一種針對熔石英光學(xué)元件進行拋光的方法及其裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及到一種針對熔石英光學(xué)元件進行拋光的方法及其裝置。本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：一種針對熔石英光學(xué)元件進行拋光的方法，是利用非活性的氣體電弧放電產(chǎn)生高溫等離子體，在氣壓和管壁冷壓縮效應(yīng)作用下，等離子弧焰體集束聚焦于工件表面，使與焰體作用區(qū)域的熔石英表面溫度急劇升高至熔石英材料的熔點，熔融態(tài)的石英在靜張力作用下局部流平，達到拋光作用；所使用的裝置，包括等電弧等離子體炬射流噴槍、六軸聯(lián)動機械手及其控制系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、光學(xué)減震平臺、電弧等離子體發(fā)生器和樣品臺。主要優(yōu)點是：保證材料表面面型在整個拋亮過程中不劣化，可將中大口徑復(fù)雜面型超光滑光學(xué)元件的加工周期縮短四分之一以上。
【專利說明】一種針對熔石英光學(xué)元件進行拋光的方法及其裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)元件拋光【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及到一種針對熔石英光學(xué)元件進行拋光的方法及其裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代光學(xué)和微電子學(xué)的高速發(fā)展，在當(dāng)今的國防軍事、天文探測等領(lǐng)域，對光學(xué)元件的加工除了有很高表面形狀要求之外，還需要通過表面微觀質(zhì)量的大幅度提高來降低表面散射等損耗，以提高光能量傳輸能力、圖像傳輸質(zhì)量以及激光對抗能力。特別是針對中大口徑精密光學(xué)元件的制造，提出了超光滑和低損耗的要求。
[0003]常用的超光滑表面加工方法有浴法拋光、浮法拋光、Tenon拋光及延展性拋光等。此類加工方法雖可得到極高的表面粗糙度，但其拋光效率低，特別是在對中大口徑復(fù)雜面型光學(xué)元件進行加工時，嚴(yán)重制約了加工進度，成本極高。此外，由于傳統(tǒng)工藝主要采用接觸式加工方式，即使可得到滿足表面粗糙度要求的工件，但仍存在表層掩蓋下的亞表面損傷，這些都會影響到光學(xué)元件的使用性能。
[0004]近年來，一系列新型的等離子體光學(xué)拋光方法被提出，例如，德國IOM (LeibnizInstitute of Surface Modification)與日本尼康利用真空等離子體技術(shù)實現(xiàn)光學(xué)元件的超光滑表面加工，專利號為200710072022.9的專利文件中給出了一種電容耦合式大氣等離子體拋光方法，這些方法的核心是在真空或大氣環(huán)境下利用低溫等離子體所產(chǎn)生的活性氣體與加工元件表面材料的化學(xué)反應(yīng)進行材料的快速去除和拋光，雖然采用這些方法均可取得高效率的拋光效果，但這些方法也存在一些問題，表現(xiàn)在:真空等離子體設(shè)備雖然方法簡拋光效果極佳，但由于設(shè)備必須在配備真空系統(tǒng)，運行成本較高，同時，針對大面積復(fù)雜面形元件加工，多維度的機械運動裝置在真空環(huán)境運行要求非常高，其結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，操作和維護難度也很高。而大氣電容耦合等離子體方法雖然無須真空環(huán)境，但其放電要求較高，等離子體發(fā)生器的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，并且等離子體的產(chǎn)生需要在射頻或微波供電條件下，易造成電磁污染，同時，工作氣體需采用高純度的氦氣，在大氣條件下加工成本也相當(dāng)高。
[0005]是故，本發(fā)明針對具體熔石英光學(xué)元件加工問題，提出一種簡單易行，運行成本低的高效率離子體拋光方法和裝置，可有效取代拋光工藝流程的粗拋環(huán)節(jié)，快速實現(xiàn)不同口徑、復(fù)雜面形熔石英工件的快速拋亮，縮短光學(xué)表面超光滑加工的成品周期。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供一種針對熔石英光學(xué)元件進行拋光的方法及其裝置，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的加工效率低、工件表面及亞表面損傷的問題。
[0007]為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是:一種針對熔石英光學(xué)元件進行拋光的方法，是利用非活性的氣體電弧放電產(chǎn)生高溫等離子體，在氣壓和管壁冷壓縮效應(yīng)作用下，等離子體炬焰體集束聚焦于工件表面，使與焰體作用區(qū)域的熔石英表面溫度急劇升高至熔石英材料的熔點，熔融態(tài)的石英在靜張力作用下局部流平，達到拋光作用。[0008]一種針對熔石英光學(xué)元件進行拋光的方法所使用的裝置，包括等電弧等離子體炬射流噴槍、六軸聯(lián)動機械手及其控制系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、光學(xué)減震平臺、電弧等離子體發(fā)生器和樣品臺，六軸聯(lián)動機械手及其控制系統(tǒng)和樣品臺設(shè)置于光學(xué)減震平臺上部，等電弧等離子體炬射流噴槍位于樣品臺的上方，所述等電弧等離子體炬射流噴槍由渦旋式工作氣體進氣口、圓形絕緣隔離罩、內(nèi)電極、不銹鋼管壁、喇叭狀等離子體噴嘴、絕緣接頭構(gòu)成，其特征在于:
所述樣品臺具有自加溫功能；
所述等電弧等離子體炬射流噴槍中，所述內(nèi)電極表面涂覆TiN涂層；所述不銹鋼管壁的材質(zhì)為lCrl8Ni9Ti，且外殼管壁厚度在5~8mm范圍；所述圓形絕緣隔離罩材質(zhì)為陶瓷，其壁厚不小于2mm ;所述喇叭狀等離子體噴嘴材質(zhì)為lCrl8Ni9Ti，其噴槍口直徑與后端喇叭口直徑比例應(yīng)介于1:8~1:10，喇叭口開孔角度控制在35~45°范圍；
所述排氣系統(tǒng)由封閉罩，氣路擋板，管道及抽氣電機構(gòu)成，封閉罩通過管道與抽氣電機連接，位于封閉罩一側(cè)的管道上設(shè)置有氣路擋板，所述封閉罩材質(zhì)為透明有機玻璃，所述氣路擋板為不銹鋼材質(zhì)。
[0009]上述氣路擋板是柵欄式。
[0010]上述自加溫樣品臺的材質(zhì)為金屬銅，其上端面為光滑表面，樣品臺底部設(shè)置有電阻絲加熱裝置。
[0011]上述等電弧等離子體炬射流噴槍中使用的工作氣體為氮氣，其純度不小于99.99%，且氣壓控制在0.04~0.07MPa之間；電弧離子體發(fā)生器采用20-40ΚΗζ的中頻電源，其工作功率在450W~1KW。
[0012]上噴槍所獲得等離子體炬的束流直徑控制在0.5~2mm。
[0013]上述內(nèi)電極，為一空心圓柱狀金屬柱，其前端為圓滑的半球狀弧面。
[0014]本發(fā)明創(chuàng)造性地提出了一種新的超光滑表面加工技術(shù)，即大氣射流等離子體火拋技術(shù)。它的設(shè)計思路是用等離子發(fā)生器產(chǎn)生的等離子焰體噴射到工件表面，使其表面一薄層物質(zhì)熔化或蒸發(fā)而獲得光滑表面。與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點是:
1、本發(fā)明所提供方法，將電弧放電所產(chǎn)生的高溫度熱等離子體，經(jīng)過獨特的噴槍結(jié)構(gòu)的冷壓縮效應(yīng)將其集束為高能等離子體炬束流，當(dāng)?shù)入x子體炬束流噴射至熔石英材料表面時，其能量足以使熔石英材料表面熔化或部分蒸發(fā)，從而使材料表面薄層、特別是元件表面由于機械加工所形成損傷區(qū)域快速重熔平坦化，從而可以在較短時間內(nèi)使元件表面粗糙度快速收斂，同時，由于所采用的等離子炬束流直徑較小，可保證材料表面面型在整個拋亮過程中不劣化。
[0015]2、本發(fā)明所提供的方法，利用電弧放電產(chǎn)生高溫等離子體炬的物理效應(yīng)進行材料去除拋光，不同于其他等離子體方法需要有活性氣體參與其中，本方法在拋光過程中不涉及化學(xué)反應(yīng)，因此其拋光去除函數(shù)相對簡單，特別是在針對中大口徑復(fù)雜面形的光學(xué)元件加工，拋光軌跡控制模型易于獲得，等離子體炬射流噴槍可通過六軸聯(lián)動的機械傳動系統(tǒng)方便地對各種口徑的平面、凸凹面，非球面等多種形狀熔石英光學(xué)元件進行加工。本發(fā)明特別地適合于直徑大于300mm的復(fù)雜面型熔石英光學(xué)元件，可快速實現(xiàn)其精密成型，如果將本發(fā)明提供的方法與磁流變技術(shù)或真空離子束拋光技術(shù)相結(jié)合，可將中大口徑復(fù)雜面型超光滑光學(xué)元件的加工周期縮短四分之一以上。[0016]3、本發(fā)明所提供方法的裝置，無需低壓真空系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)相對簡單，操作容易。裝置所采用的等離子體發(fā)生器采用中頻電源供電，其電源工作功率在0.45?1KW范圍。本發(fā)明不采用一般等離子體拋光方法中所的含氟活性氣體，等離子體工作氣體選擇化學(xué)活性較低的高純氮氣，氮氣工業(yè)獲得容易，價格低廉。本裝置拋光過程中產(chǎn)生的尾氣主要以一氧化氮和二氧化氮為主，對于少量的二氧化氮氣體，本發(fā)明裝置設(shè)計有排氣系統(tǒng)，并安裝了柵欄式氣路擋板，保證在排氣過程中產(chǎn)生湍流，對等離子體炬造成影響；
4、本發(fā)明所采用的樣品臺，具有自加溫功能，因而在工作過程中，由高溫等離子體作用于加工元件表面所引起局部溫差過大，熱應(yīng)力問題可有效地被消除。事實上，采用本發(fā)明方法和裝置進行光學(xué)元件拋光時，加工工件的局部溫升可被控制在400°C，因此，本發(fā)明不僅適用于熔石英玻璃的加工，也可適用于玻璃軟化溫度高于400 oC的光學(xué)玻璃的拋光加工。
[0017]5、本發(fā)明所裝置的主要功能部件，如氣體輸入控制，六軸聯(lián)動機器手，光學(xué)減震平臺，具備較高的技術(shù)成熟度，可方便實現(xiàn)儀器化，用于工業(yè)生產(chǎn)實際。
[0018]【專利附圖】

【附圖說明】
圖1是本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是實施例1的單點拋光形貌圖
Ca)刻蝕斑痕全貌(b)沿中心X軸和Y軸輪廓
圖3是實施例1的光學(xué)元件的原始表面微觀圖(IOX光學(xué)鏡頭)；
圖4是實施例1的拋光后的表面微觀圖(IOX光學(xué)鏡頭)；
圖5是實施例2的一次拋光前后表面粗糙度對比圖 附圖標(biāo)記說明如下:
I——等電弧等離子體炬射流噴槍、2——六軸聯(lián)動機械手及其控制系統(tǒng)、3——排氣系統(tǒng)、4——光學(xué)減震平臺、5——電弧離子體發(fā)生器，6——樣品臺，7——樣品，101——渦旋式工作氣體進氣口、102——圓形絕緣隔離罩、103——內(nèi)電極、104——不銹鋼管壁、105——喇叭狀等離子體噴嘴、106——絕緣接頭，201——六軸聯(lián)動機械手，202——控制系統(tǒng)，301——封閉罩，302——氣路擋板，303——管道，304——抽氣電機。
【具體實施方式】
[0019]下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細地說明。
[0020]一種針對熔石英光學(xué)元件進行拋光的方法，是利用非活性的氣體電弧放電產(chǎn)生高溫等離子體，在氣壓和管壁冷壓縮效應(yīng)作用下，等離子弧焰體集束聚焦于工件表面，使與焰體作用區(qū)域的熔石英表面溫度急劇升高至熔石英材料的熔點，熔融態(tài)的石英在靜張力作用下局部流平，達到拋光作用。
[0021]參見圖1:為了實現(xiàn)上述方法，本發(fā)明提供了一種針對熔石英光學(xué)元件進行拋光的方法所使用的裝置，包括等電弧等離子體炬射流噴槍1、六軸聯(lián)動機械手及其控制系統(tǒng)
2、排氣系統(tǒng)3、光學(xué)減震平臺4、電弧等離子體發(fā)生器5和樣品臺6，六軸聯(lián)動機械手及其控制系統(tǒng)2和樣品臺6設(shè)置于光學(xué)減震平臺4上部，等電弧等離子體炬射流噴槍I位于樣品臺6的上方；
所述等電弧等離子體炬射流噴槍I由渦旋式工作氣體進氣口 101、圓形絕緣隔離罩102、內(nèi)電極103、不銹鋼管壁104、喇叭狀等離子體噴嘴105、絕緣接頭106構(gòu)成，所述等電弧等離子體炬射流噴槍I中使用的工作氣體為氮氣，其純度不小于99.99%，且氣壓控制在0.04、.07MPa之間；電弧離子體發(fā)生器5采用20-40ΚΗζ的中頻電源，其工作功率在450W^1KW ;噴槍所獲得等離子體炬的束流直徑控制在0.5~2mm。
[0022]所述樣品臺6具有自加溫功能，樣品臺6的材質(zhì)為金屬銅，其上端面為光滑表面，樣品臺底部設(shè)置有電阻絲加熱裝置；
所述等電弧等離子體炬射流噴槍I中，內(nèi)電極102為一空心圓柱狀金屬柱，其前端為圓滑的半球狀弧面，表面涂覆TiN涂層；所述不銹鋼管壁103的材質(zhì)為lCrl8Ni9Ti，且外殼管壁厚度在5~8mm范圍；所述圓形絕緣隔離罩104材質(zhì)為陶瓷，其壁厚不小于2mm ;所述喇叭狀等離子體噴嘴105材質(zhì)為lCrl8Ni9Ti，其噴槍口直徑與后端喇叭口直徑比例應(yīng)介于1:8~1:10，喇叭口開孔角度控制在35~45°范圍；所述排氣系統(tǒng)3由封閉罩301，氣路擋板302，管道303及抽氣電機304構(gòu)成，封閉罩301通過管道303與抽氣電機304連接，位于封閉罩301 —側(cè)的管道303上設(shè)置有柵欄式的氣路擋板302，所述封閉罩301材質(zhì)為透明有機玻璃，所述氣路擋板302為不銹鋼材質(zhì)。
[0023]所述六軸聯(lián)動機械手及其控制系統(tǒng)2包括六軸聯(lián)動機械手201和控制系統(tǒng)202，六軸聯(lián)動機械手201為公知技術(shù)，它作為拋光設(shè)備的運動部件，包括六個數(shù)控軸:回轉(zhuǎn)軸、立臂軸、橫臂軸、腕軸、腕擺軸、腕轉(zhuǎn)軸；控制系統(tǒng)202設(shè)置于方便操作的位置即可。
[0024]所述自加溫樣品臺6，可對熔石英光學(xué)元件進行預(yù)加熱，以減小由于樣品在拋光過程中溫升與環(huán)境溫度溫差過大而引起的熱應(yīng)力，防止樣品因應(yīng)力過大而炸裂。
[0025]所述氣路擋板302，可防止抽氣電機304工作時產(chǎn)生湍流，保證封閉罩301內(nèi)氣流穩(wěn)定。
[0026]實施例1:不銹鋼管壁103的材質(zhì)為lCrl8Ni9Ti，且外殼管壁厚度為6mm ;噴槍口直徑與后端喇叭口直徑比例設(shè)定為1:8，噴槍口直徑為2.0mm喇叭口開孔角度為36° ;將控制氮氣氣壓控制在0.038Mpa,電弧電源功率設(shè)定為600W，此時形成的等離子體炬最大束流半徑為2.2mm。
[0027]其特征工藝步驟為:
第一步:將平面熔石英光學(xué)樣品放置于自加溫樣品臺6，打開加熱裝置，將熔石英光學(xué)元件加熱至200°C ；
第二步:調(diào)整等電弧等離子體炬射流噴槍I與加工元件7表面距離為2.5mm,并確定加
工基點
第三步:六軸聯(lián)動機械手201控制等離子體炬射流噴槍在平面內(nèi)運動。 設(shè)定噴槍運動速度為5mm/s,在平面內(nèi)與運動方向垂直的步長為0.2mm
第四步:按預(yù)定壓力，打開氮氣閥門，由渦旋式工作氣體進氣口 101充入氮氣，打開電弧等離子體發(fā)生器5，同時，排氣系統(tǒng)3的抽氣電機304。此時，等離子體炬對熔石英元件具有極高的刻蝕速率，如圖2所示，其刻蝕斑呈近似對稱的高斯分布，最大刻蝕速率可達5 μ m/s.第五步:六軸聯(lián)動機械手201按預(yù)定參數(shù)和預(yù)定拋光模型在平面內(nèi)帶動等離子體噴槍反復(fù)做”Z”字型運動，進行由點及面的平面拋光。
[0028]實施例2:不銹鋼管壁103的材質(zhì)為lCrl8Ni9Ti，且外殼管壁厚度為5.5mm ;噴槍口直徑與后端喇叭口直徑比例設(shè)定為1:10，噴槍口直徑為1.5mm喇叭口開孔角度為40° ;將控制氮氣氣壓控制在0.040Mpa,電弧電源功率設(shè)定為600W，此時形成的等離子體炬最大束流半徑為1.8 mm。
[0029]本特征工藝步驟與實施例1不同之處在于步驟3和步驟5，在拋光過程中，按照加工元件的曲面形狀，設(shè)定噴槍的運動軌跡參數(shù)，控制六軸聯(lián)動機械手201運動，保證噴槍口與加工點時刻保持垂直。步驟5中，按預(yù)定加工模型和軌跡參數(shù)，由點及面，進行一次拋亮。
[0030]本發(fā)明給出的一種針對熔石英光學(xué)元件進行拋光的方法，是利用非活性的氣體電弧放電產(chǎn)生高溫等離子體，在氣壓和管壁冷壓縮效應(yīng)作用下，等離子弧焰體集束聚焦于工件表面，使與焰體接觸處的熔石英表面溫度急劇升高至熔石英材料的熔點，近表層物質(zhì)開始熔化甚至蒸發(fā)，而熔石英基體的溫度基本變化不大(小于200°C)。而在焰體作用區(qū)域，熔融態(tài)的石英在靜張力作用下局部流平，這樣，由于機械加工刀痕或瑕疵造成凸起的峰尖被消除。
[0031]結(jié)合本發(fā)明給出的裝置，其具體工作原理如下:
如圖1所示，將樣品7放置在樣品臺上，利用等離子發(fā)生器產(chǎn)生等離子體，氮氣一方面由陰極后方導(dǎo)入，在內(nèi)電極103附近打出電弧，另一方面作為載氣由后端進入，在電弧的激發(fā)下產(chǎn)生等離子體，并在氣流的帶動下噴向樣品臺6，使其表面一薄層物質(zhì)熔化或蒸發(fā)而獲得光滑表面。
[0032]參見圖3和圖4，可以看出，利用實施例1提供的裝置，對直徑為300mm尺寸的平面熔石英進行處理，其表面粗糙度Ra200nm下降至20nm。
[0033]參見圖5，可以看出，利用實施例2提供的裝置，對直徑為50mm的毛坯熔石英凹透鏡進行一次拋亮后，元件表面粗糙度已經(jīng)不足初始毛坯元件粗糙度的五分之一。
【權(quán)利要求】
1.一種針對熔石英光學(xué)元件進行拋光的方法，是利用非活性的氣體電弧放電產(chǎn)生高溫等離子體，在氣壓和管壁冷壓縮效應(yīng)作用下，等離子體炬焰體集束聚焦于工件表面，使與焰體作用區(qū)域的熔石英表面溫度急劇升高至熔石英材料的熔點，熔融態(tài)的石英在靜張力作用下局部流平，達到拋光作用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的針對熔石英光學(xué)元件進行拋光的方法所使用的裝置，包括等電弧等離子體炬射流噴槍(I)、六軸聯(lián)動機械手及其控制系統(tǒng)(2)、排氣系統(tǒng)(3)、光學(xué)減震平臺(4)、電弧等離子體發(fā)生 器(5)和樣品臺(6)，六軸聯(lián)動機械手及其控制系統(tǒng)(2)和樣品臺(6)設(shè)置于光學(xué)減震平臺(4)上部，等電弧等離子體炬射流噴槍(I)位于樣品臺(6)的上方，所述等電弧等離子體炬射流噴槍(I)由渦旋式工作氣體進氣口( 101 )、圓形絕緣隔離罩(102)、內(nèi)電極(103)、不銹鋼管壁(104)、喇叭狀等離子體噴嘴(105)、絕緣接頭(106)構(gòu)成，其特征在于: 所述樣品臺(6)具有自加溫功能； 所述等電弧等離子體炬射流噴槍(I)中，所述內(nèi)電極(102 )表面涂覆TiN涂層；所述不銹鋼管壁(103)的材質(zhì)為lCrl8Ni9Ti，且外殼管壁厚度在5~8mm范圍；所述圓形絕緣隔離罩(104)材質(zhì)為陶瓷，其壁厚不小于2mm ;所述喇叭狀等離子體噴嘴(105)材質(zhì)為lCrl8Ni9Ti，其噴槍口直徑與后端喇叭口直徑比例應(yīng)介于1:8~1:10，喇叭口開孔角度控制在35~45°范圍； 所述排氣系統(tǒng)(3)由封閉罩(301 )，氣路擋板(302)，管道(303)及抽氣電機(304)構(gòu)成，封閉罩(301)通過管道(303 )與抽氣電機(304 )連接，位于封閉罩(301) —側(cè)的管道(303 )上設(shè)置有氣路擋板(302)，所述封閉罩(301)材質(zhì)為透明有機玻璃，所述氣路擋板(302)為不銹鋼材質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種針對熔石英光學(xué)元件進行拋光的方法所使用的裝置，其特征在于:所述氣路擋板(302)是柵欄式。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種針對熔石英光學(xué)元件進行拋光的方法所使用的裝置，其特征在于:所述自加溫樣品臺(6)的材質(zhì)為金屬銅，其上端面為光滑表面，樣品臺底部設(shè)置有電阻絲加熱裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種針對熔石英光學(xué)元件進行拋光的方法所使用的裝置，其特征在于:所述等電弧等離子體炬射流噴槍(I)中使用的工作氣體為氮氣，其純度不小于99.99%，且氣壓控制0.00.07MPa之間；電弧離子體發(fā)生器5采用20-40ΚΗζ的中頻電源，其工作功率在450W~1KW。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種針對熔石英光學(xué)元件進行拋光的方法所使用的裝置，其特征在于:噴槍所獲得等離子體炬的束流直徑控制在0.5~2mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種針對熔石英光學(xué)元件進行拋光的方法所使用的裝置，其特征在于:所述內(nèi)電極(103)為一空心圓柱狀金屬柱，其前端為圓滑的半球狀弧面。
【文檔編號】B24B1/00GK103465114SQ201310402129
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月6日
【發(fā)明者】劉衛(wèi)國, 惠迎雪, 程媛, 郭忠達, 陳智利, 陽志強, 朱學(xué)亮 申請人:西安工業(yè)大學(xué)