CN102730945B - 大面积接触式等离子体放电加工熔石英加工装置 - Google Patents
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Abstract
大面积接触式等离子体放电加工熔石英加工装置，它涉及一种等离子体加工装置，以解决现有等离子体加工过程中的电极温度高，加工时间短，导致反应离子的活性相对较低，去除率低的问题。导风板的上端面与端部工件夹板的上端面在同一水平面内，成型电极设置在工件槽的上方，成型电极的下端面与工件槽的上端面设有两电极之间放电间距，上导流体与下导流体之间的腔体为导气腔，上导流体和下导流体的进气端端面上均设有进气孔，两个进气孔与气体混气箱连通，氦气气瓶、四氟化碳气瓶和氧气瓶分别通过氦气流量计、四氟化碳流量计和氧气流量计与气体混气箱连接，水泵与下冷却通道和上冷却通道连接，射频电源与高电极和底座板连接。本发明用于等离子体加工。
Description
技术领域
本发明涉及一种大气压下的等离子体加工装置，具体涉及一种通过射频电源进行大面积等离子加工熔石英的装置。
背景技术
融石英是氧化硅的非晶态（玻璃态），是典型的玻璃，主要用于精密铸造、玻璃陶瓷、耐火材料及电子电器等行业，熔石英材料因其化学性质稳定、透紫外性好、均匀性好和耐辐射性好，被广泛应用于高能激光窗口、航空航天、微电子及其他光学领域。目前，由于熔石英的特性加之对精密元件的高要求，大面积加工效率较低。针对高精度熔石英表面的加工方法分为两大类，研磨和抛光。研磨的加工效率较高，但是通常会带来表面及亚表面变质层损伤，表面质量不理想；抛光虽然能得到较好的表面质量，但对于大口径的光学元件而言，其加工周期长、效率低。因此，对于表面要求较高的光学镜片的加工，为提高加工效率，采用先研磨进行大去除的面型加工、然后抛光进行表面质量修整的方法。随着光学技术的发展，提出了真空下等离子体加工方法，但是由于真空下的等离子体加工技术需要较高的设备条件，成本高，因此大气压下等离子体加工得到人们的关注。
基于大气压下的等离子体加工分为射流和接触式加工，射流式即由阳极和阴极中产生的等离子体喷射而出，作用于工件表面进行加工，接触式即工件直接置于阴极和阳极之间进行工件的表面加工。射流加工有利于进表面质量和面型的小范围修整，但由于射流导致反应离子的活性相对较低，因此去除率也较低；接触式加工产生的等离子体直接作用于工件表面，维持等离子体中反应原子的活性，提高去除率，但是对于控制面型及表面质量的能力较弱。另外，目前对于大型光学镜片的抛光普遍采用小口径加工，对于大面积的光学零件加工加工周期长，效率低。
发明内容
本发明的目的是为解决现有等离子体加工过程中的电极温度高，加工时间短，导致反应离子的活性相对较低，去除率低的问题，提供一种大面积接触式等离子体放电加工熔石英加工装置。
本发明的大面积接触式等离子体放电加工熔石英加工装置包括射频电源、高电极、成型电极、上导流体、下导流体、地电极、导风板、端部工件夹板、气体混气箱、氦气气瓶、四氟化碳气瓶、氧气瓶、氦气流量计、四氟化碳流量计、氧气流量计、水泵、销、两个上箱盖、两个侧板和两个导气管，地电极由上端板和底座板组成，上端板沿底座板的纵向中心线设置在底座板上，且上端板与底座板制成一体，底座板上端面且位于上端板的纵向两侧为侧板安装处，底座板上端面且位于上端板的出气端一侧为出气道，底座板上端面且位于上端板的进气端一侧为进气道，端部工件夹板设置在上端板上端面的出气端一侧，导风板设置在上端板的进气端端面处，导风板的上端面与端部工件夹板的上端面在同一水平面内，导风板与端部工件夹板之间为工件槽，导风板朝向进气道一侧设有第一导气斜面，第一导气斜面由进气端至出气端倾斜向上，下导流体设置在进气道处，每个侧板安装处设置一个侧板，成型电极设置在工件槽的上方，成型电极的下端面与工件槽的上端面设有两电极之间放电间距，放电间距为2mm～5mm，高电极设置在成型电极的上端面上，且高电极与成型电极通过销连接，高电极设置在两个上箱盖内，两个上箱盖以销的轴线对称设置，且一个上箱盖位于导风板的上方，另一个上箱盖位于出气道的上方，导风板上方的上箱盖上以两电极之间放电间距的水平中心线为基准对称设有第二导气斜面，上导流体与下导流体扣合设置，上导流体与下导流体之间的腔体为导气腔，上导流体的出气端端面与上箱盖连接，下导流体的出气端端面与导风板连接，上导流体和下导流体的进气端端面上均设有进气孔，两个进气孔分别通过导气管与气体混气箱连通，氦气气瓶、四氟化碳气瓶和氧气瓶分别与其对应的氦气流量计、四氟化碳流量计和氧气流量计连接，氦气流量计、四氟化碳流量计和氧气流量计均与气体混气箱连接，上端板内设有下冷却通道，高电极内设有上冷却通道，水泵分别通过导管与下冷却通道和上冷却通道连接，射频电源通过导线与高电极和底座板连接。
本发明包含以下有益效果：
一、由于本发明在高电极和地电极的内部均分别设有上冷却通道和下冷却通道，实现了加工过程中的电极冷却，降低了加工过程中的电极温度，从而可以进行长时间的加工，使得反应离子的活性相对较高，因此去除率得到提高。本发明中的成型电极可以随时更换，通过调整加工工艺参数和电极形状可以实现工件面型的加工和工件表面质量的修整，兼顾两者从而达到高效去除的效果。二、本发明通过水泵、高电极和地电极进行加工时的水冷，冷却部分对于工件加工过程的作用是降低了加工中的成型电极和工件温度，防止温度过高造成成型电极损害，从而延长了等离子体放电加工的时间，达到更好的加工效果。三、本发明实现了大气压下大面积接触式等离子体加工，比以往的小孔径及射流加工方法具有较高的去除效率。
附图说明
图1是本发明的大面积接触式等离子体放电加工熔石英加工装置的整体主剖视图；图2是图1的A-A截面视图；图3是地电极7的结构立体图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1～图3说明本实施方式，本实施方式的大面积接触式等离子体放电加工熔石英加工装置包括射频电源1、高电极3、成型电极4、上导流体5、下导流体6、地电极7、导风板8、端部工件夹板9、气体混气箱10、氦气气瓶11、四氟化碳气瓶12、氧气瓶13、氦气流量计14、四氟化碳流量计15、氧气流量计16、水泵17、销22、两个上箱盖2、两个侧板18和两个导气管25，地电极7由上端板7-1和底座板7-2组成，上端板7-1沿底座板7-2的纵向中心线设置在底座板7-2上，且上端板7-1与底座板7-2制成一体，底座板7-2上端面且位于上端板7-1的纵向两侧为侧板安装处7-3，底座板7-2上端面且位于上端板7-1的出气端一侧为出气道7-4，底座板7-2上端面且位于上端板7-1的进气端一侧为进气道7-5，端部工件夹板9设置在上端板7-1上端面的出气端一侧，导风板8设置在上端板7-1的进气端端面处，导风板8的上端面与端部工件夹板9的上端面在同一水平面内，导风板8与端部工件夹板9之间为工件槽21，导风板8朝向进气道7-5一侧设有第一导气斜面8-1，第一导气斜面8-1由进气端至出气端倾斜向上，下导流体6设置在进气道7-5处，每个侧板安装处7-3设置一个侧板18，成型电极4设置在工件槽21的上方，成型电极4可根据工件的形状更换不同形状的电极。成型电极4的下端面与工件槽21的上端面设有两电极之间放电间距h，高电极3设置在成型电极4的上端面上，且高电极3与成型电极4通过销22连接，高电极3设置在两个上箱盖2内，两个上箱盖2以销22的轴线对称设置，且一个上箱盖2位于导风板8的上方，另一个上箱盖2位于出气道7-4的上方，导风板8上方的上箱盖2上以两电极之间放电间距h的水平中心线为基准对称设有第二导气斜面2-1，上导流体5与下导流体6扣合设置，上导流体5与下导流体6之间的腔体为导气腔20，上导流体5的出气端端面与上箱盖2连接，下导流体6的出气端端面与导风板8连接，上导流体5和下导流体6的进气端端面上均设有进气孔24，两个进气孔24分别通过导气管25与气体混气箱10连通，氦气气瓶11、四氟化碳气瓶12和氧气瓶13分别与其对应的氦气流量计14、四氟化碳流量计15和氧气流量计16连接，氦气流量计14、四氟化碳流量计15和氧气流量计16均与气体混气箱10连接，上端板7-1内设有下冷却通道7-1-1，高电极3内设有上冷却通道3-1，水泵17分别通过导管与下冷却通道7-1-1和上冷却通道3-1连接，射频电源1通过导线与高电极3和底座板7-2连接。
射频电源1、高电极3、成型电极4和地电极7构成电路部分；高电极3、地电极7和水泵17构成冷却部分；上导流体5、下导流体6、导风板8、气体混气箱10、氦气气瓶11、四氟化碳气瓶12、氧气瓶13、氦气流量计14、四氟化碳流量计15、氧气流量计16、两个上箱盖2和两个导气管25构成气流部分；气体混气箱10、氦气气瓶11、四氟化碳气瓶12、氧气瓶13、氦气流量计14、四氟化碳流量计15和氧气流量计16构成反应装置。
利用本实施方式对工件进行加工时可实现两种方法加工：大去除率加工和修整加工。
工件的大去除率加工：通过氦气流量计14小流量的控制氦气流速，通过四氟化碳流量计15大流量的控制四氟化碳流速，氧气流量计16的流量控制在氦气流速与四氟化碳流速之间，经气体混气箱10进行充分均匀混合后为反应气体，其反应方程式为：4CF4+Si→2C2F6+SiF4，反应气体经导气管25、进气孔24进入导气腔20中，通过第一导气斜面8-1和第二导气斜面2-1进入两电极之间放电间距h，实现工件加工时的大面积等离子接触，以达到大去除率效果。
工件的修整加工（即表面修复的小去除）：通过氦气流量计14大流量的控制氦气流速，通过四氟化碳流量计15小流量的控制四氟化碳流速，氧气流量计16的流量控制在氦气流速与四氟化碳流速之间，经气体混气箱10进行充分均匀混合后为反应气体，其反应方程式为：4CF4+Si→2C2F6+SiF4，反应气体经导气管25、进气孔24进入导气腔20中，通过第一导气斜面8-1和第二导气斜面2-1进入两电极之间放电间距h，实现工件修整加工时的大面积等离子接触，以达到表面修复的小去除率效果。
具体实施方式二、结合图2说明本实施方式，本实施方式的两电极之间放电间距h为2mm～5mm。在此范围内能实现等离子体稳定放电。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三、结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二不同的是它还增加有两个侧工件夹板19，两个侧工件夹板19以上端板7-1的纵向中心线对称设置在上端板7-1上端面的两侧，两个侧工件夹板19的上端面与端部工件夹板9的上端面在同一水平面内。如此设置，可以防止工件在工件槽21中横向移动。更加稳固的定的位置其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
本发明的工作过程：将成型电极4根据工件面型的需要换成所需要的面型，设备安装调整保持密封性后，检查线路连接，无误后打开射频电源1和流量计电源开关进行预热。待预热后打开冷却泵17，打开氦气气瓶11、四氟化碳气瓶12及氧气瓶13的开关，同时调整氦气流量计14、四氟化碳流量计15及氧气流量计16的流量至所需流量，待三种气体在气体混气箱10中反应后，进行系统通电，在保证反应气体流速稳定后，经导气管25、进气孔24进入导气腔20中，通过第一导气斜面8-1和第二导气斜面2-1进入两电极之间放电间距h处，此时反应进行；待加工结束后，降低射频电源功率，关闭射频电源1，关闭氦气气瓶11、四氟化碳气瓶12及氧气瓶13的开关，取出工件。
Claims (2)
1.一种大面积接触式等离子体放电加工熔石英加工装置，其特征在于：所述装置包括射频电源（1）、高电极（3）、成型电极（4）、上导流体（5）、下导流体（6）、地电极（7）、导风板（8）、端部工件夹板（9）、气体混气箱（10）、氦气气瓶（11）、四氟化碳气瓶（12）、氧气瓶（13）、氦气流量计（14）、四氟化碳流量计（15）、氧气流量计（16）、水泵（17）、销（22）、两个上箱盖（2）、两个侧板（18）和两个导气管（25），地电极（7）由上端板（7-1）和底座板（7-2）组成，上端板（7-1）沿底座板（7-2）的纵向中心线设置在底座板（7-2）上，且上端板（7-1）与底座板（7-2）制成一体，底座板（7-2）上端面且位于上端板（7-1）的纵向两侧为侧板安装处（7-3），底座板（7-2）上端面且位于上端板（7-1）的出气端一侧为出气道（7-4），底座板（7-2）上端面且位于上端板（7-1）的进气端一侧为进气道（7-5），端部工件夹板（9）设置在上端板（7-1）上端面的出气端一侧，导风板（8）设置在上端板（7-1）的进气端端面处，导风板（8）的上端面与端部工件夹板（9）的上端面在同一水平面内，导风板（8）与端部工件夹板（9）之间为工件槽（21），导风板（8）朝向进气道（7-5）一侧设有第一导气斜面（8-1），第一导气斜面（8-1）由进气端至出气端倾斜向上，下导流体（6）设置在进气道（7-5）处，每个侧板安装处（7-3）设置一个侧板（18），成型电极（4）设置在工件槽（21）的上方，成型电极（4）的下端面与工件槽（21）的上端面设有两电极之间放电间距（h），放电间距（h）为2mm～5mm，高电极（3）设置在成型电极（4）的上端面上，且高电极（3）与成型电极（4）通过销（22）连接，高电极（3）设置在两个上箱盖（2）内，两个上箱盖（2）以销（22）的轴线对称设置，且一个上箱盖（2）位于导风板（8）的上方，另一个上箱盖（2）位于出气道（7-4）的上方，导风板（8）上方的上箱盖（2）上以两电极之间放电间距（h）的水平中心线为基准对称设有第二导气斜面（2-1），上导流体（5）与下导流体（6）扣合设置，上导流体（5）与下导流体（6）之间的腔体为导气腔（20），上导流体（5）的出气端端面与上箱盖（2）连接，下导流体（6）的出气端端面与导风板（8）连接，上导流体（5）和下导流体（6）的进气端端面上均设有进气孔（24），两个进气孔（24）分别通过导气管（25）与气体混气箱（10）连通，氦气气瓶（11）、四氟化碳气瓶（12）和氧气瓶（13）分别与其对应的氦气流量计（14）、四氟化碳流量计（15）和氧气流量计（16）连接，氦气流量计（14）、四氟化碳流量计（15）和氧气流量计（16）均与气体混气箱（10）连接，上端板（7-1）内设有下冷却通道（7-1-1），高电极（3）内设有上冷却通道（3-1），水泵（17）分别通过导管与下冷却通道（7-1-1）和上冷却通道（3-1）连接，射频电源（1）通过导线与高电极（3）和底座板（7-2）连接。
2.根据权利要求1所述大面积接触式等离子体放电加工熔石英加工装置，其特征在于：所述装置还包括两个侧工件夹板（19），两个侧工件夹板（19）以上端板（7-1）的纵向中心线对称设置在上端板（7-1）上端面的两侧，两个侧工件夹板（19）的上端面与端部工件夹板（9）的上端面在同一水平面内。
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Non-Patent Citations (5)
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| CF4/SF6反应气体对大气压等离子体温度的影响;王东方等;《航空精密制造技术》;20111031;第47卷(第5期);第33-36页 * |
| JP昭61-204877A 1986.09.10 |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102730945A (zh) | 2012-10-17 |
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