CN103372805B

CN103372805B - 大型浸没式环抛机

Info

Publication number: CN103372805B
Application number: CN201310293836.0A
Authority: CN
Inventors: 顿爱欢; 顾建勋; 陈国凯; 吴福林; 张宝安; 徐学科
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2013-07-12
Filing date: 2013-07-12
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2033-07-12
Also published as: CN103372805A

Abstract

一种大型浸没式环抛机，主要包括大理石抛光盘和抛光胶盘、大型储液槽、抛光液储液罐、磁力搅拌器、电泵、抛光液过滤设备、喷嘴装置等，抛光液储液罐中有磁力搅拌器持续搅拌，抛光液过滤设备采用多层过滤膜式过滤装置，可以根据需要多层分级过滤。本发明实现了大型环抛机的浸没式抛光加工，温度平衡性好，降低了由于抛光温度不均匀性带来的抛光面形误差，有利于提高大口径平面光学元件的面形精度和表面粗糙度，并能够有效的控制工件的表面疵病。另外，该浸没式抛光机采用抛光液循环利用方式，可以大大降低抛光液的损耗，减小了加工成本。

Description

大型浸没式环抛机

技术领域

本发明涉及光学元件表面或者微电子中晶片抛光设备，尤其是对大尺寸光学玻璃元器件的表面进行精密抛光的大型环形抛光机，特别针对环抛工艺中高面形精度和表面粗糙度的平面光学元件加工。

背景技术

环形抛光机是目前世界上几乎唯一的大口径、全局化平面光学元件加工技术，它是将待抛光工件在一定的压力及抛光液的存在下相对于抛光胶盘做旋转运动，借助磨粒的机械磨削作用以及化学氧化剂的腐蚀作用来完成对工件表面的材料去除并获得光洁表面。与其它技术相比，这种技术可以同时实现大口径工件的局部和全局平面化，能够消除工件表面的高点和波浪形，消除高频缺陷，表面加工质量能够达到超光滑的程度；平面化速度快，加工精度高，应用范围广，生产成本低，适合工业大规模推广。环抛机是这种技术的主要载体。随着现代科学技术的飞速发展，光学元件的通光口径和加工精度要求越来越高，因此环抛机也向大型化、自动化的方向发展，台面直径由原来的1m、1.2m逐渐发展到目前的2.4m，2.8m甚至4m以上等，而且机械化、自动化程度越来越高。一般来说，环抛机主要包括一个由电机驱动旋转的大理石抛光盘，该抛光盘的上表面浇注一层均匀的抛光胶盘，抛光胶盘上还有调节抛光胶盘面形的校正盘，参见图所示。当环抛机开始工作时，将待加工工件平放在抛光胶盘上，同时开动电机驱动抛光盘以一定的速度绕中心旋转，同时在抛光胶盘上喷洒一定量的抛光液，抛光液中含有特殊粒径、尺寸、形状的抛光粉颗粒。当抛光盘以一定的速度转动时，工件在抛光胶盘上同时做无规则的移动或转动，并与抛光胶盘上的抛光粉颗粒产生摩擦作用，从而对工件与抛光胶盘的接触面进行材料去除以获得光滑表面。由上述可知，工件表面的去除主要依靠工件与抛光粉的摩擦作用，该摩擦作用同时产生大量的热和碎屑，会影响抛光环境的热稳定性和抛光液的纯度指标，会进一步影响光学元件的面形精度和表面粗糙度。

随着现代科学技术的飞速发展，很多领域对光学元件的表面加工精度提出了更高的要求；同时对大型环抛机加工光学元件领域的环境问题和能源问题也越来越重视。在传统的环抛过程中，由于工件与抛光蜡板的持续摩擦，会在接触部位产生较大的热量，如果这些热量不能及时传播出去，则会对工件的抛光性能造成很大的影响，尤其是工件的面形控制受温度的影响非常大。浸没式环抛机与传统环形抛光机的主要技术优势是实现了大型工件的浸液抛光。通过将工件置于浸没式的抛光环境中相对于以前裸露抛光环境的温度平衡性更好，可控性更高，另外由于抛光液的比热比空气高，降低了对环境温差的控制要求，再加上抛光液可以循环过滤供应，抛光胶盘与工件间、工件与外部环境间以及抛光胶盘与外部环境间积累的热量可以及时得到扩散，剩余的热量积累非常小，完全可以忽略不计，避免了由于抛光胶盘、工件以及外部环境的温度不同而造成了工件面形、表面疵病以及表面粗糙度等参数的变化，因而非常有利于工件的高精度面形控制。此外，在环抛加工过程中，抛光液的添加和排出是连续进行的，这可以为抛光过程提供充足的抛光粉颗粒达到最大磨削率的效果。目前利用环抛机加工光学元件采用的抛光粉主要为CeO₂，是一种重金属元素氧化物，对于环境和人体的危害很大。传统的环抛加工中，抛光液的添加为人工一次性添加方式，即工人自发的将抛光液直接喷洒到抛光胶盘上，随着抛光过程的进行，使用后的抛光液不经过后处理直接排放到环境中。这样既造成了很大的浪费，提高了生产成本，又对周围环境造成较大的污染。据统计，一台环抛机一天的抛光液消耗量约为两千元，这不利于该领域长期的、可持续发展的要求。此外，传统的人工添加抛光液的操作方式对工人的经验依赖较大，缺乏长时间的稳定性和可控性，不利于抛光液的实时监控和检测，标准化程度低。最后，现代大型环抛机直径往往达4m以上，单纯依靠人工方式缺乏对抛光胶盘的整体性把握，容易造成抛光液添加不稳定，工件磨削不均匀，而且人工添加方式劳动强度大，工作效率低，不能实现抛光的确定性加工。

目前的大型环抛机多数为非浸没式抛光，抛光粉添加为人工式添加方式，既造成较大的浪费，又对工人和环境造成一定的危害；另外，虽然某些单位实现了浸没式的加工方式，但只是单纯的将工件浸没在抛光液中，没有对抛光液进行进一步的过滤和细化处理，抛光效果较差，不能体现出浸没式抛光方式的优势。

本发明不仅实现了环抛的浸没式加工方式，还对抛光液进行过滤和细化处理，不仅实现了较好的抛光效果，而且还节约了成本，降低了环境污染程度。

发明内容

本发明的目的在于提出一种大型浸没式环抛机，该环抛机以实现大型环抛机的浸没式加工，有利于提高光学元件的加工面形精度和表面粗糙度，减少表面疵病，另外，本发明还采用自动化的抛光液循环过滤利用方式，克服了原有的依靠经验的人工作业方式，减轻了劳动强度，节约了成本并提高大型环抛机的工作效率。

本发明的技术解决方案如下：

一种大型浸没式环抛机，其特点在于该环抛机包括一个由电机驱动的大理石抛光盘和一个储液槽，该储液槽为环形槽，该环形槽的内侧圆周通过紧固螺钉固定在大理石抛光盘的外侧边缘的圆周上，在所述的大理石抛光盘的上表面浇注一层均匀的抛光胶盘，在该抛光胶盘上放置一块圆形的玻璃校正盘，所述的抛光胶盘和玻璃校正盘均置于储液槽中；所述的储液槽边缘挡板上标有精确刻度；该储液槽的底部设有出液管经第一开关通向回收槽；该回收槽呈环状位于所述的大理石抛光盘的周围，该回收槽底部设有两个出液管，其中第一出液管经第二开关通向废液罐，第二出液管经第三开关通向回收罐，该回收罐中设有第一磁力搅拌器，该回收罐通过管道经第四开关与抛光液过滤设备相通，该回收罐中搅拌均匀的抛光液在压力泵的作用下经第四开关进入所述的抛光液过滤设备，所述的压力泵的功率由功率调节器控制；所述的抛光液经过滤设备通过管道经第五开关、具有第二磁力搅拌器的搅拌槽和设置在抛光胶盘上的喷嘴装置相连，注入所述的储液槽的抛光液的流量由设置在位于搅拌槽的管道上的流量计监测。

所述的抛光液过滤设备置于一个容槽内的支撑台上，该容槽底部设有带第六开关的出液管，用于排出抛光液过滤设备中泄露的废液或清洗的废液；注入抛光液过滤设备中的抛光液的压力由压力计监测；所述的抛光液过滤设备采用过滤膜分级过滤方式；不同精度的抛光液过滤膜按照次序贴在抛光液过滤设备的不锈钢盘片上并通过螺旋杆压紧，最高可以对抛光液进行十级过滤处理；抛光液过滤设备的不锈钢盘片上设有规则的沟槽和小孔便于抛光液流动，不锈钢盘片之间设有橡胶垫片，防止抛光液的泄露。

所述的储液槽在环抛机运行过程中随所述的抛光盘一起转动；储液槽内注有抛光液并在边缘挡板上标有精确刻度以精确控制注入的抛光液深度；该储液槽与大理石抛光盘的环状接触部位采用硅胶密封防止抛光液泄漏；储液槽中抛光液经出液管的第一开关注入到下方的回收槽中，该回收槽底部设有两个出液管，其中第一出液管经第二开关与废液罐相连，用于抛光液废液排到废液罐中，在抛光进行过程中处于关闭状态；第二出液管经第三开关与回收槽相连，在抛光进行过程中处于开通状态；回收槽中的抛光液经第三开关注入回收罐中，该回收罐中的第一磁力搅拌器，对流入的抛光液进行持续搅拌；在回收罐中搅拌均匀的抛光液在压力泵的作用下经过第四开关与注入所述的抛光液过滤设备，压力泵的功率由功率调节器控制；抛光液在过滤设备中分级过滤后经过第五开关，具有第二磁力搅拌器的搅拌槽并经过第二磁力搅拌器搅拌再次均匀后，通过设置在抛光胶盘上的喷嘴装置直接注入大型储液槽内，注入储液槽的流量由流量计监测。

所述的抛光液过滤设备置于一个容槽内的支撑台上，该容槽底部设有一个出液口，并与第六开关相连，用于排出抛光液过滤设备中泄露的废液和之后的清洗；注入抛光液过滤设备中的抛光液压力由压力计监测；抛光液过滤设备采用过滤膜分级过滤方式，不同精度的抛光液过滤膜按照次序贴在抛光液过滤设备的不锈钢盘片上并通过螺旋杆压紧，最多可以对抛光液进行十级过滤处理；抛光液过滤设备的不锈钢盘片上设有规则的沟槽和小孔便于抛光液流动，不锈钢盘片之间设有橡胶垫片，防止抛光液的泄露。

本发明专利的优点是：

1、本发明所述的大型浸没式环抛机实现了大口径平面光学元件的浸没式加工，经过实际加工表明，所得的光学元件的粗糙度达到约0.4nm，面形精度达到约λ/10，较传统的环抛机加工精度大大提高；经过抛光液过滤装置处理后的抛光液的粒度参数保持稳定，且持续时间较长；

2、抛光液的中位粒径（又称D50，指一个样品的累计粒度分布百分数达到50%时所对应的粒径。它的物理意义是粒径大于它的颗粒占50%，小于它的颗粒也占50%，D50也叫中位粒径或中值粒径，D50常用来表示粉体的平均粒度。）和次高峰（该值通常表示粉体中除了主要粒径粉体颗粒，其它粒径粉体颗粒占全部粉体的百分比，该值越小说明粉体粒径越均匀）所占百分比为抛光液的两个重要参数。经过本发明装置处理后的抛光液由原来较高的指标参数（中位粒径0.912μm，次高峰所占百分比40%）降低到较低的指标参数（中位粒径0.639μm，次高峰所占百分比约20%）。

3、该大型浸没式环抛机的自动化抛光液添加方式代替了原来的人工操作，减轻了工人的劳动强度，同时抛光液的添加效率也大大提高；

4、最后实现抛光液的循环回收再利用，节约了抛光成本，减轻了环境污染。

附图说明

图1为本发明大型浸没式环抛机的最佳实施例的结构示意图；

图中：1-电机，2-废液罐，3-第二开关，4-回收槽，5-抛光盘，6-第三开关，7-第一开关，8-储液槽，9-抛光胶盘，10-玻璃校正盘，11-喷嘴装置，12-流量计，13-搅拌槽，14-第五开关，15-压力计，16-抛光液过滤设备，17-第四开关，18-回收罐，19-第一磁力搅拌器，20-压力泵，21-功率调节器，22-第六开关，23-容槽，24-螺旋杆，25-第二磁力搅拌器

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的变换范围。

先请参阅图1，图1为本发明大型浸没式环抛机的最佳实施例的结构示意图，由图可见，本发明大型浸没式环抛机，包括一个由电机1驱动的大理石抛光盘5，该抛光盘的上表面浇注一层均匀的抛光胶盘9，该抛光胶盘上放置一块圆形的玻璃校正盘10，抛光胶盘9和玻璃校正盘10均置于一个大型储液槽8中；该储液槽8为环形槽，其内侧圆周通过紧固螺钉固定在大理石抛光盘5外侧边缘的圆周上，在环抛机运行过程中随抛光盘5一起转动；储液槽8内注有抛光液并在边缘挡板上标有精确刻度以精确控制注入的抛光液深度；该储液槽与大理石抛光盘的环状接触部位采用硅胶密封防止抛光液泄漏；储液槽8的底部设有出液口并装有第一开关7控制抛光液流量；抛光液从出液口注入到下方的回收槽4中，该回收槽底部设有两个出液口，其中一个与第二开关3相连，用于抛光液废液排除到废液罐2中，在抛光过程中处于关闭状态，另外一个与第三开关6相连，在抛光过程中处于开通状态；回收槽4中的抛光液经第三开关6注入抛光液回收罐18中，该回收罐中设有第一磁力搅拌器19，对流入的抛光液持续搅拌；在回收罐18中搅拌均匀的抛光液在压力泵20的作用下经过第四开关17与抛光液过滤设备16相连，压力泵20的功率由功率调节器21控制；抛光液经过滤设备16中分级过滤后经过第五开关14，并经过搅拌槽13中的第二磁力搅拌器25再次搅拌均匀后，通过设置在抛光胶盘上的喷嘴装置11直接注入大型储液槽8内，注入的流量由流量计12监测。

所述的抛光液过滤设备16置于一个容槽23内的支撑台上，该容槽23下端设有一个出液口，并与第六开关22相连，用于排出抛光液过滤设备16中泄露的废液和之后的***过滤装置清洗；注入抛光液过滤设备16中的抛光液压力由压力计15监测；抛光液过滤设备16采用过滤膜分级过滤方式，最高可以对抛光液进行十级过滤处理；不同精度的抛光液过滤膜按照次序贴在抛光液过滤设备16的不锈钢盘片上并通过螺旋杆24压紧；抛光液过滤设备16的不锈钢盘片上设有规则的沟槽和小孔便于抛光液流动，不锈钢盘片之间设有橡胶垫片，防止抛光液的泄露。

本发明大型浸没式环抛机与传统环形抛光机的主要技术优势是实现了大型光学元件的浸没式抛光。通过将工件置于浸没式的抛光环境中相对于以前裸露抛光环境的温度平衡性更好，可控性更高，另外由于抛光液比热比空气高因而降低了对环境温差的控制要求，再加上抛光液可以循环过滤供应，抛光胶盘与工件间、工件与外部环境间以及抛光胶盘与外部环境间积累的热量可以及时得到扩散，剩余的热量积累非常小，完全可以忽略不计，避免了由于抛光胶盘、工件以及外部环境的温度不同而造成了工件面形、表面疵病以及表面粗糙度等参数的变化，因而非常有利于工件的高精度面形控制。

本发明大型浸没式环抛机实现了大口径平面光学元件的浸没式加工方式，经过实际的光学加工表明，所得的光学元件的粗糙度达到约0.4nm，面形精度达到月λ/10，较传统的环抛机加工精度大大提高；经过抛光液过滤装置处理后的抛光液的温度保持稳定，且持续时间较长；另外，抛光液的中位粒径和次高峰所占百分比为抛光液的两个重要参数，经过处理后的抛光液由原来较高的指标参数（中位粒径0.912μm，次高峰所占百分比40%）降低到较低的指标参数（中位粒径0.639μm，次高峰所占百分比约20%）。最后，该大型浸没式环抛机的自动化抛光液添加方式代替了原来的人工操作，减轻了工人的劳动强度，同时抛光液的添加效率也大大提高。

实验表明，本发明实现了大型环抛机的浸没式加工和抛光液的循环再利用，节约了成本，避免了环境污染。

Claims

1.一种大型浸没式环抛机，其特征在于该环抛机包括一个由电机(1)驱动的大理石抛光盘(5)和一个储液槽(8)，该储液槽(8)为环形槽，该环形槽的内侧圆周通过紧固螺钉固定在大理石抛光盘(5)的外侧边缘的圆周上，在所述的大理石抛光盘的上表面浇注一层均匀的抛光胶盘(9)，在该抛光胶盘(9)上放置一块圆形的玻璃校正盘(10)，所述的抛光胶盘(9)和玻璃校正盘(10)均置于储液槽(8)中；所述的储液槽(8)内供抛光液储存并在边缘挡板上标有精确刻度以精确控制注入的抛光液深度；该储液槽(8)的底部设有出液管经第一开关(7)通向回收槽(4)；该回收槽(4)呈环状位于所述的大理石抛光盘(5)的周围，该回收槽(4)底部设有两个出液管，其中第一出液管经第二开关(3)通向废液罐(2)，第二出液管经第三开关(6)通向回收罐(18)，该回收罐(18)中设有第一磁力搅拌器(19)，该回收罐(18)通过管道经第四开关(17)与抛光液过滤设备(16)相通，该回收罐(18)中搅拌均匀的抛光液在压力泵(20)的作用下经第四开关(17)进入所述的抛光液过滤设备(16)，压力泵(20)的功率由功率调节器(21)控制；所述的抛光液过滤设备(16)通过管道经第五开关(14)、具有第二磁力搅拌器(25)的搅拌槽(13)和设置在抛光胶盘上方的喷嘴装置(11)相连，在所述的管道上在搅拌槽(13)和设置在抛光胶盘上方的喷嘴装置(11)之间设有流量计(12)。

2.根据权利要求1所述的大型浸没式环抛机，其特征在于：所述的抛光液过滤设备(16)置于一个容槽(23)内的支撑台上，该容槽(23)底部设有带第六开关(22)的出液管，用于排出抛光液过滤设备(16)中泄露的废液或清洗的废液；注入抛光液过滤设备(16)中的抛光液的压力由压力计(15)监测；抛光液过滤设备(16)采用过滤膜分级过滤方式，最高可以对抛光液进行十级过滤处理；不同精度的抛光液过滤膜按照次序贴在抛光液过滤设备(16)的不锈钢盘片上并通过螺旋杆(24)压紧；抛光液过滤设备(16)的不锈钢盘片上设有规则的沟槽和小孔便于抛光液流动，不锈钢盘片之间设有橡胶垫片，防止抛光液的泄露。

3.根据权利要求1所述的大型浸没式环抛机，其特征在于：所述的储液槽(8)与所述的大理石抛光盘(5)的环状接触部位采用硅胶密封。