一种光学玻璃表面成型方法。其是利用中心供液小磨头抛光工具在同一台机床先进行三次研磨，然后进行一次粗抛光，最后进行一次清抛光。本发明提供的光学玻璃表面成型方法具有如下有益效果：能够在保证光学玻璃表面加工精度的前提下极大地降低表面成形时间以及操作的复杂度，具有极大经济效益。另外，整个研磨、抛光过程只需更换相应的抛光盘及抛光液，无需更换机床及夹具等，减少了频繁更换工具的时间，同时降低了装卡及更换机床带来的误差。整个工艺流程操作简便，效率高。
1.一种光学玻璃表面成型方法，采用中心供液小磨头抛光工具作为研磨和抛光工具，所述的中心供液小磨头抛光工具包括软质抛光垫(1)、海棉夹层(2)、抛光盘(3)、连接杆(4)、软管(5)、柔性联轴器(6)和电主轴(7)；其中海棉夹层(2)安装在抛光盘(3)的下端面上；软质抛光垫(1)设置在海棉夹层(2)的外表面上；连接杆(4)的一端利用柔性联轴器(6)连接在抛光盘(3)的上端面中心部位，并且内部轴心处贯通形成有一个供液孔(8)，外端口为进液口，同时软质抛光垫(1)、海棉夹层(2)、抛光盘(3)的中心处均形成有一个与连接杆(4)上供液孔(8)相连通的中心孔；软管(5)贴附在供液孔(8)的内圆周面上；电主轴(7)套在连接杆(4)的外部圆周面上，内部设有电动机；
其特征在于：所述的光学玻璃表面成型方法包括按顺序进行的下列步骤：
步骤一：采用中心供液小磨头抛光工具作为研磨和抛光工具来加工光学玻璃工件(10)，其中软质抛光垫(1)采用固结磨料抛光垫；将连接杆(4)的外端口与提供冷却液的供液管相连接，冷却液采用去离子水；首先将光学玻璃工件(10)装卡在机床的工作台上，然后控制中心供液小磨头抛光工具以100r/min的速度进行自转，连接杆(4)外端口的冷却液压力为100Mpa，冷却液经软管(5)以及抛光盘(3)、海棉夹层(2)、固结磨料抛光垫上的中心孔提供给固结磨料抛光垫和光学玻璃工件(10)表面之间；同时控制工作台按照Z字形移动，使得中心供液小磨头抛光工具能够扫掠整个光学玻璃工件(10)的表面，在此过程中，固结磨料抛光垫与光学玻璃工件(10)表面间的流体动压力为15N，直至达到2μm的最大去除深度，由此完成第一次研磨过程；然后控制中心供液小磨头抛光工具以150r/min的速度进行自转，其余加工参数及加工方式不变，在此过程中，固结磨料抛光垫与光学玻璃工件(10)表面间的流体动压力为20N，直至达到1μm的最大去除深度，由此完成第二次研磨过程；之后将连接杆(4)外端口的冷却液压力调整为150Mpa，其余加工参数及加工方式不变，在此过程中，固结磨料抛光垫与光学玻璃工件(10)表面间的流体动压力为25N，直至达到0.5μm的最大去除深度，由此完成第三次研磨过程，此时光学玻璃工件(10)表面的PV值为8μm；
步骤二：将上述经过三次研磨后的光学玻璃工件(10)用去离子水清洗干净，然后将固结磨料抛光垫更换为聚氨酯抛光垫，冷却液更换为采用粒径2μm、浓度5％的氧化铈溶液的抛光液，之后控制中心供液小磨头抛光工具以800r/min的速度进行自转，抛光液的供给满足从聚氨酯抛光垫上的中心孔缓慢流出即可；控制中心供液小磨头抛光工具进行行星运动，工作台仍按照Z字形移动，由此对光学玻璃工件(10)表面进行粗抛光，处理一段时间后进行检测，若达不到所需的PV值，继续进行一段时间的粗抛光，再进行检测，直至达到0.5μm的PV值，由此完成对光学玻璃工件(10)表面的粗抛光过程；
步骤三：将上述粗抛光后的光学玻璃工件(10)用去离子水清洗干净，将聚氨酯抛光垫更换为带有螺旋槽的动压抛光盘，以加强流体动压力，同时将抛光液更换为粒径1μm、浓度
5％的氧化铈溶液，之后控制中心供液小磨头抛光工具以800r/min的速度进行自转，连接杆(4)外端口的抛光液压力为0.3Mpa，工作台仍按照Z字形移动，由此对光学玻璃工件(10)表面进行精抛光，处理一段时间后进行检测，若达不到所需的PV值，继续进行一段时间的精抛光，再进行检测，直至达到20nm的PV值，由此完成对光学玻璃工件(10)表面的精抛光过程。
2.根据权利要求1所述的光学玻璃表面成型方法，其特征在于：在步骤一中，所述的固结磨料抛光垫中的磨粒采用金刚石微粉，粒度号为W7；光学玻璃工件(10)表面的初始PV值为20μm；工作台按照Z字形移动时相邻直线的间距为3mm，移动速度为1cm/s，驻留点间距为
3.根据权利要求1所述的光学玻璃表面成型方法，其特征在于：在步骤二中，所述的中心供液小磨头抛光工具公转速度为100r/min，公转半径为10mm；工作台驻留点间距为2mm，根据实验测得去除函数并利用基于矩阵方程的驻留时间解法计算出面型收敛所对应的驻留时间。
4.根据权利要求1所述的光学玻璃表面成型方法，其特征在于：在步骤三中，所述的工作台驻留点间距为2mm，根据实验测得去除函数并利用基于矩阵方程的驻留时间解法计算出面型收敛所对应的驻留时间。
一种光学玻璃表面成型方法
技术领域
[0001] 本发明属于光学玻璃表面成形技术领域，具体涉及一种光学玻璃表面成型方法。
背景技术
[0002] 随着光学领域、微电子学领域及其相关技术的迅速发展，对所需材料表面质量的要求也越来越高，而且其关键元器件的表面质量往往决定着整个系统的精度和性能，特别是强激光系统、软X射线光学系统以及大规模和超大规模集成电路基片等对光学元件表面粗糙度的要求极为苛刻，微米级的加工精度以及纳米级的表面粗糙度均已是常见的生产需求。由此，对光学玻璃表面的快速成形以及表面质量都提出了更高的要求。
[0003] 目前，大多数研究及加工工艺过程都将研磨和抛光分开考虑，两个分别属于超光滑表面加工的最后一步和倒数第二步，虽然存在紧密的衔接但所用的理论和加工机床完全不一样，这就给这两步加工之间的转换增加了难度。在实际的生产过程中，为了将表面质量不高的待加工工件加工为成品，往往要经历粗研磨、细研、精研、粗抛光以及精抛五个步骤，其中在研磨的不同阶段，又需要表面粒度不一样的磨盘以使工件表面达到相应的精度要求，且和抛光阶段使用不同的机床进行加工。这种更换磨盘及机器的表面成形方法使得加工效率很低，而且由于多次装卡工件或工具造成的定位基准改变等，使得最后的抛光阶段需要较大的去除深度以及较长的加工时间。
[0004] 另外，传统的小磨头抛光工具主要包括软质小磨盘、实心杆、海棉夹层和软质抛光垫；其中实心杆的一端固定在软质小磨盘的上端面中心部位，另一端连接在磨床上；海棉夹层安装在软质小磨盘的下端面，而软质抛光垫则设置在海棉夹层的外表面上，并且软质抛光垫的外表面上设有十安槽；这种小磨头抛光工具是使用游离磨料的接触式加工方法对工件表面进行抛光，即以软质小磨盘作为抛光工具，在加工过程中该工具与工件间直接触并产生相对运动，由此带动工具与工件之间的游离磨料而对工件表面材料进行去除。
[0005] 虽然传统小磨头抛光工具历史悠久，发展相对成熟，目前已经广泛应用于光学加工的研磨和粗抛阶段，但其缺点是面形控制能力容易受到磨料浓度、磨料种类、磨粒分布、磨头磨损等因素的影响：首先，传统小磨头抛光工具采用四周供液的方式，由于在高转速的加工条件下，工具自转产生离心力等因素，使得抛光液不易进入软质抛光垫的中心区域，致使磨粒分布不均匀，磨粒更新速度慢，且加工产生的热量不易散出，最终导致软质抛光垫的中心区域磨损速度过快，大大降低了软质抛光垫的使用寿命；其次，抛光过程中需要频繁更换软质抛光垫，降低了生产效率，提高了生产成本；最后，磨料分布不均和软质抛光垫磨损速度过快也会引起去除函数的不稳定。
[0006] 为了解决传统小磨头抛光工具存在的问题，本发明人于2017年6月提交了一份申请号为，名称为“中心供液小磨头抛光工具”的中国发明专利申请。图1 为这种中心供液小磨头抛光工具结构示意图。如图1所示，其包括软质抛光垫1、海棉夹层2、抛光盘3、连接杆4、软管5、柔性联轴器6和电主轴7；其中海棉夹层2安装在抛光盘3的下端面上；软质抛光垫1设置在海棉夹层2的外表面上；连接杆4的一端利用柔性联轴器6连接在抛光盘3的上端面中心部位，并且内部轴心处贯通形成有一个供液孔8，外端口为进液口，同时软质抛光垫1、海棉夹层2、抛光盘3的中心处均形成有一个与连接杆4上供液孔8相连通的中心孔；软管5贴附在供液孔8的内圆周面上；电主轴7套在连接杆4的外部圆周面上，内部设有电动机。使用方法如下：移动由气浮驱动的电主轴7，使软质抛光垫1接触工件9，然后将连接杆4的外端口与用于提供抛光液10的供液管相连接，启动电主轴7，在电主轴7上电动机的驱动下，本工具将产生高速旋转，与此同时，来自供液管的抛光液10将从连接杆4的外端口经软管5以及软质抛光垫1、海棉夹层2、抛光盘3上的中心孔提供给软质抛光垫1表面和工件9表面之间，然后在对工件9表面进行抛光的同时通过软质抛光垫1上的十字沟槽均匀地向四周供给。其优点是：(1)将四周供液改进为中心供液，中心区域抛光液供给充分，抛光液将大量加工热量及磨屑带离加工区域，软质抛光垫表面磨损状况要明显优于传统小磨头抛光工具。因此，中心供液方式能够改善软质抛光垫的抗磨性，并将软质抛光垫的使用寿命提高4倍以上，减少软质抛光垫更换频率，降低生产成本。(2)中心供液方式下，抛光液从工具中心向四周进行供给，相对于四周供液，整个加工区域内磨粒供给更加充分、均匀，磨粒的更新速度也更加稳定，从而使软质抛光垫磨损情况得到很大改善。因此，中心供液小磨头抛光工具在整个加工周期内材料去除效率更加稳定，面形控制能力更强。
[0007] 因此，在高精度光学玻璃表面成形时，若能发明一种利用这种中心供液小磨头抛光工具实现研磨、抛光各个阶段的无缝衔接，从而减少甚至避免更换工具，且能够保证光学玻璃表面的快速成形以及表面质量的新工艺已成为摆在本领域技术人员面前的重要课题。
发明内容
[0008] 为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种光学玻璃表面成型方法。
[0009] 为了达到上述目的，本发明提供的光学玻璃表面成型方法采用中心供液小磨头抛光工具作为研磨和抛光工具，所述的光学玻璃表面成型方法包括按顺序进行的下列步骤：
[0010] 步骤一：采用中心供液小磨头抛光工具作为研磨和抛光工具来加工光学玻璃工件，其中软质抛光垫采用固结磨料抛光垫；将连接杆的外端口与提供冷却液的供液管相连接，冷却液采用去离子水；首先将光学玻璃工件装卡在机床的工作台上，然后控制中心供液小磨头抛光工具以100r/min的速度进行自转，连接杆外端口的冷却液压力为100Mpa，冷却液经软管以及软质抛光盘、海棉夹层、固结磨料抛光垫上的中心孔提供给固结磨料抛光垫和光学玻璃工件表面之间；同时控制工作台按照Z字形移动，使得中心供液小磨头抛光工具能够扫掠整个光学玻璃工件的表面，在此过程中，固结磨料抛光垫与光学玻璃工件表面间的流体动压力为15N，直至达到2μm的最大去除深度，由此完成第一次研磨过程；然后控制中心供液小磨头抛光工具以150r/min的速度进行自转，其余加工参数及加工方式不变，在此过程中，固结磨料抛光垫与光学玻璃工件表面间的流体动压力为20N，直至达到1μm的最大去除深度，由此完成第二次研磨过程；之后将连接杆外端口的冷却液压力调整为150Mpa，其余加工参数及加工方式不变，在此过程中，固结磨料抛光垫与光学玻璃工件表面间的流体动压力为25N，直至达到0.5μm的最大去除深度，由此完成第三次研磨过程，此时光学玻璃工件表面的PV值为8μm；
[0011] 步骤二：将上述经过三次研磨后的光学玻璃工件用去离子水清洗干净，然后将固结磨料抛光垫更换为聚氨酯抛光垫，冷却液更换为采用粒径2μm、浓度5％的氧化铈溶液的抛光液，之后控制中心供液小磨头抛光工具以800r/min的速度进行自转，抛光液的供给满足从抛光垫上的中心孔缓慢流出即可；控制中心供液小磨头抛光工具进行行星运动，工作台仍按照Z字形移动，由此对光学玻璃工件表面进行粗抛光，处理一段时间后进行检测，若达不到所需的PV值，继续进行一段时间的粗抛光，再进行检测，直至达到0.5μm的PV值，由此完成对光学玻璃工件表面的粗抛光过程；
[0012] 步骤三：将上述粗抛光后的光学玻璃工件用去离子水清洗干净，将聚氨酯抛光垫更换为带有螺旋槽的动压抛光盘，以加强流体动压力，同时将抛光液更换为粒径1μm、浓度5％的氧化铈溶液，之后控制中心供液小磨头抛光工具以 800r/min的速度进行自转，连接杆外端口的抛光液压力为0.3Mpa，工作台仍按照Z字形移动，由此对光学玻璃工件表面进行精抛光，处理一段时间后进行检测，若达不到所需的PV值，继续进行一段时间的精抛光，再进行检测，直至达到20nm的PV值，由此完成对光学玻璃工件表面的精抛光过程。
[0013] 在步骤一中，所述的固结磨料抛光垫中的磨粒采用金刚石微粉，粒度号为 W7；光学玻璃工件表面的初始PV值为20μm；工作台按照Z字形移动时相邻直线的间距为3mm，移动速度为1cm/s，驻留点间距为2mm，驻留时间为1min，
[0014] 在步骤二中，所述的中心供液小磨头抛光工具公转速度为100r/min，公转半径为10mm；工作台驻留点间距为2mm，根据之前实验测得去除函数并利用基于矩阵方程的驻留时间解法计算出面型收敛所对应的驻留时间。
[0015] 在步骤三中，所述的工作台驻留点间距为2mm，根据之前实验测得去除函数并利用基于矩阵方程的驻留时间解法计算出面型收敛所对应的驻留时间。
[0016] 本发明提供的光学玻璃表面成型方法具有如下有益效果：
[0017] 能够在保证光学玻璃表面加工精度的前提下极大地降低表面成形时间以及操作的复杂度，具有极大经济效益。另外，整个研磨、抛光过程只需更换相应的抛光盘及抛光液，无需更换机床及夹具等，减少了频繁更换工具的时间，同时降低了装卡及更换机床带来的误差。整个工艺流程操作简便，效率高。
附图说明
[0018] 图1为本发明人在先申请的中心供液小磨头抛光工具结构示意图。
[0019] 图2为本发明中工作台移动轨迹示意图。
具体实施方式
[0020] 下面结合具体实施例与附图对本发明作更进一步的阐述。
[0021] 本发明提供的光学玻璃表面成型方法包括按顺序进行的下列步骤：
[0022] 步骤一：采用如图1所示的中心供液小磨头抛光工具作为研磨和抛光工具来加工K9石英光学玻璃工件10，其中软质抛光垫1采用固结磨料抛光垫，固结磨料中的磨粒采用金刚石微粉，粒度号为W7；光学玻璃工件10表面的初始PV 值约为20μm；将连接杆4的外端口与提供冷却液的供液管相连接，冷却液采用去离子水；首先将光学玻璃工件10装卡在机床的工作台上，然后控制中心供液小磨头抛光工具以100r/min的速度进行自转，连接杆4外端口的冷却液压力为100Mpa，冷却液经软管5以及软质抛光盘3、海棉夹层2、固结磨料抛光垫上的中心孔提供给固结磨料抛光垫和光学玻璃工件10表面之间；同时控制工作台按照图2所示的Z字形移动，移动时相邻直线的间距为3mm，移动速度为 1cm/s，驻留点间距为2mm，驻留时间为1min，使得中心供液小磨头抛光工具可以扫掠整个光学玻璃工件10的表面，在此过程中，固结磨料抛光垫与光学玻璃工件10表面间的流体动压力约为15N，直至达到2μm的最大去除深度，由此完成第一次研磨过程；然后控制中心供液小磨头抛光工具以150r/min的速度进行自转，其余加工参数及加工方式不变，在此过程中，固结磨料抛光垫与光学玻璃工件10表面间的流体动压力约为20N，直至达到1μm的最大去除深度，由此完成第二次研磨过程；之后将连接杆4外端口的冷却液压力调整为150Mpa，其余加工参数及加工方式不变，在此过程中，固结磨料抛光垫与光学玻璃工件 10表面间的流体动压力约为25N，直至达到0.5μm的最大去除深度，由此完成第三次研磨过程，此时光学玻璃工件10表面的PV值约为8μm；
[0023] 步骤二：将上述经过三次研磨后的光学玻璃工件10用去离子水清洗干净，然后将固结磨料抛光垫更换为聚氨酯抛光垫，冷却液更换为采用粒径2μm、浓度5％的氧化铈溶液的抛光液，之后控制中心供液小磨头抛光工具以800r/min的速度进行自转，抛光液的供给满足从抛光垫1上的中心孔缓慢流出即可；为获得接近理想的高斯型去除函数，控制中心供液小磨头抛光工具进行行星运动，公转速度为100r/min，公转半径为10mm，工作台仍按照Z字形移动，驻留点间距为2mm，根据之前实验测得去除函数并利用基于矩阵方程的驻留时间解法计算出面型收敛所对应的驻留时间，由此对光学玻璃工件10表面进行粗抛光，处理一段时间后进行检测，若达不到所需的PV值，继续进行一段时间的粗抛光，再进行检测，直至达到0.5μm的PV值，本实施例共进行5次同样的加工，加工时间分别为106min，36min，38min，241min，11min，由此完成对光学玻璃工件10表面的粗抛光过程；
[0024] 步骤三：将上述粗抛光后的光学玻璃工件10用去离子水清洗干净，将聚氨酯抛光垫更换为带有螺旋槽的动压抛光盘，以加强流体动压力，同时将抛光液更换为粒径1μm、浓度5％的氧化铈溶液，之后控制中心供液小磨头抛光工具以800r/min的速度进行自转，连接杆4外端口的抛光液压力为0.3Mpa，工作台仍按照Z字形移动，驻留点间距为2mm，根据之前实验测得去除函数并利用基于矩阵方程的驻留时间解法计算出面型收敛所对应的驻留时间，由此对光学玻璃工件10表面进行精抛光，处理一段时间后进行检测，若达不到所需的PV值，继续进行一段时间的精抛光，再进行检测，直至达到20nm的PV值，本实施例共进行4次同样的加工，加工时间分别为362min，21min，13min，15min，9min，由此完成对光学玻璃工件10表面的精抛光过程，满足基本的精度要求。
[0025] 尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅是示意性的，而不是限制性的，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均属本发明的保护范围。
