CN108081070B - 一种数控小工具抛光辅助大气等离子体加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学元件表面超光滑精密加工技术领域，具体涉及一种数控小工具抛光辅助大气等离子体加工方法。以解决现有大气等离子体加工时，表面次生附着物二次吸附，光学元件表面质量严重下降，加工效率降低的问题。本发明的步骤为开启对称旋转工装上的大气电弧等离子体源喷枪，去除光学元件在前期加工过程中表面缺陷，对光学元件表面进行由点及面的刻蚀抛光，然后开启数控柔性小工具磨头，对光学元件表面进行研磨抛光；同时开启大气电弧等离子体源喷枪和数控柔性小工具磨头，加工原件表面质量；再次开始对被加工元件的上表面加工，所产生的二次附着物被数控柔性小工具磨头研磨去除，多次迭代加工后，完成光学元件的加工。
Description
技术领域
本发明涉及光学元件表面超光滑精密加工技术领域，具体涉及一种数控小工具抛光辅助大气等离子体加工方法。
背景技术
以降低光学元件表面粗糙度为主要目标的超精密加工技术称为超光滑表面加工技术，而传统的光学加工基于范成法和手工研磨方法的传统方法，加工效率低且加工精度很难达到超光滑表面加工的要求。近年来，以数控小工具为代表的抛光技术成为超精密光学元件加工的重要手段，但是受限于小尺度制造误修正方面的要求，抛光效率虽较传统光学加工方法大幅提高，但仍然受到限制。
专利号为CN200710072022.9的发明专利介绍了一种电容耦合式大气等离子体抛光方法，专利号为CN201310400822.4的发明专利给出了一种基于电弧放电的大气等离子体方法，这些方法均是在大气环境下利用气体辉光放电产生低温等离子体射流，利用引入的含氟活性气体与加工光学元件表面材料的化学反应进行材料的快速去除和抛光。虽然，采用此类方法均可取得高效率的抛光效果，但是由于在抛光过程中通常要引入SF6、CF4、NF3等含氟气体，反应气体于光学元件材料发生化学反应，产生材料去除，所生成的附着物，虽然大部分气化挥发，随着尾气排除，但考虑附着物与大气环境中的N、O乃至水汽等再次反应，形成次生附着物，在光学元件表面产生二次吸附。特别地，为了抑制等离子体对光学元件抛光过程中由于温度引起的变形问题，等离子体抛光过程中多采用低温等离子体，同时在抛光过程中引入降温措施，如此，都会促成二次附着物的产生和增加。二次附着物的存在带来了很多问题，如元件表面质量劣化，工艺稳定性变差等，最为严重的是，为了控制加工过程中的小尺寸误差，在等离子体抛光过程中需要对光学元件表面作用区域进行多次迭代加工，而光学元件表面二次附着层的存在，会对光学元件表面化学反应产生抑制作用，极大地影响迭代加工的效率和收敛精度。因此必须通过新的工艺方法，抑制等离子体抛光过程中二次附着物的产生。
发明内容
本发明提供一种数控小工具抛光辅助大气等离子体加工方法,以解决现有大气等离子体加工时，表面次生附着物二次吸附，光学元件表面质量严重下降，加工效率降低的问题。
为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种数控小工具抛光辅助大气等离子体加工方法，其特征在于：所述的加工方法的步骤为：
步骤一：开启对称旋转工装上的大气电弧等离子体源喷枪，以氮气为载气，含氟气体为反应气体，调节通入大气电弧等离子体源喷枪的载气和反应气体流量比，产生大气电弧等离子体射流，设定大气电弧等离子体射流对光学元件材料的高刻蚀去除率，快速去除光学元件在前期加工过程中产生的表面及亚表面缺陷，然后根据被加工原件面形要求，设定多维运动控制台的加工轨迹，对光学元件表面进行由点及面的刻蚀抛光，加工结束后，开启数控柔性小工具磨头，使之沿大气电弧等离子体源喷枪加工轨迹对光学元件表面进行研磨抛光，去除等离子加工过程中的附着物；
步骤二：同时开启大气电弧等离子体源喷枪和数控柔性小工具磨头，大气电弧等离子体源喷枪和数控柔性小工具磨头研磨的火花均作用于被加工原件的上表面上，使大气电弧等离子体射流加工作用区位于数控柔性小工具磨头研磨作用区运动方向的前侧，通过调节大气电弧等离子体源喷枪的气体流量比、缩小喷枪嘴口径的方法，使其产生的大气电弧等离子体射流对元件表面材料去除效率降至2mm3/min以下以提高加工原件表面质量；
步骤三：再次开始对被加工原件的上表面加工，在加工过程中通过多维度运动控制台和对称旋转工装的联动，使大气电弧等离子体源喷枪和数控柔性小工具磨头加工运动轨迹一致，使喷枪射流作用区位于数控柔性小工具磨头研磨作用区前端，使被加工表面在大气电弧等离子体射流刻蚀抛光后，所产生的二次附着物被数控柔性小工具磨头研磨去除，多次迭代加工后，完成光学元件的加工。
所述的氮气和含氟气体质量流量比为2:1~5:1，喷枪嘴口径为1.5~2.2mm，施加功率在300~600W。
所述的数控柔性小工具磨头抛光采用的磨头材料为聚酰亚胺，磨头进行研磨抛光时采用氧化铈作为抛光液。
所述的高刻蚀去除率为 >5mm3/min。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1、本发明方法是基于大气等离子体体加工方法，是一种非接触式的超精密加工方法，不会引入亚表层损伤；且效率较传统光学精密加工和数控小工具抛光方法高；
2、本发明方法在大气等离子体抛光方法的基础上，引入了小磨头研磨修抛，兼顾了大气等离子体抛光方法和数控小工具抛光方法的特点，利用数控柔性小工具磨头的修抛不仅有效地去除了二次吸附物，提高了加工效率，可以同时对光学元件的面形和表面粗糙度进行修正，提高面形和粗糙度的收敛精度，实现高质量加工；
3、本发明方法可针对熔石英、碳化硅、零膨胀玻璃等多种光学元件进行加工，由于本发明方法采用由点及面的加工模式，可以在多维度运动装置辅助下实现各种面形的加工，且对光学元件面积没有特别限制，可实现中大口径光学的加工。
附图说明
图1为本发明方法涉及装置的结构示意图；
图2为等电弧等离子体炬射流喷枪的结构示意图；
图3为数控柔性研磨头的结构示意图；
附图标记：1-等电弧等离子体炬射流喷枪，2-对称旋转工装，3-多维度运动控制台，4-数控柔性小工具研磨头，5-龙门支架，6-冷却抛光液管道，7-待加工光学元件，8-可调节光学元件工装支架，9-支撑平台，10-隔离屏蔽罩；
1-1-辅助气流环，1-2-等离子体源喷枪，1-3-等离子体喷嘴，1-4-分气盒，1-5-高压惰性气体入口，1-6-气环出气孔，1-7-等离子焰体；
4-1-自转电机，4-2-偏转电机，4-3-研抛盘，4-4-摆动轴，4-5-连接轴。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种数控小工具抛光辅助大气等离子体加工方法，所述方法的方法步骤为：
步骤一、开启对称旋转工装上的大气电弧等离子体源喷枪，以氮气为载气，含氟气体为反应气体，调节通入大气电弧等离子体源喷枪的载气和反应气体流量比，产生大气电弧等离子体射流，设定大气电弧等离子体射流对光学元件材料的高刻蚀去除率（>5mm3/min），快速去除光学元件在前期加工过程中产生的表面及亚表面缺陷，然后根据被加工原件面形要求，设定多维运动控制台的加工轨迹，对光学元件表面进行由点及面的刻蚀抛光，加工结束后，开启数控柔性小工具磨头，使之沿大气电弧等离子体源喷枪加工轨迹对光学元件表面进行研磨抛光，去除等离子加工过程中的附着物；
氮气与含氟气体质量流量比可在2:1~5:1范围调节，喷枪嘴口径可在1.5~2.2范围调节，施加功率在300~600W。
步骤二、同时开启大气电弧等离子体源喷枪和数控柔性小工具磨头，大气等离子体喷枪和数控柔性小工具磨头研磨的火花作用区均处于被加工原件的上表面上，并使大气电弧等离子体射流加工作用区位于数控柔性小工具磨头研磨作用区运动方向的前侧，其中，为了提高加工元件的表面质量，通过调节大气电弧等离子体喷枪的气体流量比、缩小喷枪嘴口径的方法，使其产生的大气电弧等离子体射流对元件表面材料去除效率降至2mm3/min以下；
步骤三、再次开始对被加工元件的上表面加工，在加工过程中通过多维度运动控制台和旋转对称工装的联动，保证大气等离子体喷枪和数控柔性小工具磨头加工运动轨迹一致，且喷枪射流作用区始终位于数控柔性小工具磨头研磨作用区前端，保证被加工表面在大气电弧等离子体射流刻蚀抛光后，所产生的二次附着物被数控柔性小工具磨头研磨去除，从而实现效率高质量量加工，多次迭代加工后，完成光学元件的加工。
数控柔性小工具磨头抛光方法所采用的数控柔性小工具磨头材料为聚酰亚胺，该小磨头进行研磨抛光时采用氧化铈作为抛光液，既可用于等离子体刻蚀次生生成物在元件表面的二次吸附物取出，又可作为元件的冷却液。
所述的大气电弧等离子体射流喷枪，可根据载气和含氟气体的质量流量比，等离子体源功率以及喷枪口径大小的变化调节光学元件材料的去除量，以此实现光学元件表面面形修正。
本发明方法所采用的装置包括等电弧等离子体炬射流喷枪1、对称旋转工装2、多维度运动控制台3、数控柔性小工具磨头4、龙门支架5、冷却抛光液管道6、待加工光学元件7、可调节光学元件工装支架8、支撑平台9和支撑平台10组成；
隔离屏蔽罩10罩设于支撑平台9上，所述的支撑平台9上设置有龙门支架5上，龙门支架5的下端面设置有多维度运动控制台3，多维度运动控制台3上连接有对称旋转工装2，所述的支撑平台9的凹槽内设置有可调节光学元件工装支架8，待加工光学元件7设置于可调节光学元件工装支架8上，
所述的等电弧等离子体炬射流喷枪1和数控柔性小工具磨头4设置于多维度运动控制台上的对称旋转工装2上，位于待加工光学元件7上表面；等电弧等离子体炬射流喷枪1和数控柔性小工具磨头4可通过金属铜配重调整达到重量平衡，所述对称旋转工装2可以进行对称旋转，调节大气等离子体源和数控柔性小工具磨头4。
多维度运动控制台3，可在计算机控制下实现三维度的运动联动，使得等电弧等离子体炬射流喷枪1和数控柔性小工具磨头4到达待加工光学元件7上表面的任意区域。
所述冷却抛光液管道6，可将抛光液或冷去离子水输运至待加工光学元件7上表面刻蚀区域或抛光区域，用于辅助抛光和光学元件的冷却，抑制加工过程中的温升效应，防止光学元件热应力变形。
所述待加工光学元件7材料为熔石英玻璃、零膨胀玻璃、碳化硅，面形可以是平面、球面、非球面。
所述可调节光学元件工装支架8可进行上下方向垂直调节，便于光学元件的定位、安装、夹紧。
所述支撑平台9为铸铁平台，其表面涂覆有防腐蚀涂料，避免与含氟气体产生化学反应，或产生水锈。
所述隔离屏蔽罩10采用有机玻璃材料，其目的在于隔离工作区与外部环境，隔离屏蔽罩内以0.02MPa的压力输入惰性气体，其目的在于防止其他活性气体参与到大气射流等离子体的抛光过程之中。
所述的等电弧等离子体炬射流喷枪包括上下相连接的等离子体源喷枪1-2和辅助气流环1-1，所述的辅助气流环1-1内设置有分气盒1-4，分气盒1-4与辅助气流环1-1下端的气环出气孔1-6和上端的高压惰性气体入口1-5连接，所述的辅助气流环1-1下端面的气环出气孔1-6上设置有等离子体喷嘴1-3；
所述的数控柔性小工具磨头4包括依次连接的摆动轴4-4、连接轴4-5和研抛盘4-3，摆动轴4-4上端面设置有自传电机4-1，侧面设置有偏转电机4-2，所述的自转电机4-1和偏转电机4-2的轴的摆动角度均为0-30°。
所述等离子体喷嘴1-3和研抛盘4-3与待加工光学零件7表面垂直设置，通常情况下等离子体喷嘴与原件表面非接触，初始距离在10mm，工作距离在2~5mm（视刻蚀效率调整），而研抛盘初始距离为10mm，工作时与工件表面接触。
大气等离子体源是等离子刻蚀抛光的执行部件，大气离子源基于电弧放电原理，以高纯度氮气（99.999%）为载气，施加数十KHz的脉冲电源，产生大气等离子射流，引入含氟气体至射流等离子体中产生等离子体射流1-7，使之激活后于待加工光学元件表面材料产生化学反应，进行刻蚀去除和抛光。
所述的研抛盘4-3为圆柱状，其直径为等离子体作用斑尺寸的1/5~1/10，具体分别为1mm、2mm和3mm。
所述的研抛盘4-3的材料为聚酰亚胺，该研抛盘4-3的可在计算机程序控制下进行研磨修抛，所述数控柔性小工具磨头4的作用在于研磨去除等离子体化学抛光次生生成物在待加工光学元件7表面的吸附物，所述数控柔性小工具磨头4可在多维度运动控制台3的控制下在大气等离子体源运动的正后方对其抛光后附着物进行即时去除，等离子体喷嘴1-3和研抛盘4-3之间的距离控制在30~50mm。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种数控小工具抛光辅助大气等离子体加工方法，其特征在于：所述的加工方法的步骤为：
步骤一：开启对称旋转工装上的大气电弧等离子体源喷枪，以氮气为载气，含氟气体为反应气体，调节通入大气电弧等离子体源喷枪的载气和反应气体流量比，产生大气电弧等离子体射流，设定大气电弧等离子体射流对光学元件材料的高刻蚀去除率，快速去除光学元件在前期加工过程中产生的表面及亚表面缺陷，然后根据光学元件面形要求，设定多维度运动控制台的加工轨迹，对光学元件表面进行由点及面的刻蚀抛光，加工结束后，开启数控柔性小工具磨头，使之沿大气电弧等离子体源喷枪加工轨迹对光学元件表面进行研磨抛光，去除等离子体加工过程中的附着物；
步骤二：同时开启大气电弧等离子体源喷枪和数控柔性小工具磨头，大气电弧等离子体源喷枪和数控柔性小工具磨头研磨的火花均作用于光学元件的上表面上，使大气电弧等离子体射流加工作用区位于数控柔性小工具磨头研磨作用区运动方向的前侧，通过调节大气电弧等离子体源喷枪的气体流量比、缩小喷枪嘴口径的方法，使其产生的大气电弧等离子体射流对元件表面材料去除效率降至2mm3/min以下以提高光学元件表面质量；
步骤三：再次开始对光学元件的上表面加工，在加工过程中通过多维度运动控制台和对称旋转工装的联动，使大气电弧等离子体源喷枪和数控柔性小工具磨头加工运动轨迹一致，使喷枪射流作用区位于数控柔性小工具磨头研磨作用区前端，使被加工表面在大气电弧等离子体射流刻蚀抛光后，所产生的二次附着物被数控柔性小工具磨头研磨去除，多次迭代加工后，完成光学元件的加工。
2.根据权利要求1所述的一种数控小工具抛光辅助大气等离子体加工方法，其特征在于：所述的氮气和含氟气体质量流量比为2:1~5:1，喷枪嘴口径为1.5~2.2mm，大气电弧等离子体源喷枪的施加功率为300~600W。
3.根据权利要求1或2所述的一种数控小工具抛光辅助大气等离子体加工方法，其特征在于：所述的数控柔性小工具磨头抛光采用的磨头材料为聚酰亚胺，磨头进行研磨抛光时采用氧化铈作为抛光液。
4.根据权利要求3所述的一种数控小工具抛光辅助大气等离子体加工方法，其特征在于：所述的高刻蚀去除率为 >5mm3/min。
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