塊進行裝夾。

請參閱圖2，是本發(fā)明實施例提供的一種應(yīng)用于圖1所示裝置的流體動壓拋光方法的流程圖。所應(yīng)說明的是，本發(fā)明實施例提供的方法不以圖2及以下所述的具體順序為限制。下面對圖2中所示的各步驟進行詳細闡述。

步驟s301，對所述氣囊拋光工具110進行修整以矯正存在的誤差因素。

本實施例中，考慮到氣囊的制造誤差(如輪廓誤差、厚度誤差等)、拋光墊的厚度誤差以及氣囊與拋光墊之間的粘貼誤差等因素會導(dǎo)致氣囊的形貌誤差和使用環(huán)帶的較大跳動，這對于需要精密的控制氣囊與待拋光工件200之間間隙的動壓拋光來說具有重大影響。因此，在拋光前，對氣囊拋光工具110進行精密修整以矯正上述誤差。

需要說明的是，所述使用環(huán)帶是指氣囊拋光工具110拋光工件時與工件接觸的環(huán)形帶狀區(qū)域300，具體可參見圖3。

步驟s303，控制所述氣囊傾斜預(yù)設(shè)角度以使所述氣囊拋光工具110的轉(zhuǎn)動軸線與待拋光工件200加工點的法線形成所述預(yù)設(shè)角度的進動角400。

如圖3所示，本實施例中，在拋光前通常控制氣囊拋光工具110傾斜一定角度，使得氣囊拋光工具110的旋轉(zhuǎn)軸線與待拋光工件200加工點法線形成進動腳，如此可以取得更好的拋光效果。所述進動腳一般設(shè)置在20°至25°之間，一般常用的是22.5°或23°。

步驟s305，通過所述精密測力臺120與精密位移臺130使所述氣囊拋光工具110與待拋光工件200之間達到臨界接觸狀態(tài)。

如圖4所示，是本發(fā)明實施例提供的一種氣囊拋光工具110與待拋光工件200臨界接觸狀態(tài)示意圖。

作為一種實施方式，所述達到所述臨界接觸狀態(tài)的實現(xiàn)過程可以是：首先，在不噴拋光液的情況下，所述氣囊拋光工具110旋轉(zhuǎn)著接近放置于精密測力臺120的待拋光工件200，使該精密測力臺120檢測到一定力，例如1牛頓至3.5牛頓之間；控制氣囊拋光工具110停止靠近，并調(diào)節(jié)放置于精密測力臺120下方的精密位移臺130，使待拋光工件200逐漸遠離氣囊，直至所述精密測力臺120剛好未檢測出力，或者說直至所述精密測力臺120測量的壓力值首次為零。此時氣囊拋光工具110與待拋光工件200即處于所述臨界接觸狀態(tài)。在實際加工或?qū)嶒灂r可以定義當前狀態(tài)下的氣囊拋光工具110與待拋光工件200之間的間隙為0微米，后續(xù)過程所需調(diào)控的氣囊拋光工具110與待拋光工件200的間隙距離可基于此位置調(diào)節(jié)精密位移臺130來獲得。也就是說，在整個拋光過程中，都可以通過精密測力臺120和精密位移臺130的配合來精準控制氣囊拋光工具110與待拋光工件200之間的間隙距離。

步驟s307，拋光時，由所述拋光液供給系統(tǒng)140向所述氣囊拋光工具110與待拋光工件200之間供給拋光液，并控制所述氣囊拋光工具110轉(zhuǎn)動以帶動所述拋光液在所述待拋光工件200與該氣囊拋光工具110之間產(chǎn)生流體動壓。

本實施例中，在拋光時，由所述拋光液供給系統(tǒng)140向所述氣囊拋光工具110與待拋光工件200之間供給拋光液。所述氣囊拋光工具110高速旋轉(zhuǎn)以帶動所述拋光液在所述待拋光工件200與該氣囊拋光工具110之間產(chǎn)生流體動壓，進而實現(xiàn)間隙中的拋光顆粒以一定速度和壓力對工件表面進行去除。

作為一種實施方式，拋光時，氣囊的轉(zhuǎn)速一般大于1000轉(zhuǎn)每分鐘。

作為一種實施方式，拋光時，所述拋光液供給系統(tǒng)140控制拋光液從噴出口注入到氣囊與待拋光工件200之間，而后回收從拋光墊周圍自然流出的拋光液?；厥蘸蟮膾伖庖航?jīng)過攪拌、過濾后循環(huán)利用。

作為一種實施方式，拋光時，可以通過所述精密測力臺120檢測獲取拋光過程中所述待拋光工件200被作用的正向力和反向力數(shù)據(jù)，以用于分析和優(yōu)化所述拋光過程，例如優(yōu)化硬件或拋光工藝。

下面是本實施例提供的一個實驗示例，以進一步說明本發(fā)明實施例所提供的流體動壓拋光方法及裝置的優(yōu)點。

通過本發(fā)明上述實施例所提供的裝置及方法對100毫米×100毫米×10毫米規(guī)格的熔石英元件進行了一組定點動壓拋光，以采集動壓去除函數(shù)。拋光實驗所用的參數(shù)為氣囊轉(zhuǎn)速2000轉(zhuǎn)/分鐘、氣囊內(nèi)部氣壓0.15兆帕、氧化鈰拋光液、氧化鈰顆粒粒度0.8微米、拋光液濃度1％、氣囊與工件間隙20微米、拋光液流量10升/分鐘，拋光時間20秒。

參閱圖5a，是本發(fā)明實施例提供的采用以上拋光參數(shù)進行拋光實驗時所采集到的去除函數(shù)輪廓檢測圖。參閱圖5b，是本發(fā)明實施例提供的采用以上拋光參數(shù)進行拋光實驗時所采集到的去除函數(shù)三維檢測圖。參閱圖6，是本發(fā)明實施例提供的圖5b所示的去除函數(shù)x、y方向的輪廓圖。由圖5a、5b和圖6可知，本發(fā)明的動壓去除函數(shù)呈理想的近高斯型形態(tài)，去除函數(shù)整體尺寸為ф7毫米，半高全寬尺寸為ф3.5毫米，峰值去除效率2.78納米/秒。

根據(jù)上述實驗示例可以看出，本發(fā)明實施例提供的流體動壓拋光裝置及方法，采用氣囊式無接觸流體動壓拋光方式對工件進行研拋，去除函數(shù)的形態(tài)近高斯，與現(xiàn)有技術(shù)相比，明顯優(yōu)化了去除函數(shù)形態(tài)，提升了去除函數(shù)的穩(wěn)定性。

最后，需要說明的一點是，本發(fā)明實施例提供的流體動壓拋光裝置可基于所使用機床的旋轉(zhuǎn)軸的連接方式和接口尺寸設(shè)置相應(yīng)的轉(zhuǎn)接部件。也就是說，可應(yīng)用在不同機床上進行氣囊動壓拋光加工。例如，將該裝置安裝于數(shù)控機床上可進行光學(xué)元件氣囊動壓全面均勻拋光或面形修正拋光。

綜上所述，本發(fā)明實施例提供的流體動壓拋光方法及裝置，能夠有效保障氣囊拋光工具110與待拋光工件200之間間隙控制的準確性和重復(fù)性，保障去除函數(shù)的穩(wěn)定性，優(yōu)化去除函數(shù)形態(tài)。而且，本實施例中的精密測力臺可以對拋光過程中工件所受到的正向力、切向力進行監(jiān)控，以便于分析整個加工過程狀態(tài)，進而反饋進行硬件或工藝優(yōu)化。此外，本實施例中的拋光液供給系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)拋光液濃度、拋光液供給量的實時控制，確保了拋光液工作條件的準確控制。特別的，本發(fā)明實施例提供的方法及裝置，可實現(xiàn)控制工藝參數(shù)(如間隙、轉(zhuǎn)速、拋光顆粒大小)以改變材料去除量，滿足待拋光工件不同工藝目的下的效率需求。上述方法及裝置還具備工藝調(diào)整冗余大的優(yōu)點，能夠滿足科研實驗需要，同時也適用于實際工程中精密光學(xué)元件高精度、超光滑加工的需要。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術(shù)語“上”、“下”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，或者是該發(fā)明產(chǎn)品使用時慣常擺放的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)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(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，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。

以上對在附圖中提供的本發(fā)明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護范圍為準。