CN103227092A - 自由曲面微结构光学零件的大气等离子体加工方法 - Google Patents
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Abstract
自由曲面微结构光学零件的大气等离子体加工方法，它属于等离子体加工大口径非球面光学零件的技术领域。它是为了解决高精度大口径非球面光学零件的加工效率和表面质量问题。它的步骤一：在五轴联动机床的绝缘工作架上安装有微孔径的等离子体炬；步骤二：将待加工光学零件装卡在地电极上；步骤三：使微孔径的等离子体炬的放电工作面靠近待加工表面；步骤四：预热射频电源和混合等离子体气源；步骤五：启动射频电源；步骤六：使微孔径的等离子体炬进行多自由度运动；步骤七：取出待加工光学零件。本发明采用微孔直径为0.2mm-1mm的微孔电极炬，其放电产生半高宽为0.5mm-2mm的高斯型去除函数，可加工空间周期≥1mm的无表面及亚表面损伤的微结构光学零件。
Description
技术领域
本发明属于等离子体加工大口径非球面光学零件的技术领域。
背景技术
自由曲面微结构光学零件越来越多地被应用于光学系统中以改善像质、提高光学性能，比如神光工程的终端光学组件中的连续位相板等。目前，对于这种小空间周期的光学零件表面，主要采用的方法是小工具磨削和磁流变抛光等。但是，小工具磨削方法存在效率低、易产生表层和亚表层损伤的问题，并且小工具的磨损也会使加工精度变差；磁流变抛光方法虽然以剪切力为主、压力为辅，几乎不产生亚表面损伤层，但是该方法对抛光距离(抛光模与镜面法向间隙)仍然比较敏感，而且磁流变液也可能对光学零件表面造成轻微的污染。而大气等离子体加工是在常温常压下采用射频电源使得反应气体在等离子体氛围中被激发产生活性粒子，与光学零件表面原子发生化学反应生成挥发性产物，从而实现对光学零件的加工。该方法是基于原子间的化学反应，可以避免接触应力造成的表层及亚表层损伤，加工效率较高。另外，根据采样定理，当加工方法的分辨率小于微结构光学零件表面空间周期的1/2时，才有可能实现对表面的精确修形。因此，对于小空间周期的微结构光学零件来说，要求加工方法的去除函数分辨率极小。
发明内容
本发明的目的是提供一种自由曲面微结构光学零件的大气等离子体加工方法，为了解决高精度大口径非球面光学零件的加工效率和表面质量问题。
所述的目的是通过以下方案实现的：所述的一种自由曲面微结构光学零件的大气等离子体加工方法，它的步骤方法是：
步骤一：在五轴联动机床的绝缘工作架上安装有微孔径的等离子体炬，微孔径的等离子体炬为细长圆柱体，其材质为铝，其下端中心部开有通气孔，通气孔的出气端口直径为0.2mm-1mm，通气孔的进气口可通过绝缘工作架上的导气孔、气管与混合等离子体气源导气连通；微孔径的等离子体炬可与射频电源的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极；
步骤二：将待加工光学零件装卡在地电极上，地电极固定在五轴联动机床的水平运动工作台上；将地电极接地作为大气等离子体放电的阴极；
步骤三：使微孔径的等离子体炬的放电工作面靠近待加工光学零件的待加工表面，并使它们之间保持一定的放电间隙，放电距离范围为1mm-5mm；
步骤四：预热射频电源和混合等离子体气源中的气体质量流量控制器，预热时间为5-10分钟；然后打开混合等离子体气源，使离子体气体的流量为0.5 L/min -3 L/min，反应气体的气体流量为10 ml/min- 60 ml/min，辅助气体与反应气体流量的比例为0%-50%；
步骤五：当微孔径的等离子体炬的放电工作面和待加工光学零件的待加工表面之间的放电间隙内充满等离子体气体、反应气体与辅助气体的混合气体后，启动射频电源，逐步增加射频电源的功率，使功率达到200W-360W，同时控制射频电源的反射功率为零，在射频电源工作的过程中持续稳定的通入混合气体，使微孔径的等离子体炬的放电工作面和待加工光学零件的待加工表面之间的放电间隙产生稳定的等离子体放电；
步骤六：根据待加工光学零件的待加工表面相应位置的期望去除量，使微孔径的等离子体炬进行多自由度运动，并且控制其在待加工光学零件的待加工表面上不同位置的驻留时间；
步骤七：待加工完成后，关闭射频电源的电源，关闭混合等离子体气源，取出待加工光学零件，对加工去除深度进行测量，以判断是否达到加工要求。
本发明采用微孔直径为0.2mm-1mm的微孔电极炬，其放电产生半高宽为0.5mm-2mm的高斯型去除函数，可加工空间周期≥1mm的无表面及亚表面损伤的微结构光学零件，从而达到对大口径复杂曲面光学零件进行高效精确修形的目的。
本发明还具有的优点为：
1. 本发明中采用孔径为Ø0.2mm-1mm的微孔电极炬进行大气等离子体加工，去除函数半高宽可达到0.5mm-2mm，可以实现周期≥1mm自由曲面微结构光学零件的无表面和亚表面损伤的加工；
2. 微孔电极炬结构紧凑小巧，运动灵活，便于在加工过程中实现计算机数字控制，可控性好；
3. 微孔电极炬耗气量小，节约加工成本；
4. 采用微孔电极炬的大气等离子体加工过程中，发热量小，温度变化较小，可以获得比较稳定的去除函数。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是图1中微孔径的等离子体炬1与待加工光学零件5间的位置关系结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1所示，它的步骤方法是：
步骤一：在五轴联动机床3的绝缘工作架3-1上安装有微孔径的等离子体炬1，微孔径的等离子体炬1为细长圆柱体，其材质为铝，其下端中心部开有通气孔1-2，通气孔1-2的出气端口直径为0.2mm-1mm，通气孔1-2的进气口可通过绝缘工作架3-1上的导气孔3-4、气管4-1与混合等离子体气源4导气连通；微孔径的等离子体炬1可与射频电源2的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极；
步骤二：将待加工光学零件5装卡在地电极3-2上，地电极3-2固定在五轴联动机床3的水平运动工作台3-3上；将地电极3-2接地作为大气等离子体放电的阴极；
步骤三：使微孔径的等离子体炬1的放电工作面靠近待加工光学零件5的待加工表面，并使它们之间保持一定的放电间隙，放电距离范围为1mm-5mm；
步骤四：预热射频电源2和混合等离子体气源4中的气体质量流量控制器，预热时间为5-10分钟；然后打开混合等离子体气源4，使离子体气体的流量为0.5 L/min -3 L/min，反应气体的气体流量为10 ml/min- 60 ml/min，辅助气体与反应气体流量的比例为0%-50%；
步骤五：当微孔径的等离子体炬1的放电工作面和待加工光学零件5的待加工表面之间的放电间隙内充满等离子体气体、反应气体与辅助气体的混合气体后，启动射频电源2，逐步增加射频电源2的功率，使功率达到200W-360W，同时控制射频电源2的反射功率为零，在射频电源2工作的过程中持续稳定的通入混合气体，使微孔径的等离子体炬1的放电工作面和待加工光学零件5的待加工表面之间的放电间隙产生稳定的等离子体放电；
步骤六：根据待加工光学零件5的待加工表面相应位置的期望去除量，使微孔径的等离子体炬1进行多自由度运动，并且控制其在待加工光学零件5的待加工表面上不同位置的驻留时间；
步骤七：待加工完成后，关闭射频电源2的电源，关闭混合等离子体气源4，取出待加工光学零件5，对加工去除深度进行测量，以判断是否达到加工要求。
所述射频电源2频率为13.56MHz，最大功率为2KW。
所述混合等离子体气源4三路气体流量控制系统，可控气体流量范围为0-40L/min。
所述混合等离子体气源4的大气等离子体激发气体可以为氦气、氩气等惰性气体；反应气体可以为六氟化硫、四氟化碳、三氟化氮等；辅助气体可以为氧气。
所述待加工光学零件5材质为硅基光学材料，如熔融石英、碳化硅、超低膨胀玻璃等。
工作原理：由射频电源2出端连接微孔径的等离子体炬1作为大气等离子体放电的阳极，地电极3-2接地作为大气等离子体放电的阴极；由混合等离子体气源4供激发产生等离子体的气体充满微孔径的等离子体炬1和待加工光学零件5加工表面之间的间隙，由射频电源2供输出电能，在微孔径的等离子体炬1和待加工光学零件5放电间隙产生等离子体，同时反应气体被激发，产生具有反应活性的原子与待加工光学零件5表面发生化学反应，并生成挥发性的反应产物离开零件表面，由此实现对待加工光学零件5无损伤快速加工。采用微孔径的等离子体炬1 (单位去除函数是半高宽为0.5mm的高斯型)进行较小空间周期面形的修形，从而达到对大口径复杂曲面光学零件5行高效精确修形的目的。
Claims (2)
1.自由曲面微结构光学零件的大气等离子体加工方法，其特征在于它的步骤方法是：
步骤一：在五轴联动机床（3）的绝缘工作架（3-1）上安装有微孔径的等离子体炬（1），微孔径的等离子体炬（1）为细长圆柱体，其材质为铝，其下端中心部开有通气孔（1-2），通气孔（1-2）的出气端口直径为0.2mm-1mm，通气孔（1-2）的进气口可通过绝缘工作架（3-1）上的导气孔（3-4）、气管（4-1）与混合等离子体气源（4）导气连通；微孔径的等离子体炬（1）可与射频电源（2）的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极；
步骤二：将待加工光学零件（5）装卡在地电极（3-2）上，地电极（3-2）固定在五轴联动机床（3）的水平运动工作台（3-3）上；将地电极（3-2）接地作为大气等离子体放电的阴极；
步骤三：使微孔径的等离子体炬（1）的放电工作面靠近待加工光学零件（5）的待加工表面，并使它们之间保持一定的放电间隙，放电距离范围为1mm-5mm；
步骤四：预热射频电源（2）和混合等离子体气源（4）中的气体质量流量控制器，预热时间为5-10分钟；然后打开混合等离子体气源（4），使离子体气体的流量为0.5 L/min -3 L/min，反应气体的气体流量为10 ml/min- 60 ml/min，辅助气体与反应气体流量的比例为0%-50%；
步骤五：当微孔径的等离子体炬（1）的放电工作面和待加工光学零件（5）的待加工表面之间的放电间隙内充满等离子体气体、反应气体与辅助气体的混合气体后，启动射频电源（2），逐步增加射频电源（2）的功率，使功率达到200W-360W，同时控制射频电源（2）的反射功率为零，在射频电源（2）工作的过程中持续稳定的通入混合气体，使微孔径的等离子体炬（1）的放电工作面和待加工光学零件（5）的待加工表面之间的放电间隙产生稳定的等离子体放电；
步骤六：根据待加工光学零件（5）的待加工表面相应位置的期望去除量，使微孔径的等离子体炬（1）进行多自由度运动，并且控制其在待加工光学零件（5）的待加工表面上不同位置的驻留时间；
步骤七：待加工完成后，关闭射频电源（2）的电源，关闭混合等离子体气源（4），取出待加工光学零件（5），对加工去除深度进行测量，以判断是否达到加工要求。
2.根据权利要求1所述的自由曲面微结构光学零件的大气等离子体加工方法，其特征在于所述混合等离子体气源（7）中的大气等离子体激发气体可以为氦气、氩气等惰性气体；反应气体可以为六氟化硫、四氟化碳、三氟化氮等；辅助气体可以为氧气。
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2013
- 2013-05-14 CN CN2013101770593A patent/CN103227092A/zh active Pending
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