CN110677972A - 用于SiC光学镜面加工的等离子体发生器及其应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于SiC光学镜面加工的等离子体发生器及其应用方法，等离子体发生器包括外壳和组合式炬管，组合式炬管包括依次嵌套的外管、中管、内管，外管套设有电感耦合线圈；应用方法为将等离子体发生器安装于三轴联动功能的数控运动平台上，运用等离子体直线扫描SiC工件的表面得出去除函数的材料去除量，通过提取和拟合材料去除量沟槽截面形状获得去除函数实验模型；根据去除函数实验模型计算驻留时间分布，设置加工路径对SiC工件的表面进行迭代加工。本发明能够降低ICP等离子体加工过程的维护难度，提高SiC光学镜面加工效率与长时间稳定性，具有加工效率高，结构简单、成本低廉、便于维护、长时间稳定性高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光学材料制造领域，具体涉及一种用于SiC光学镜面加工的等离子体发生器及其应用方法。
背景技术
SiC光学材料具有化学稳定性高、密度低、强度及弹性模量高、抗辐射性强、比刚度大、热变形系数小，可进行高反射率镀膜等良好特性。因此，SiC反射镜被越来越广泛地应用于空间天文光学、卫星遥感技术和大型地基光学系统。随着SiC反射镜应用领域越来越广泛，其与日剧增的需求量给SiC反射镜的高效加工提出全新挑战。目前，SiC反射镜的传统加工流程是粗磨成形、研磨、改性、抛光等几道工序。改性前是对SiC基体的加工，改性后是对改性层的加工。改性前对基体的磨削和研磨加工中，占了整个加工周期一半以上的时间。并且SiC材料硬度大，传统靠机械研磨抛光方式加工材料去除效率非常低、加工周期长。
针对SiC材料硬度大，加工效率低的特点，国内外有研究采用超声振动磨削和了大气等离子体加工。超声振动磨削，虽然能一定程度上提高加工效率，但存在砂轮磨损的问题。然而，大气等离子体加工方式，利用等离子体激发出的高活性反应原子与被加工元件表面原子发生化学反应，生成强挥发性的气体生成物，从而实现工件材料原子量级去除的加工方式。以加工SiC材料为例，反应气体NF3，CF4，O2或者SF6在等离子体氛围中被激发成各种具有活性的自由基和激发态的F*或O*原子，自由基和F*原子或O*扩散到SiC材料表面，反应生成气态CO2，SiF4等气态生成物从工件表面逸出，达到SiC材料表面材料高效去除的目的。大气等离子体加工是可控化学反应过程，去除函数稳定，不存在传统加工砂轮磨损、磨头磨损等问题，是一种无损伤的加工方式。同时通过研究发现大气等离子体加工还具备去损伤能力，能有效去除机械加工后残留的表面及亚表面损伤。因此，近年来世界各国研究的大气等离子体加工技术有：日本大阪大学的等离子体化学蒸发加工技术(PCVM)、哈尔滨工业大学的大气等离子体抛光方法(APPP)，美国Lawrence Livermore实验室的反应原子等离子体抛光技术(RAPT)和国防科技大学公布了专利号为CN103456610的一种SiC光学材料加工设备。常用的等离子体发生器类型可以分为电容耦合型等离子体(CCP)和电感耦合型等离子体(ICP)。其中，PCVM和APPP均是采用CCP等离子体发生方法产生可用于加工的等离子体，并研制了相应的等离子体发生器和加工设备，而RAPT和国防科技大学的SiC光学材料加工设备则采用普通ICP等离子体发生器产生等离子体。
目前，从等离子体加工效率来说，普通ICP等离子体加工方法可以使用更大的功率，因此等离子体的电离程度更高，活性粒子的浓度更高，可实现效率高于CCP等离子体的加工，同时，无电极存在可以避免电极的腐蚀对加工材料的污染；然而，对于SiC这种高硬度材料，普通ICP等离子体的加工效率还是偏低的。从ICP等离子体发生器结构来说，普通ICP等离子体发生器采用一体式石英炬管；一体式石英炬管会因为ICP等离子体加工时的热量累积导致炬管易炸裂而报废，很难适应长时间加工，而且维护难度和成本都很高。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种用于SiC光学镜面加工的等离子体发生器及其应用方法，本发明能够降低ICP等离子体加工过程的维护难度，提高SiC光学镜面加工效率与长时间稳定性，具有加工效率高，结构简单、成本低廉、便于维护、长时间稳定性高的优点。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
本发明提供一种用于SiC光学镜面加工的等离子体发生器，包括外壳和安装于外壳内的组合式炬管，所述组合式炬管包括外管和依次嵌套在外管入口端的中管和内管，所述外管的中部外壁上套设有电感耦合线圈，所述外管的出口端设有拉瓦尔喷嘴，所述外管、中管之间的空隙形成冷却气体流入通道，所述中管、内管之间的空隙形成激发气体流入通道，所述内管的内腔形成反应气体流入通道。
可选地，所述组合式炬管的外壁上套设固定有炬管安装板，所述外管、中管、内管分别安装固定在炬管安装板上，所述组合式炬管通过炬管安装板安装在外壳的内腔中轴线上。
可选地，所述电感耦合线圈为内部带有第一水冷循环通道的铜管，且通过炬管安装板安装在组合式炬管出口端外围且两者之间留有隔热间隙。
可选地，所述拉瓦尔喷嘴采用铜质材料制成。
可选地，所述拉瓦尔喷嘴的外侧设有喷嘴外壳，所述喷嘴外壳上固定有喷嘴安装板，所述拉瓦尔喷嘴通过喷嘴安装板固定在喷嘴外壳的内腔中轴线上、且通过喷嘴安装板与外壳密封连接并与组合式炬管保持中心轴共线。
可选地，所述拉瓦尔喷嘴的外壁和喷嘴外壳的内壁之间形成冷却空腔，所述外壳中设有壳体空腔，所述壳体空腔、冷却空腔连通形成第二水冷循环通道。
可选地，所述外管的外壁上还设有第一通气入口，所述第一通气入口形成冷却气体流入通道，所述中管的外壁上还设有第二通气入口，所述第二通气入口形成激发气体流入通道，所述内管的外壁上还设有第三通气入口，所述第三通气入口形成反应气体流入通道。
本发明还提供一种前述用于SiC光学镜面加工的等离子体发生器的应用方法，实施步骤包括：
1)将所述用于SiC光学镜面加工的等离子体发生器安装于三轴联动功能的数控运动平台上，运用等离子体直线扫描SiC工件的表面得出去除函数的材料去除量，通过提取和拟合材料去除量沟槽截面形状获得去除函数实验模型；
2)根据去除函数实验模型计算驻留时间分布，设置加工路径；
3)通过所述用于SiC光学镜面加工的等离子体发生器对SiC工件的表面进行迭代加工。
可选地，步骤1)中获取去除函数实验模型的详细步骤包括：
1.1)通过所述用于SiC光学镜面加工的等离子体发生器以指定的运动速度v沿SiC工件的表面的Y轴方向直线扫描加工出一条沟槽，通过立式干涉仪得出测量沟槽的截面形状数据；
1.2)在得到沟槽的截面形状数据的基础上拟合式(4)得到沟槽截面形状深度Ax、去除函数实验模型的高斯分布参数σx的值，然后再根据式(5)得出在运动速度v下的去除函数实验模型；
式(4)中，G(x)为X轴方向上的沟槽截面形状函数，Ax为沟槽截面形状深度，σx为去除函数实验模型的高斯分布参数，x为坐标(x,y)处的横坐标；
式(5)中，R(x,y)表示坐标(x,y)处的材料去除量，Ax为沟槽截面形状深度，v为等离子体发生器的运动速度，σx为去除函数实验模型的高斯分布参数。
可选地，步骤2)中根据去除函数实验模型计算驻留时间分布具体是指运用脉冲迭代法计算驻留时间分布τ(x,y)，且运用脉冲迭代法计算驻留时间分布τ(x,y)的详细步骤包括：
2.1)根据SiC工件的已知面形的材料去除量分布建立材料去除量矩阵R，在得到去除函数实验模型的基础上确定去除函数矩阵G和去除函数强度Br；
2.2)设置初始驻留时间T0的值为R/Br、残差为E0的值为
其中，R为材料去除量矩阵，Br为去除函数强度，G为去除函数矩阵；
2.3)计算k个驻留点的驻留时间校正量Δk的值为Ek/Br；其中，Ek为k个驻留点的残差矩阵，Br为去除函数强度；
2.4)校正k+1个驻留点的驻留时间Tk+1的值为Tk+ζ·Δk；其中，Tk为k个驻留点的驻留时间，ζ为松弛因子，Δk为k个驻留点的驻留时间校正量；
2.5)计算残差矩阵Ek+1的值为
其中，Ek+1为k+1个驻留点的残差矩阵，Br为去除函数强度，R为材料去除量矩阵，Tk+1为k+1个驻留点的驻留时间，G为去除函数矩阵；
2.6)判断k+1个驻留点的驻留时间Tk+1和残差矩阵Ek+1是否满足要求，不满足则重复步骤2.3)；否则迭代结束，得到所有驻留点的驻留时间构成的驻留时间分布τ(x,y)。
本发明用于SiC光学镜面加工的等离子体发生器具有下述优点：本发明的等离子体发生器包括外壳和安装于外壳内的组合式炬管，组合式炬管包括外管和依次嵌套在外管入口端的中管和内管，外管的中部外壁上套设有电感耦合线圈，外管的出口端设有拉瓦尔喷嘴，可在拉瓦尔喷嘴处形成电弧增强等离子体，能够降低ICP等离子体加工过程的维护难度，提高SiC光学镜面加工效率与长时间稳定性，具有加工效率高，结构简单、成本低廉、便于维护、长时间稳定性高的优点。
本发明用于SiC光学镜面加工的等离子体发生器的应用方法具有下述优点：本发明用于SiC光学镜面加工的等离子体发生器的应用方法的特点是应用于SiC光学镜面加工时能产生电弧增强的等离子体，获得峰值去除率高且半峰全宽小的去除函数。该方法利用直线扫描实验方法获取去除函数实验模型，运用脉冲迭代法计算出精确驻留时间分布，然后设置加工路径，提高单次加工收敛比，从而提高整个迭代加工过程的效率。
附图说明
图1为本发明实施例等离子体发生器的原理结构示意图。
图2为本发明实施例等离子体发生器的立体结构示意图。
图3为本发明实施例等离子体发生器的主视结构示意图。
图4为图3的A-A剖视结构示意图。
图5为本发明实施例中组合式炬管的立体结构示意图。
图6为现有技术的普通ICP等离子体直线扫描实验获得的材料去除量。
图7为现有技术的普通ICP等离子体直线扫描实验获得的去除深度(横截面沟槽)。
图8为本发明实施例等离子体发生器直线扫描获得的材料去除量。
图9为本发明实施例等离子体发生器直线扫描获得的去除深度(横截面沟槽)。
图10为本发明实施例中得到的去除函数实验模型。
图11为本发明实施例中得到的驻留时间分布。
图12为现有的普通光栅加工路径。
图13为本发明实施例中的中嵌套式光栅加工路径。
图14为SiC光学镜面采用现有技术的普通ICP等离子体加工的初始面形。
图15为SiC光学镜面采用现有技术的普通ICP等离子体加工后的面形。
图16为本发明实施例中SiC光学镜面电弧增强等离子体加工的初始面形。
图17为本发明实施例中SiC光学镜面电弧增强等离子体加工后的面形。
图例说明：1、外壳；11、壳体空腔；2、组合式炬管；20、炬管安装板；21、外管；211、第一通气入口；22、中管；221、第二通气入口；23、内管；231、第三通气入口；24、电感耦合线圈；25、拉瓦尔喷嘴；26、喷嘴外壳；261、喷嘴安装板；262、冷却空腔；3、射频电源；4、功率匹配器。
具体实施方式
如图1、图2、图3和图4所示，本实施例提供一种用于SiC光学镜面加工的等离子体发生器，包括外壳1和安装于外壳1内的组合式炬管2，组合式炬管2包括外管21和依次嵌套在外管21入口端的中管22和内管23，外管21的中部外壁上套设有电感耦合线圈24，外管21的出口端设有拉瓦尔喷嘴25，外管21、中管22之间的空隙形成冷却气体流入通道(图1中a所示)，中管22、内管23之间的空隙形成激发气体流入通道(图1中b所示)，内管23的内腔形成反应气体流入通道(图1中c所示)，本实施例提用于SiC光学镜面加工的等离子体发生器可在拉瓦尔喷嘴25处形成电弧增强等离子体(图1中d所示)。
本实施例中，外壳1为铝材料，设置为空腔结构。
如图4所示，组合式炬管2的外壁上套设固定有炬管安装板20，外管21、中管22、内管23分别安装固定在炬管安装板20上，组合式炬管2通过炬管安装板20安装在外壳1的内腔中轴线上，简单方便，易于装卸，便于外管21、中管22、内管23单独更换和维护。
本实施例中，外管21为石英材料，耐高温效果良好，提高组合式炬管2高温加工的稳定性。中管22采用不锈钢材料且下端开口设置成喇叭状，提高管道内部气流速度，进而使得激发气体更加容易电离。在等离子体束接触SiC工件表面时，不锈钢的中管22和SiC光学镜面会形成电极，产生放电现象，而放电使得SiC材料的Si-C键更容易断裂，Si-F键更容易形成，降低了反应所需要的能量，使得反应更加容易进行，从而提高了材料去除率，进而提高了加工效率。实验验证得出，这种放电现象可以大幅提高等离子加工的效率，在相同条件下，电弧增强的等离子体加工效率高出普通等离子体加工效率的几倍，如图6～图9所示，相同加工条件下，普通等ICP离子体直线扫描实验去除深度为89.5nm，半峰全宽为15.73mm，去除效率为0.27μ/min；而电弧增强等离子体直线扫描实验去除深度为604.7nm，半峰全宽为5.27mm，体积去除率为5.36μ/min；因此，本实施例设备所产生的电弧增强等离子体可实现SiC光学镜面较普通等ICP离子体更高效的加工。本实施例中，内管23为刚玉材料，而刚玉不与活性F*发生反应，与提高了内管抗F*的腐蚀能力。
本实施例中，电感耦合线圈24为内部带有第一水冷循环通道的铜管，且通过炬管安装板20安装在组合式炬管2出口端外围且两者之间留有隔热间隙。第一水冷循环通道用来冷却射频功率耦合产热，能够防止组合式炬管2炸裂、提高电弧增强等离子体加工的稳定性并且可延长炬管的使用寿命，能够抑制等离子体加工过程热量的累积，降低等离子体温度，防止温度过高影响等离子体加工的稳定性；电感耦合线圈24通过炬管安装板20安装在组合式炬管2出口端外围且两者之间留有隔热间隙，能够避免电感耦合线圈24工作产生的热量直接传导给外管21引起炸裂。
本实施例中，拉瓦尔喷嘴25采用铜质材料制成，可避免射频电磁场功率耦合至拉瓦尔喷嘴25上而导致激发的等离子体熄灭，从而提高等离子体加工的稳定性。
如图4所示，拉瓦尔喷嘴25的外侧设有喷嘴外壳26，喷嘴外壳26上固定有喷嘴安装板261，拉瓦尔喷嘴25通过喷嘴安装板261固定在喷嘴外壳26的内腔中轴线上、且通过喷嘴安装板261与外壳1密封连接并与组合式炬管2保持中心轴共线。
本实施例中，喷嘴外壳26为铝材料。
如图4所示，拉瓦尔喷嘴25的外壁和喷嘴外壳26的内壁之间形成冷却空腔262，外壳1中设有壳体空腔11，壳体空腔11、冷却空腔262连通形成第二水冷循环通道。第二水冷循环通道用来冷却等离子体发生器整体产热，能够抑制等离子体加工过程热量的累积，降低等离子体温度，防止温度过高影响等离子体加工的稳定性。作为一种可选的实施特例，本实施例中壳体空腔11、冷却空腔262之间通过塑料管保持连通。
如图5所示，外管21的外壁上还设有第一通气入口211，第一通气入口211形成冷却气体流入通道，中管22的外壁上还设有第二通气入口221，第二通气入口221形成激发气体流入通道，内管23的外壁上还设有第三通气入口231，第三通气入口231形成反应气体流入通道，通过上述结构能够增加通气量，提高加工性能。本实施例中，外管21、中管22之间的空隙以及第一通气入口211共同形成冷却气体流入通道，向外管21通入大流量的冷却气体Ar，使等离子体产生的热量随着气流排出；中管22、内管23之间的空隙以及第二通气入口221共同形成激发气体流入通道，向中管22中通入小流量的等离子激发气体Ar；第三通气入口231和内管23的内腔6向内管23通入反应气体SF6与小流量Ar混合气体。
本实施例中，电感耦合线圈24连接有激励单元，激励单元还包括射频电源3和功率匹配器4，射频电源3的输出端通过功率匹配器4与电感耦合线圈24的线圈端子相连。系统工作时，功率匹配器4将射频电源3输出功率匹配到电感耦合线圈24上，然后电感耦合线圈24产生高频感应电磁场使激发气体Ar激发反应气体SF6产生稳定得等离子体。
本实施例前述用于SiC光学镜面加工的等离子体发生器的应用方法的实施步骤包括：
1)将所述用于SiC光学镜面加工的等离子体发生器安装于三轴联动功能的数控运动平台上，运用等离子体直线扫描SiC工件的表面得出去除函数的材料去除量，通过提取和拟合材料去除量沟槽截面形状获得去除函数实验模型；
2)根据去除函数实验模型计算驻留时间分布，设置加工路径；
3)通过用于SiC光学镜面加工的等离子体发生器对SiC工件的表面进行迭代加工。
将本实施例前述用于SiC光学镜面加工的等离子体发生器安装于三轴联动功能的数控运动平台上即可用于完成XYZ三轴联动加工，基于等离子体发生器加工SiC光学镜面时产生电弧增强的等离子体，获取高效率的去除函数，计算驻留时间，设置加工路径即可以实现SiC光学镜面电弧增强等离子体的高效加工。
本实施例中，步骤1)中获取去除函数实验模型的详细步骤包括：
1.1)通过所述用于SiC光学镜面加工的等离子体发生器以指定的运动速度v沿SiC工件的表面的Y轴方向直线扫描加工出一条沟槽，通过立式干涉仪得出测量沟槽的截面形状数据，如图5所示；本实施例中，指定的运动速度v具体为50mm/min。
参见图8和图9，可看出本实施例中通过等离子体发生器以指定的运动速度v沿SiC工件的表面的Y轴方向直线扫描加工出一条沟槽获得的材料去除量与去除深度。作为对比，图6为普通ICP等离子体直线扫描实验获得的材料去除量，图7为普通ICP等离子体直线扫描实验获得的去除深度。对比图6、7和图8、9可知，本实施例中通过等离子体发生器在SiC光学镜面产生的去除函数的峰值去除效高且半峰全宽较小。
1.2)在得到沟槽的截面形状数据的基础上拟合式(4)得到沟槽截面形状深度Ax、去除函数实验模型的高斯分布参数σx的值，然后再根据式(5)得出在运动速度v下的去除函数实验模型；
式(4)中，G(x)为X轴方向上的沟槽截面形状函数，Ax为沟槽截面形状深度，σx为去除函数实验模型的高斯分布参数，x为坐标(x,y)处的横坐标；
式(5)中，R(x,y)表示坐标(x,y)处的材料去除量，Ax为沟槽截面形状深度，v为等离子体发生器的运动速度，σx为去除函数实验模型的高斯分布参数。
SiC工件的X轴方向上的沟槽截面形状函数G(x)的理论模型可描述为式(1)；
式(1)中，R(x,y)表示坐标(x,y)处的材料去除量，v为等离子体发生器的运动速度。
而典型高斯形去除函数可以描述为式(2)；
式(2)中，R(x,y)表示坐标(x,y)处的材料去除量，A是峰值去除速率，σ为去除函数的高斯分布参数。将式(3)代入式(1)则有式(3)；
式(3)中各参量可参见式(1)和式(2)。
因此，沟槽截面形状函数G(x)经高斯拟合为式(4)。
本实施例中，通过立式干涉仪得出测量沟槽截面形状数据后根据式(4)拟合得到的沟槽截面形状函数G(x)为：
即：沟槽截面形状深度Ax的值为0.604，去除函数实验模型的高斯分布参数σx的值为2.24。在此基础上，即可根据式(5)可得在运动速度v下的去除函数实验模型为：
上述运动速度v下的去除函数实验模型如图10所示。
如图6～图9所示，针对本发明中等离子发生器在SiC光学镜面产生的去除函数的峰值去除效高，且半峰全宽较小，因此，可利用脉冲迭代法计算驻留时间分布τ(x,y)。本实施例中，步骤2)中根据去除函数实验模型计算驻留时间分布具体是指运用脉冲迭代法计算驻留时间分布τ(x,y)，且运用脉冲迭代法计算驻留时间分布τ(x,y)的详细步骤包括：
2.1)根据SiC工件的已知面形的材料去除量分布(根据如图16所示的初始面形确定)建立材料去除量矩阵R，在得到去除函数实验模型的基础上确定去除函数矩阵G和去除函数强度Br；
2.2)设置初始驻留时间T0的值为R/Br、残差为E0的值为其中，R为材料去除量矩阵，Br为去除函数强度，G为去除函数矩阵；
2.3)计算k个驻留点的驻留时间校正量Δk的值为Ek/Br；其中，Ek为k个驻留点的残差矩阵，Br为去除函数强度；
2.4)校正k+1个驻留点的驻留时间Tk+1的值为Tk+ζ·Δk；其中，Tk为k个驻留点的驻留时间，ζ为松弛因子，Δk为k个驻留点的驻留时间校正量；松弛因子ζ用来控制残留误差收敛的速率，松弛因子ζ越大，残差收敛越快，反之残差收敛较慢，松弛因子一般取ζ≤1。
2.5)计算残差矩阵Ek+1的值为
其中，Ek+1为k+1个驻留点的残差矩阵，Br为去除函数强度，R为材料去除量矩阵，Tk+1为k+1个驻留点的驻留时间，G为去除函数矩阵；
2.6)判断k+1个驻留点的驻留时间Tk+1和残差矩阵Ek+1是否满足要求，不满足则重复步骤2.3)；否则迭代结束，得到所有驻留点的驻留时间构成的驻留时间分布τ(x,y)。本实施例中最终计算得出的驻留时间如图11所示。
实现SiC光学镜面的电弧增强等离子体反应高效加工，除需要求解准确的驻留时间分布τ(x,y)外，还需要合理规划加工路径，以提高等离子体高效加工方法的稳定性。电弧增强等离子体高效加工过程中，温度对加工效率影响较大，传统的光栅路径，如图12所示，普通光栅加工路径的路径间栅距很小，随着加工时间的推移，加工温度逐渐增大，造成去除函数加工效率升高。另一方面，随着加工时间的增加，SiC工件自身温度随之升高，继而将影响加工过程中的去除函数的加工效率稳定性。因此。针对这一问题，本实施例方法采用嵌套光栅扫描路径，如图13所示，本实施例中嵌套式光栅加工路径中相邻路径之间的栅距可以根据实际加工工件的大小尺寸调整，以利于平衡加工产热量，均衡加工时镜面的温度分布，继而提高电弧增强等离子体去除函数加工效率稳定性。
本实施例中，最终将计算的驻留时间和设置的光栅路径转化成为CNC数控代码，然后进行SiC光学镜面加工。根据加工后的面形收敛情况，如图14所示，SiC工件的初始面形为：PV 108.5nm,RMS 28.5nm,
普通等离子体经过10分钟加工，如图15所示，加工后面形为：PV 72nm,RMS 15.2nm，因此加工面形28.5nm RMS到15.2nm RMS，收敛比为1.87。如图16所示，SiC工件的初始面形为：PV 220nm,RMS 58nm,
用本实施例方法经过8分钟加工，如图17所示，加工后面形为：PV 166nm,RMS 19nm，面形从68nm RMS到19nm RMS，收敛比为3.58，面形不仅实现了快速收敛，而且收敛比提高了将近1倍。如果加工面形不收敛或者没有达到加工要求，再次设定材料去除量，计算驻留时间，设置光栅路径，进行迭代加工，直至加工结果满足加工要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于SiC光学镜面加工的等离子体发生器，其特征在于：包括外壳(1)和安装于外壳(1)内的组合式炬管(2)，所述组合式炬管(2)包括外管(21)和依次嵌套在外管(21)入口端的中管(22)和内管(23)，所述外管(21)的中部外壁上套设有电感耦合线圈(24)，所述外管(21)的出口端设有拉瓦尔喷嘴(25)，所述外管(21)、中管(22)之间的空隙形成冷却气体流入通道，所述中管(22)、内管(23)之间的空隙形成激发气体流入通道，所述内管(23)的内腔形成反应气体流入通道。
2.根据权利要求1所述的用于SiC光学镜面加工的等离子体发生器，其特征在于：所述组合式炬管(2)的外壁上套设固定有炬管安装板(20)，所述外管(21)、中管(22)、内管(23)分别安装固定在炬管安装板(20)上，所述组合式炬管(2)通过炬管安装板(20)安装在外壳(1)的内腔中轴线上。
3.根据权利要求2所述的用于SiC光学镜面加工的等离子体发生器，其特征在于：所述电感耦合线圈(24)为内部带有第一水冷循环通道的铜管，且通过炬管安装板(20)安装在组合式炬管(2)出口端外围且两者之间留有隔热间隙。
4.根据权利要求1所述的用于SiC光学镜面加工的等离子体发生器，其特征在于：所述拉瓦尔喷嘴(25)采用铜质材料制成。
5.根据权利要求1所述的用于SiC光学镜面加工的等离子体发生器，其特征在于：所述拉瓦尔喷嘴(25)的外侧设有喷嘴外壳(26)，所述喷嘴外壳(26)上固定有喷嘴安装板(261)，所述拉瓦尔喷嘴(25)通过喷嘴安装板(261)固定在喷嘴外壳(26)的内腔中轴线上、且通过喷嘴安装板(261)与外壳(1)密封连接并与组合式炬管(2)保持中心轴共线。
6.根据权利要求5所述的用于SiC光学镜面加工的等离子体发生器，其特征在于：所述拉瓦尔喷嘴(25)的外壁和喷嘴外壳(26)的内壁之间形成冷却空腔(262)，所述外壳(1)中设有壳体空腔(11)，所述壳体空腔(11)、冷却空腔(262)连通形成第二水冷循环通道。
7.根据权利要求1所述的用于SiC光学镜面加工的等离子体发生器，其特征在于：所述外管(21)的外壁上还设有第一通气入口(211)，所述第一通气入口(211)形成冷却气体流入通道，所述中管(22)的外壁上还设有第二通气入口(221)，所述第二通气入口(221)形成激发气体流入通道，所述内管(23)的外壁上还设有第三通气入口(231)，所述第三通气入口(231)形成反应气体流入通道。
8.一种权利要求1～7中任意一项所述的用于SiC光学镜面加工的等离子体发生器的应用方法，其特征在于实施步骤包括：
1)将所述用于SiC光学镜面加工的等离子体发生器安装于三轴联动功能的数控运动平台上，运用等离子体直线扫描SiC工件的表面得出去除函数的材料去除量，通过提取和拟合材料去除量沟槽截面形状获得去除函数实验模型；
2)根据去除函数实验模型计算驻留时间分布，设置加工路径；
3)通过所述用于SiC光学镜面加工的等离子体发生器对SiC工件的表面进行迭代加工。
9.根据权利要求8所述的用于SiC光学镜面加工的等离子体发生器的应用方法，其特征在于，步骤1)中获取去除函数实验模型的详细步骤包括：
1.1)通过所述用于SiC光学镜面加工的等离子体发生器以指定的运动速度v沿SiC工件的表面的Y轴方向直线扫描加工出一条沟槽，通过立式干涉仪得出测量沟槽的截面形状数据；
1.2)在得到沟槽的截面形状数据的基础上拟合式(4)得到沟槽截面形状深度Ax、去除函数实验模型的高斯分布参数σx的值，然后再根据式(5)得出在运动速度v下的去除函数实验模型；
式(4)中，G(x)为X轴方向上的沟槽截面形状函数，Ax为沟槽截面形状深度，σx为去除函数实验模型的高斯分布参数，x为坐标(x,y)处的横坐标；
式(5)中，R(x,y)表示坐标(x,y)处的材料去除量，Ax为沟槽截面形状深度，v为等离子体发生器的运动速度，σx为去除函数实验模型的高斯分布参数。
10.根据权利要求8所述的用于SiC光学镜面加工的等离子体发生器的应用方法，其特征在于，步骤2)中根据去除函数实验模型计算驻留时间分布具体是指运用脉冲迭代法计算驻留时间分布τ(x,y)，且运用脉冲迭代法计算驻留时间分布τ(x,y)的详细步骤包括：
2.1)根据SiC工件的已知面形的材料去除量分布建立材料去除量矩阵R，在得到去除函数实验模型的基础上确定去除函数矩阵G和去除函数强度Br；
2.2)设置初始驻留时间T0的值为R/Br、残差为E0的值为
其中，R为材料去除量矩阵，Br为去除函数强度，G为去除函数矩阵；
2.3)计算k个驻留点的驻留时间校正量Δk的值为Ek/Br；其中，Ek为k个驻留点的残差矩阵，Br为去除函数强度；
2.4)校正k+1个驻留点的驻留时间Tk+1的值为Tk+ζ·Δk；其中，Tk为k个驻留点的驻留时间，ζ为松弛因子，Δk为k个驻留点的驻留时间校正量；
2.5)计算残差矩阵Ek+1的值为
其中，Ek+1为k+1个驻留点的残差矩阵，Br为去除函数强度，R为材料去除量矩阵，Tk+1为k+1个驻留点的驻留时间，G为去除函数矩阵；
2.6)判断k+1个驻留点的驻留时间Tk+1和残差矩阵Ek+1是否满足要求，不满足则重复步骤2.3)；否则迭代结束，得到所有驻留点的驻留时间构成的驻留时间分布τ(x,y)。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200110 |