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CN111644906B - 一种高精度超薄光学零件增厚-光胶-对称减薄加工方法 - Google Patents

一种高精度超薄光学零件增厚-光胶-对称减薄加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高精度超薄光学零件的增厚‑光胶‑对称减薄加工方法,包括如下步骤:切片;退火;双面研磨;A面研磨;沥青环抛A面;光胶A面;B面研磨;沥青环抛B面。本发明的退火方式可以使毛坯材料中的残余应力按照中间面对称的形式分布。由于经过零件的残余应力是关于中间面对称分布的,若零件两端面的去除量不同则会导致应力释放不对称,从而导致零件翘曲变形。本发明的双面研磨工艺可以控制零件两端面的平行度精度,同时保证去除过程中两端面的减薄量是相等的。本发明采用两端面依次减薄环抛与光胶粘接配合的方法对平面度进行加工和控制。本发明可以加工超薄、高精度平行度、高精度平面度及低表面粗糙度的高质量光学零件。

Description

一种高精度超薄光学零件增厚-光胶-对称减薄加工方法
技术领域
本发明属于光学加工领域,涉及一种高精度超薄光学零件的精密加工方法。
背景技术
超薄光学零件具有质量轻、热梯度小等优点,被广泛应用于具有轻量化、小型化和高热稳定性要求的新型光学系统中,随着光学系统设计性能要求的不断提升,对超薄光学零件的加工精度和质量要求也越来越高,例如,碟片激光器泵浦系统需要精度和质量要求极高的超薄零件。
平行度、平面度以及表面粗糙度是光学零件的主要加工指标,对零件性能有重要的影响。目前,采用化学机械抛光技术,大部分光学零件的表面粗糙度能够满足工作需求。然而,平行度与平面度的控制仍旧是超薄光学零件加工的技术难题之一。在一般的光学加工中,控制平行度最有效的方法是双面研磨抛光技术。但是采用双面研磨抛光时,要求游星轮的厚度必须小于零件厚度,当零件与游星轮厚度过小时,极易造成游星轮因强度不足被撕裂。另一方面,零件容易窜出游星轮被挤碎,从而使整盘零件报废。此外,仅采用双面研磨抛光技术无法使超薄光学零件平面度达到亚微米级甚至纳米级精度。因此,高精度光学零件仍旧大量依赖传统的沥青环抛技术进行单面加工。然而在超薄光学零件的沥青环抛过程中,由于零件厚度极小,刚度弱,内应力和胶结应力的释放会导致零件在下盘后发生翘曲变形,工件平面度控制困难。
专利CN109824248A介绍了一种超薄石英片的精密加工方法,采用两端面分别减薄配合光胶环抛的方法可以加工出高精度的平面度与表面粗糙度,但是该专利没有提出超薄零件平行度的控制手段。专利CN102528645A介绍了一种大尺寸超薄石英玻璃片双面抛光加工方法,利用经过平整处理的游星轮防止超薄石英玻璃片窜出,提高工艺的成品率。该工艺方法使用了双面研磨抛光工艺,可以很好的控制零件的平行度,但是双面研磨抛光工艺无法实现高平面度超薄光学零件的加工。专利CN1740106通过调整抛光液组分以及工艺参数控制超薄光学零件的平面度以及表面粗糙度,但是并没有关于平行度的控制方法,也没有提出如何消除零件变形的影响,因此并不能加工高精度的超薄光学零件。
综上,超薄光学零件高精度平行度、平面度以及表面粗糙度的全面控制尚无有效的工艺方法。超薄光学零件平行度控制的主要难点在于双面研磨抛光时,零件与游星轮厚度过小,容易引起游星轮的撕裂及零件窜出;平面度控制的主要难点在于,双面研磨抛光技术没有平面度控制手段,而采用单面沥青环抛时,由于零件厚度过小,内应力及胶结应力的释放引起超薄零件翘曲变形,使已经加工好的零件平面度再次恶化。
本发明提出了一种增厚-光胶-对称减薄方法,可以在零件较厚的状态时通过双面研磨控制其两端面的平行度,并且。采用本发明中提出的工艺方法,可以加工高精度平行度、平面度及表面粗糙度的超薄光学零件。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题,本发明要设计一种可以有效地解决内应力释放引起的变形问题,同时可以避免粘接胶固化收缩引起的胶结应力的高精度超薄光学零件的增厚-光胶-对称减薄加工方法,达到精密光学、机械、电子等系统对超薄零件提出的亚微米级平行度、纳米级平面度以及亚纳米级粗糙度的指标要求。
为了实现上述目的,本发明的技术方案如下:一种高精度超薄光学零件的增厚-光胶-对称减薄加工方法,包括如下步骤:
第一步,切片:选取圆柱形毛坯材料,将圆柱形毛坯材料外圆直径滚磨至要求尺寸。将滚磨后的毛坯材料平行于端面切割成厚度h0的圆片毛坯,厚度2h<h0<3h,其中h为超薄零件指标厚度,h0和h的单位为cm。
第二步,退火:将圆片毛坯的外圆柱面用石英棉覆盖绝热,两端面用高热导率材料覆盖,然后将圆片毛坯放入退火炉中进行退火。退火温度区间设置为990~1200℃,在退火温度区间保温时间达到t=520(h0/2)2min,关闭退火炉电源等待冷却至室温后取出。
第三步,双面研磨:将退火后的圆片毛坯放入游星轮中进行双面研磨,圆片毛坯的上下端面同时开始减薄,保证上下两端面减薄量相同;研磨盘选用金刚石固结磨料研磨盘、铸铁研磨盘、复合铜盘或复合锡盘;研磨时,金刚石固结磨料研磨盘搭配纯水进行研磨,其他研磨盘搭配碳化硅或氧化铝研磨粉进行研磨。双面研磨时,将圆片毛坯的两端面平行度控制在0.06μm/mm以下,研磨后零件剩余厚度大于游星轮最小厚度0.1~0.2mm。
第四步,A面研磨:用沥青或火漆将圆片毛坯的B面粘接于载物盘上,粘接采用点胶方式,圆片毛坯平铺于载物盘上。粘接后用一级精度光学平晶压在圆片毛坯上方保持平稳加载,光学平晶覆盖住每一片圆片毛坯,放入保温箱保温1小时,温度设置为60℃。冷却后采用第三步所述研磨工具单面研磨圆片毛坯的A面,对A面进行研磨,研磨后圆片毛坯剩余厚度为1.55h。所述A面为圆片毛坯的一个端面,B面为圆片毛坯的另一个端面;
第五步,沥青环抛A面:保持第四步研磨减薄后的圆片毛坯在盘,采用沥青环抛的方式对圆片毛坯进行抛光,抛光液为0.3μm氧化铝、浓度为7%,去除量0.05h,根据圆片毛坯面形调节校正盘位置,使A面的平面度加工至指标要求,圆片毛坯剩余厚度为1.5h。
第六步,光胶A面:经过第五步后,将圆片毛坯的A面光胶至高精度光胶垫板上,要求完全贴合,贴合面不允许有干涉条纹及气泡。
第七步,B面研磨:采用第四步所述方法单面研磨B面,厚度减薄量0.45h。
第八步,沥青环抛B面:采用第五步所述方法对圆片毛坯的B面进行抛光,去除量0.05h,且使B面的平面度加工至指标要求,圆片毛坯剩余厚度为h,即为超薄零件成品。
进一步地,所述的高热导率材料包括氧化铝陶瓷板或氧化锆陶瓷板。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
1、按照本发明所描述的退火方式可以使毛坯材料中的残余应力按照中间面对称的形式分布。
2、由于经过零件的残余应力是关于中间面对称分布的,若零件两端面的去除量不同则会导致应力释放不对称,从而导致零件翘曲变形。本发明的双面研磨工艺可以控制零件两端面的平行度精度,同时保证去除过程中两端面的减薄量是相等的。在本发明的工艺过程中,双面研磨时,零件仍然具备一定的厚度,一方面可以防止因游星轮过薄而导致撕裂或者窜片,另一方面可以避免由于零件过薄引起的不可控变形。由于超薄光学零件刚度极弱,粘接胶或石蜡固化收缩同样会造成零件的变形,因此为了避免内应力和胶结应力导致的变形恶化已经加工好的平面度,本发明中采用两端面依次减薄环抛与光胶粘接配合的方法对平面度进行加工和控制。
3、通过本发明提出的工艺路线,可以加工超薄、高精度平行度、高精度平面度及低表面粗糙度的高质量光学零件。
附图说明
图1是本发明的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1所示,以石英玻璃为例,本发明包括以下步骤:
第一步,石英毛坯材料切割成直径15mm,厚度0.8mm的圆片。
第二步,将毛坯材料放入退火炉中进行退火。并列摆放在氧化铝陶瓷盘上,侧面用石英棉包裹隔热,上表面用氧化铝陶瓷盘盖住。首先在1100℃保温120min,然后以20℃/h降温至950℃,后关闭退火炉,使零件随炉冷却至室温。
第三步,将圆片放入游星轮中进行双面研磨,上下端面同时开始减薄,保证上下两端面减薄量相同,研磨盘选用金刚石研磨盘。该步骤要求将两端面平行度控制在0.06μm/mm以下,研磨后零件剩余厚度0.6mm。
第四步,用沥青或火漆将零件B面粘接于载物盘上,每盘粘接20片,粘接后用一级精度光学平晶压在零件上方保持平稳加载,光学平晶需覆盖住每一片零件,放入保温箱保温1小时,温度设置为60℃。冷却后,使用铸铁盘与氧化铝研磨液研磨A面,将厚度减薄0.135mm,应剩余0.465mm。研磨工艺参数为:抛光粉粒径5μm氧化铝,质量分数6%,研磨盘选用铸铁盘,压力0.14MPa,研磨盘转速80rpm。
第五步,使用沥青环抛的方式修整A面面形,将A面加工至表面粗糙度Sa<1nm,面形精度PV<105nm。工艺参数为:研磨盘材料为沥青,抛光粉粒径0.5μm氧化铈,质量分数6%,压力为工件自重,研磨盘转速5~10rpm.该步骤完成后零件去除0.015mm,剩余厚度应为0.45mm。
第六步,将第五步加工好的A面光胶至光胶垫板上。
第七步,使用铸铁盘与氧化铝研磨液研磨B面,将厚度减薄0.135mm,应剩余0.315mm。研磨工艺参数为:抛光粉粒径5μm氧化铝,质量分数6%,研磨盘选用铸铁盘,压力0.14MPa,研磨盘转速80rpm。
第八步,使用沥青环抛的方式修整B面面形,将B面加工至表面粗糙度Sa<1nm,面形精度PV<105nm。工艺参数为:研磨盘材料为沥青,抛光粉粒径0.5μm氧化铈,质量分数6%,压力为工件自重,研磨盘转速5~10rpm.该步骤完成后零件去除0.015mm,剩余厚度应为0.3mm。
按照实施例中工艺流程加工石英材料,可以得到直径15mm,厚度0.3mm超薄石英基片,其加工质量可以达到:平行度小于0.06μm/mm,表面粗糙度Sa小于1nm,反射面形PV<0.25λ(λ=632nm),透射面形PV<0.1λ。
本发明不局限于本实施例,任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变,均列为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种高精度超薄光学零件的增厚-光胶-对称减薄加工方法,其特征在于:包括如下步骤:
第一步,切片:选取圆柱形毛坯材料,将圆柱形毛坯材料外圆直径滚磨至要求尺寸;将滚磨后的毛坯材料平行于端面切割成厚度h0的圆片毛坯,厚度2h<h0<3h,其中h为超薄零件指标厚度,h0和h的单位为cm;
第二步,退火:将圆片毛坯的外圆柱面用石英棉覆盖绝热,两端面用高热导率材料覆盖,然后将圆片毛坯放入退火炉中进行退火;退火温度区间设置为990~1200℃,在退火温度区间保温时间达到t=520(h0/2)2min,关闭退火炉电源等待冷却至室温后取出;
第三步,双面研磨:将退火后的圆片毛坯放入游星轮中进行双面研磨,圆片毛坯的上下端面同时开始减薄,保证上下两端面减薄量相同;研磨盘选用金刚石固结磨料研磨盘、铸铁研磨盘、复合铜盘或复合锡盘;研磨时,金刚石固结磨料研磨盘搭配纯水进行研磨,其他研磨盘搭配碳化硅或氧化铝研磨粉进行研磨;双面研磨时,将圆片毛坯的两端面平行度控制在0.06μm/mm以下,研磨后零件剩余厚度大于游星轮最小厚度0.1~0.2mm;
第四步,A面研磨:用沥青或火漆将圆片毛坯的B面粘接于载物盘上,粘接采用点胶方式,圆片毛坯平铺于载物盘上;粘接后用一级精度光学平晶压在圆片毛坯上方保持平稳加载,光学平晶覆盖住每一片圆片毛坯,放入保温箱保温1小时,温度设置为60℃;冷却后采用第三步所述研磨工具单面研磨圆片毛坯的A面,对A面进行研磨,研磨后圆片毛坯剩余厚度为1.55h;所述A面为圆片毛坯的一个端面,B面为圆片毛坯的另一个端面;
第五步,沥青环抛A面:保持第四步研磨减薄后的圆片毛坯在盘,采用沥青环抛的方式对圆片毛坯进行抛光,抛光液为0.3μm氧化铝、浓度为7%,去除量0.05h,根据圆片毛坯面形调节校正盘位置,使A面的平面度加工至指标要求,圆片毛坯剩余厚度为1.5h;
第六步,光胶A面:经过第五步后,将圆片毛坯的A面光胶至高精度光胶垫板上,要求完全贴合,贴合面不允许有干涉条纹及气泡;
第七步,B面研磨:采用第四步所述方法单面研磨B面,厚度减薄量0.45h;
第八步,沥青环抛B面:采用第五步所述方法对圆片毛坯的B面进行抛光,去除量0.05h,且使B面的平面度加工至指标要求,圆片毛坯剩余厚度为h,即为超薄零件成品。
2.根据权利要求1所述的一种高精度超薄光学零件的增厚-光胶-对称减薄加工方法,其特征在于:所述的高热导率材料包括氧化铝陶瓷板或氧化锆陶瓷板。
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