一種數(shù)控小工具與環(huán)拋機(jī)相結(jié)合的大口徑平面加工方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種數(shù)控小工具與環(huán)拋機(jī)相結(jié)合的大口徑平面加工方法，包括如下步驟：使用數(shù)控小工具對銑磨成形工件進(jìn)行研磨和粗拋光，研磨去除工件的破壞層及控制面形,研磨完成后轉(zhuǎn)入粗拋光階段，粗拋光去除研磨產(chǎn)生的表面破壞層，粗拋光結(jié)束后再使用數(shù)控小工具與環(huán)拋機(jī)相結(jié)合進(jìn)行精修面形，利用面形檢測裝置對光學(xué)鏡面進(jìn)行面形誤差檢測，使最后加工的鏡面面形精度達(dá)到設(shè)計要求，本發(fā)明解決大口徑平面鏡加工工藝，提供了一種大口徑平面鏡加工工藝的新方法，為更大的大口徑平面鏡光學(xué)元件加工工藝奠定基礎(chǔ)。
【專利說明】-種數(shù)控小工具與環(huán)拋機(jī)相結(jié)合的大口徑平面加工方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及平面加工的【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種數(shù)控小工具與環(huán)拋機(jī)相結(jié)合的大 口徑平面加工方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著激光核聚變裝置的需求的增長，全世界各國家已經(jīng)建立了超過20個大型的 激光設(shè)備，如美國的"國家點(diǎn)火裝置"(NIF)和法國的兆焦耳激光器，中國也正在發(fā)展一種高 功率激光設(shè)備。在所有激光設(shè)備，需要大量的高精度、大口徑的光學(xué)元件。例如，在美國國 家點(diǎn)火裝置，約80 %的平面光學(xué)元件的光學(xué)構(gòu)件中，僅第一階段的項(xiàng)目，需要使用3000件 800mm X 460mm X 40mm的玻璃，這些質(zhì)量要求的大口徑光學(xué)元件，其控制的空間調(diào)制波長L 的被分為高頻段、中頻段、低頻段三個部分；
[0003] -般從要求的技術(shù)指標(biāo)中的激光平面光學(xué)元件的特征在于：大口徑，高精密的表 面形狀，超光滑表面，以及不規(guī)則的形狀。
[0004] 就國內(nèi)而目，加工1?精度大口徑平面鏡，尤其是較大口徑的平面鏡，加工水平仍是 相對薄弱的，受限于加工與檢測設(shè)備等條件，加工大口徑平面鏡的主要手段，還停留在傳統(tǒng) 古典法、連續(xù)環(huán)拋拋光等加工技術(shù)。
[0005]目前國內(nèi)外研究光學(xué)元件大口徑平面鏡的加工技術(shù)主要有傳統(tǒng)古典大盤加工、連 續(xù)環(huán)拋機(jī)拋光、CCOS、在線電解磨削、磁流變拋光、離子束拋光、射流拋光、單點(diǎn)金剛石飛切 光學(xué)平面等。
[0006] 數(shù)控小工具加工鏡面會殘留大量中高頻誤差，而連續(xù)慢速環(huán)形拋光機(jī)加工鏡面 效率低、專家化和質(zhì)量不穩(wěn)定，連續(xù)慢速環(huán)形拋光機(jī)簡稱環(huán)拋機(jī)，Continuous Polishing Machine,它是一個重要的平面拋光技術(shù)，主要對異型、超薄平面鏡窗口更突顯其加工優(yōu)勢， 環(huán)拋加工過程是復(fù)雜的，受多種因素影響，環(huán)境要求高。
[0007] 數(shù)控小工具與環(huán)拋機(jī)相結(jié)合的大口徑平面加工方法，工藝目的一是解決超薄大口 徑平面鏡加工工藝，數(shù)控小工具加工技術(shù)對鏡面加工的后期面形精度提升較快，效率較高； 目的二是環(huán)拋機(jī)加工后的鏡面基本沒有的中高頻誤差，能抑制鏡面絕大部分中高頻誤差。
[0008] -般口徑超過φ4〇〇毫米的平面鏡加工可以采用毛胚一粗磨成型一小工具研磨一 小工具拋光一環(huán)拋機(jī)一小工具與環(huán)拋機(jī)相結(jié)合精修一鍍膜，這類先采用數(shù)控小工具子口徑 加工工藝的方法，口徑φ4〇〇-7〇〇毫米的大口徑平面鏡傳統(tǒng)加工工藝：采用毛胚一粗磨成型 -古典法大盤研磨一古典法大盤粗拋光一環(huán)拋機(jī)一鍍膜，這類大盤加工方法會造成諸多的 生產(chǎn)現(xiàn)實(shí)問題。
[0009] 第一，環(huán)拋機(jī)加工對加工者例如高級技師嚴(yán)重依賴；
[0010] 第二，環(huán)拋機(jī)加工效率低，多次反復(fù)；
[0011] 第三，環(huán)拋機(jī)加工質(zhì)量不穩(wěn)定；
[0012] 綜上所述，傳統(tǒng)大口徑平面鏡加工工藝會造成諸多的不足：專家化，進(jìn)行大量地、 不連續(xù)穩(wěn)步地工作，拋光效率很難上臺階，加工效率較低與加工質(zhì)量不穩(wěn)定。
[0013] 研究數(shù)控大口徑平面加工工藝與檢測的相關(guān)方法成為大口徑平面光學(xué)加工的難 點(diǎn)和熱點(diǎn)，尤其是徑厚比超過20:1的大口徑平面鏡窗口。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 鑒于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提出一種光學(xué)大口徑平面鏡加工方法， 本文僅涉及研磨、拋光部分。
[0015] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種數(shù)控小工具與環(huán)拋機(jī)相結(jié)合的大 口徑平面加工方法，包括如下步驟：
[0016] 步驟1)、研磨：使用數(shù)控小工具硬質(zhì)金屬細(xì)磨盤與銑磨成形平面鏡表面接觸加 輔料金剛砂磨削加工，金剛砂顆粒由粗到細(xì)研磨，采用激光跟蹤儀或者三坐標(biāo)進(jìn)行面形檢 測；
[0017] 步驟2)、粗拋光：使用數(shù)控小工具磨盤與平面鏡表面接觸加輔料氧化鈰磨削加 工，先進(jìn)行拋亮，同時拋亮過程中使用樣板控制鏡面面形，保證粗拋光最終面形精度滿足干 涉儀進(jìn)行干涉檢測；
[0018] 步驟3)、環(huán)拋機(jī)拋光：使用環(huán)拋機(jī)拋光，消除低頻誤差，采用樣板過程檢測或干涉 儀進(jìn)行反復(fù)檢測，監(jiān)控鏡面面形，盡量減小鏡面面形誤差；
[0019] 步驟4)、拋光精修：使用數(shù)控小工具磨盤與平面鏡表面接觸加輔料氧化鈰拋光， 盡量消除環(huán)帶誤差和局部誤差，再使用環(huán)拋機(jī)進(jìn)行拋光，進(jìn)一步提高鏡面精度和抑制鏡面 中高頻誤差，然后使用數(shù)控小工具進(jìn)行精修，最后使用環(huán)拋機(jī)進(jìn)行平滑加工，消除中高頻誤 差，采用干涉儀進(jìn)行反復(fù)檢測，面形達(dá)到鏡面設(shè)計要求。
[0020] 進(jìn)一步的，所述大口徑平面鏡是指口徑為400-2000mm，厚度為10-200mm。
[0021] 進(jìn)一步的，所述步驟1)加工后鏡面表面面形精度PV值優(yōu)于20 μ m，RMS值優(yōu)于 5 μ m，鏡面研磨細(xì)，表面沒有表面疵病，在研磨加工過程中，使用三坐標(biāo)或者激光跟蹤儀對 光學(xué)元件的面形誤差進(jìn)行反復(fù)檢測，注意加工前后面形變化，使用金剛砂顆粒由粗到細(xì)的 進(jìn)行研磨加工去除研磨成型階段的破壞層。
[0022] 進(jìn)一步的，所述步驟2)數(shù)控小工具加工后鏡面拋亮并控制面形，平面鏡鏡面面形 精度PV值優(yōu)于10 μ m，RMS值優(yōu)于1 μ m。
[0023] 進(jìn)一步的，所述步驟3)環(huán)拋機(jī)拋光，大大減少鏡面低頻誤差，進(jìn)一步提高鏡面精 度，平面鏡鏡面面形精度達(dá)到PV值優(yōu)于1 λ，RMS值優(yōu)于0. 2 λ，其中1 λ = 〇. 6328 μ m。
[0024] 進(jìn)一步的，所述步驟4)使用數(shù)控小工具與環(huán)拋機(jī)相結(jié)合的加工工藝，光學(xué)平面元 件在環(huán)拋機(jī)加工后沒有明顯的碎帶，即通常所說的中高頻誤差，面形達(dá)到PV值優(yōu)于0. 2 λ， RMS值優(yōu)于0. 04 λ，然后使用數(shù)控小工具進(jìn)行加工，最后使用環(huán)拋機(jī)進(jìn)行平滑加工，消除中 高頻誤差，達(dá)到鏡面設(shè)計要求。
[0025] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0026] 1).數(shù)控小工具與環(huán)拋機(jī)相結(jié)合加工可以揚(yáng)長避短，相互克服自己的缺點(diǎn)，從而提 高質(zhì)量與效率，縮短加工周期；
[0027] 2).環(huán)拋機(jī)可以平滑數(shù)控小工具粗拋光和精修面形時產(chǎn)生的中高頻誤差；
[0028] 3).對于米級口徑的平面鏡，將鏡面的面形從粗拋光后的RMS值5μπι提升到 0. 5μπι，數(shù)控小工具加工需要較長時間，而這個階段采用環(huán)拋機(jī)可以大量縮短加工周期；
[0029] 4).對于米級超薄平面窗口，加工磨盤不可能做到整盤加工，考慮到支撐對鏡面變 形的影響，磨盤要做到小型化，從而使用小工具磨盤加工光學(xué)元件。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例中口徑610mm平面微晶玻璃實(shí)驗(yàn)件加工方法流程圖；
[0031] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例中口徑610mm平面微晶玻璃實(shí)驗(yàn)件數(shù)控小工具拋光檢測結(jié) 果；
[0032] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例中口徑610mm平面微晶玻璃實(shí)驗(yàn)件拋光終檢結(jié)果。

【具體實(shí)施方式】
[0033] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的闡述。
[0034] 參考圖1，一種數(shù)控小工具與環(huán)拋機(jī)相結(jié)合的大口徑平面加工方法，主要包括如下 步驟：
[0035] 步驟1)、研磨：使用數(shù)控小工具硬質(zhì)金屬細(xì)磨盤與銑磨成形平面鏡表面接觸加 輔料金剛砂磨削加工，金剛砂顆粒由粗到細(xì)研磨，采用激光跟蹤儀或者三坐標(biāo)進(jìn)行面形檢 測；
[0036] 步驟2)、粗拋光：使用數(shù)控小工具磨盤與平面鏡表面接觸加輔料氧化鈰磨削加 工，先進(jìn)行拋亮，同時拋亮過程中使用樣板控制鏡面面形，保證粗拋光最終面形精度滿足干 涉儀進(jìn)行干涉檢測；
[0037] 步驟3)、環(huán)拋機(jī)拋光：使用環(huán)拋機(jī)拋光，消除低頻誤差，進(jìn)一步提高鏡面面形精 度，大大減少低頻誤差和抑制鏡面中高頻誤差，采用樣板過程檢測或干涉儀進(jìn)行反復(fù)檢測， 監(jiān)控鏡面面形，盡量減小鏡面面形誤差；
[0038] 步驟4)、拋光精修：使用數(shù)控小工具磨盤與平面鏡表面接觸加輔料氧化鈰拋光， 盡量消除環(huán)帶誤差和局部誤差，再使用環(huán)拋機(jī)進(jìn)行拋光，進(jìn)一步提高鏡面精度和抑制鏡面 中高頻誤差，然后使用數(shù)控小工具進(jìn)行精修，最后使用環(huán)拋機(jī)進(jìn)行平滑加工，消除中高頻誤 差，采用干涉儀進(jìn)行反復(fù)檢測，面形達(dá)到鏡面設(shè)計要求。
[0039] 其中，所述大口徑平面鏡是指口徑為400-2000mm，厚度為10-200mm。
[0040] 其中，所述步驟1)加工后鏡面表面面形精度PV值優(yōu)于20 μ m，RMS值優(yōu)于5 μ m， 鏡面研磨細(xì)，表面沒有表面疵病，在研磨加工過程中，使用三坐標(biāo)或者激光跟蹤儀對光學(xué)元 件的面形誤差進(jìn)行反復(fù)檢測，注意加工前后面形變化，使用金剛砂顆粒由粗到細(xì)的進(jìn)行研 磨加工去除研磨成型階段的破壞層。
[0041] 其中，所述步驟2)數(shù)控小工具加工后鏡面拋亮并控制面形，平面鏡鏡面面形精度 PV值優(yōu)于10 μ m，RMS值優(yōu)于1 μ m，表面沒有表面瑕疵。
[0042] 其中，所述步驟3)環(huán)拋機(jī)拋光，大大減少鏡面低頻誤差，進(jìn)一步提高鏡面精度，平 面鏡鏡面面形精度達(dá)到PV值優(yōu)于1 λ，RMS值優(yōu)于0. 2 λ，其中1 λ = 〇. 6328 μ m，表面沒有 表面瑕疵。
[0043] 其中，所述步驟4)使用數(shù)控小工具與環(huán)拋機(jī)相結(jié)合的加工工藝，光學(xué)平面元件在 環(huán)拋機(jī)加工后沒有明顯的碎帶，即通常所說的中高頻誤差，面形達(dá)到PV值優(yōu)于0. 2 λ，RMS 值優(yōu)于0. 04 λ，然后使用數(shù)控小工具進(jìn)行加工，最后使用環(huán)拋機(jī)進(jìn)行平滑加工，消除中高頻 誤差，達(dá)到鏡面設(shè)計要求。
[0044] 具體實(shí)例如下：
[0045] 一種數(shù)控小工具與環(huán)拋機(jī)相結(jié)合的大口徑平面加工方法，包括如下步驟：
[0046] (1)研磨：使用小工具銅制細(xì)磨盤口徑IlOmm與口徑610mm厚61mm微晶的平面鏡 表面接觸加輔料金剛砂磨削加工，去除平面鏡銑磨成形的破壞層，金剛砂顆粒由粗到細(xì)進(jìn) 行研磨，使用金剛砂綠砂W40去除破壞層，去除量為0. 04-0. 08mm，使用金剛砂綠砂W20去除 破壞層，去除量為0. 02-0. 04mm，使用金剛砂綠砂W14去除破壞層，去除量為0. 015-0. 03mm， 采用API激光跟蹤儀在線檢測或三坐標(biāo)進(jìn)行檢測，鏡面面形達(dá)到PV值5.0 μ m，RMS值 L 2 μ m〇
[0047] (2)粗拋光：利用φ800研拋機(jī)和數(shù)控機(jī)械手設(shè)備，使用數(shù)控小工具浙青膠盤 與平面鏡表面接觸加輔料氧化鈰磨削加工，先進(jìn)行拋亮，同時用樣板控制鏡面面形， 鏡面面形達(dá)到PV值0. 196 λ，RMS值0. 029 λ，其中1 λ = 〇. 6328 μ m，磨盤口徑有 (pl50mm、(pl30mm、(pll0mm、（p9〇mm、φ70ηιηι、（p50mm、（p30mm,拋亮過程中保證粗拋光 最終面形精度，滿足采用zyg〇24英寸干涉儀進(jìn)行干涉檢測。
[0048] (3)環(huán)拋機(jī)拋光：使用φ?.6米環(huán)拋機(jī)拋光，大大減少低頻誤差，進(jìn)一步提高鏡面面 形精度和抑制鏡面中高頻誤差，采用樣板過程檢測或zyg〇24英寸干涉儀進(jìn)行檢測，監(jiān)控鏡 面面形精度，(pi.6米環(huán)拋機(jī)加工后的鏡面面形達(dá)到PV值0.096 λ，RMS值0.016 λ ;
[0049] (4)精修：使用環(huán)拋機(jī)進(jìn)行磨削加工，進(jìn)一步提高鏡面精度和抑制鏡面中高頻誤 差，然后使用數(shù)控小工具進(jìn)行精修，最后使用環(huán)拋機(jī)進(jìn)行平滑加工，從而鏡面面形精度達(dá)到 設(shè)計要求，采用zyg 〇24英寸干涉儀進(jìn)行檢測。
[0050] 成功完成(p610mm厚61mm微晶平面鏡磨削加工，研磨鏡面面形達(dá)到PV值5. 0 μ m， RMS值I. 2 μ m，最后拋光面形達(dá)到PV值0. 089 λ，RMS值0. 014 λ，zyg〇24英寸平面干涉儀實(shí) 際最大能獲得口徑為610mm，像素大于450X450的面形圖，本文面形圖的分辨率為1.36mm。
[0051] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與 修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種數(shù)控小工具與環(huán)拋機(jī)相結(jié)合的大口徑平面加工方法，其特征在于，主要包括如 下步驟： 步驟1)、研磨：使用數(shù)控小工具硬質(zhì)金屬細(xì)磨盤與銑磨成形平面鏡表面接觸加輔料金 剛砂磨削加工，金剛砂顆粒由粗到細(xì)研磨，采用激光跟蹤儀或者三坐標(biāo)進(jìn)行面形檢測； 步驟2)、粗拋光：使用數(shù)控小工具磨盤與平面鏡表面接觸加輔料氧化鈰磨削加工，先 進(jìn)行拋亮，同時拋亮過程中使用樣板控制鏡面面形，保證粗拋光最終面形精度滿足干涉儀 進(jìn)行干涉檢測； 步驟3)、環(huán)拋機(jī)拋光：使用環(huán)拋機(jī)拋光，消除低頻誤差，采用樣板過程檢測或干涉儀進(jìn) 行反復(fù)檢測，監(jiān)控鏡面面形，盡量減小鏡面面形誤差； 步驟4)、拋光精修：使用數(shù)控小工具磨盤與平面鏡表面接觸加輔料氧化鈰拋光，盡量 消除環(huán)帶誤差和局部誤差，再使用環(huán)拋機(jī)進(jìn)行拋光，進(jìn)一步提高鏡面精度和抑制鏡面中高 頻誤差，然后使用數(shù)控小工具進(jìn)行精修，最后使用環(huán)拋機(jī)進(jìn)行平滑加工，消除中高頻誤差， 采用干涉儀進(jìn)行反復(fù)檢測，面形達(dá)到鏡面設(shè)計要求。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)控小工具與環(huán)拋機(jī)相結(jié)合的大口徑平面加工方法，其 特征在于，所述大口徑平面鏡是指口徑為400-2000mm，厚度為10-200mm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)控小工具與環(huán)拋機(jī)相結(jié)合的大口徑平面加工方法，其 特征在于，所述步驟1)加工后鏡面表面面形精度PV值優(yōu)于20 ii m，RMS值優(yōu)于5 ii m，鏡面 研磨細(xì)，表面沒有表面疵病，在研磨加工過程中，使用三坐標(biāo)或者激光跟蹤儀對光學(xué)元件的 面形誤差進(jìn)行反復(fù)檢測，注意加工前后面形變化，使用金剛砂顆粒由粗到細(xì)的進(jìn)行研磨加 工去除研磨成型階段的破壞層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)控小工具與環(huán)拋機(jī)相結(jié)合的大口徑平面加工方法，其 特征在于，所述步驟2)數(shù)控小工具加工后鏡面拋亮并控制面形，平面鏡鏡面面形精度PV值 優(yōu)于10 y m，RMS值優(yōu)于1 ii m。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)控小工具與環(huán)拋機(jī)相結(jié)合的大口徑平面加工方法，其 特征在于，所述步驟3)環(huán)拋機(jī)拋光，大大減少鏡面低頻誤差，進(jìn)一步提高鏡面精度，平面鏡 鏡面面形精度達(dá)到PV值優(yōu)于1入，RMS值優(yōu)于0. 2入，其中1入=0. 6328 ii m。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)控小工具與環(huán)拋機(jī)相結(jié)合的大口徑平面加工方法， 其特征在于，所述步驟4)使用數(shù)控小工具與環(huán)拋機(jī)相結(jié)合的加工工藝，光學(xué)平面元件在環(huán) 拋機(jī)加工后沒有明顯的碎帶，即通常所說的中高頻誤差，面形達(dá)到PV值優(yōu)于0. 2 A，RMS值 優(yōu)于0. 04 A，然后使用數(shù)控小工具進(jìn)行加工，最后使用環(huán)拋機(jī)進(jìn)行平滑加工，消除中高頻誤 差，達(dá)到鏡面設(shè)計要求。
【文檔編號】B24B1/00GK104385064SQ201410547326
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月14日
【發(fā)明者】卓彬, 范斌, 萬勇建, 王佳, 耿彥生, 高平起, 鮮林翰 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所