CN103273149B - 水电极大气等离子体加工大口径非球面光学零件的方法 - Google Patents

Abstract

水电极大气等离子体加工大口径非球面光学零件的方法，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：将成形电极连接在工作架上；步骤二：在待加工光学零件的下方的所有喷头喷出的水都接地；步骤三：使成形电极靠近待加工光学零件的待加工表面；步骤四：预热射频电源和混合等离子体气源；步骤五：使所有喷头喷出的水都喷射到待加工光学零件的下端面上，启动射频电源；步骤六：使所有喷头进行左右移动和前后移动；步骤七：取出待加工光学零件。本发明采用直线式排列的水射流作为电极来进行等离子体加工，水射流可以保证在每条直线上的放电特性相同。

Description

水电极大气等离子体加工大口径非球面光学零件的方法

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

目前，对于大口径非球面光学零件的加工要求越来越高，不仅要求较高的面形精度、较低的表面粗糙度、无表层和亚表层损伤，而且要求提高加工效率。目前此类超光滑表面的获得方法主要是采用计算机控制小工具抛光的方法，如气囊抛光、磁流变抛光等，这些抛光技术虽然可以获得较高的面形精度和较低的表面粗糙度，但是加工周期长、效率低，而且可能会造成一定程度的表层和亚表层损伤。而大气等离子体加工是基于活性粒子与工件表面原子之间的化学反应，生成易于处理的挥发性物质，从而实现材料的无损伤去除。目前，大气等离子体加工主要采用基于CCOS原理的小孔径工具加工的方法，仍然存在加工效率较低的问题。作为一种解决方法，采用大面积成形电极的电容耦合式的大气等离子体加工方法可以实现较高的加工效率。然而，大面积成形电极放电比较容易产生放电不均匀的现象，从而导致对大口径光学零件的修形效果不甚理想。另外，大面积成形电极之间的相对运动难以实现，对工件的加工范围固定，因此加工灵活性较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种水电极大气等离子体加工大口径非球面光学零件的方法，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：所述的一种水电极大气等离子体加工大口径非球面光学零件的方法，它的步骤方法是：

步骤一：将成形电极(1)的上端面绝缘连接在升降装置(2)的竖直运动工作架(2-1)上，使成形电极(1)与射频电源(3)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(4)装卡在夹具(2-2)上，在待加工光学零件(4)的下方设置有直线排列的一排喷头(2-3)，所有喷头(2-3)都设置在多自由度运动工作台(2-4)上，所有喷头(2-3)的进水口都连接水泵(6)的出水口，使待加工光学零件(4)的下端面与所有喷头(2-3)的喷嘴口之间有一定的间隙，间隙的距离为1mm-50mm；根据去除函数半高宽的要求，所有喷头(2-3)的喷嘴口的直径可在0.5mm-50mm范围内调节；所有喷头(2-3)喷出的水都通过喷头(2-3)接地作为大气等离子体放电的阴极；

步骤三：使成形电极(1)靠近待加工光学零件(4)的待加工表面，并使它们之间保持一定的放电间隙，放电间隙范围为2mm-5mm；放电间隙附近设置有出气管(5-1)，出气管(5-1)的进气端口与混合等离子体气源(5)的出气端口导气连通；

步骤四：预热射频电源(3)和混合等离子体气源(5)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(5)，使等离子体气体的流量为2L/min-5L/min，反应气体流量为20ml/min-90ml/min，辅助气体与反应气体流量的比例为0％-50％；

步骤五：当成形电极(1)和待加工光学零件(4)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，启动水泵(6)，使喷头(2-3)喷水，其水的电导率为125μs/cm-1250μs/cm，水的压力为0.1MPa-0.5MPa，使所有喷头(2-3)喷出的水都喷射到待加工光学零件(4)的下端面上，启动射频电源(3)，逐步增加射频电源(3)的功率，使功率达到200W-400W，同时控制射频电源(3)的反射功率为零，在射频电源(3)工作的过程中持续稳定的通入混合气体，使成形电极(1)和待加工光学零件(4)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(4)的表面相应位置的期望去除量，使直线排列的所有喷头(2-3)进行左右移动和前后移动，形成直线光栅式的扫描路径，并且控制所有喷头(2-3)喷射出的水在待加工光学零件(4)的下端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(3)的电源，关闭混合等离子体气源(5)，关闭水泵(6)，停止喷头(2-3)喷水，取出待加工光学零件(4)，对加工去除深度进行测量，以判断是否达到加工要求。

本发明采用直线式排列的水射流作为电极来进行等离子体加工，水射流可以保证在每条直线上的放电特性相同，避免放电不均匀的问题。水射流的加工口径容易调节，可以实现不同曲率半径光学零件表面的加工，而且可以根据需要加工的范围选择水射流喷头的个数，需要大面积修形时选择多个喷头，需要局部修形时可以选择单个喷头，加工灵活性好。水射流可以进行多自由度运动，可以通过调节水射流的位置来控制放电的位置，通过控制相应位置水喷射的时间来控制加工去除量。另外，水射流不仅可以作为放电电极，而且可以起到冷却作用，能有效控制大气等离子体加工过程中的热效应、降低温度对去除率的影响，从而获得稳定的去除函数。因此，本发明采用直线式排列的水射流作为电极对大口径非球面光学零件表面进行修形，从而获得期望的面形。

本发明还具有的优点为：

1.本发明采用大气等离子体加工，并且避免了传统接触式研抛方法造成的表面残余应力及亚表层损伤等问题；

2.直线排列的水射流可以保证在每条直线上的放电特性相同，避免放电不均匀的问题；

3.直线排列的水射流电极的每个喷头的孔径容易调节，可以获得不同半高宽的高斯型单位去除函数；

4.可以根据需要加工的范围选择直线排列的水射流电极喷头的个数，需要大面积修形时选择多个喷头，需要局部修形时可以选择单个喷头，放电位置可以通过水流喷射的位置控制，加工去除量可以通过控制相应位置的水流喷射时间得到精准的控制；

5.直线排列的水射流电极不仅可以进行直线光栅式扫描运动，而且可以进行旋转式扫描运动形成圆电极；

6.直线排列的水射流电极起到冷却作用，有效控制了大气等离子体加工过程中的热效应，降低了温度对加工过程的影响。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是图1中成形电极1、待加工光学零件4与所有喷头2-3之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、图2所示，它的步骤方法是：

步骤一：将成形电极(1)的上端面绝缘连接在升降装置(2)的竖直运动工作架(2-1)上，使成形电极(1)与射频电源(3)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(4)装卡在夹具(2-2)上，在待加工光学零件(4)的下方设置有直线排列的一排喷头(2-3)，所有喷头(2-3)都设置在多自由度运动工作台(2-4)上，所有喷头(2-3)的进水口都连接水泵(6)的出水口，使待加工光学零件(4)的下端面与所有喷头(2-3)的喷嘴口之间有一定的间隙，间隙的距离为1mm-50mm；根据去除函数半高宽的要求，所有喷头(2-3)的喷嘴口的直径可在0.5mm-50mm范围内调节；所有喷头(2-3)喷出的水都通过喷头(2-3)接地作为大气等离子体放电的阴极；

步骤三：使成形电极(1)靠近待加工光学零件(4)的待加工表面，并使它们之间保持一定的放电间隙，放电间隙范围为2mm-5mm；放电间隙附近设置有出气管(5-1)，出气管(5-1)的进气端口与混合等离子体气源(5)的出气端口导气连通；

步骤四：预热射频电源(3)和混合等离子体气源(5)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(5)，使等离子体气体的流量为2L/min-5L/min，反应气体流量为20ml/min-90ml/min，辅助气体与反应气体流量的比例为0％-50％；

步骤五：当成形电极(1)和待加工光学零件(4)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，启动水泵(6)，使喷头(2-3)喷水，其水的电导率为125μs/cm-1250μs/cm，水的压力为0.1MPa-0.5MPa，使所有喷头(2-3)喷出的水都喷射到待加工光学零件(4)的下端面上，启动射频电源(3)，逐步增加射频电源(3)的功率，使功率达到200W-400W，同时控制射频电源(3)的反射功率为零，在射频电源(3)工作的过程中持续稳定的通入混合气体，使成形电极(1)和待加工光学零件(4)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(4)的表面相应位置的期望去除量，使直线排列的所有喷头(2-3)进行左右移动和前后移动，形成直线光栅式的扫描路径，并且控制所有喷头(2-3)喷射出的水在待加工光学零件(4)的下端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(3)的电源，关闭混合等离子体气源(5)，关闭水泵(6)，停止喷头(2-3)喷水，取出待加工光学零件(4)，对加工去除深度进行测量，以判断是否达到加工要求。

所述成形电极1的材质为铝。

所述喷头2-3的材质为铝。

所述射频电源3的频率为13.56MHz，最大功率为2KW。

所述混合等离子体气源5为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(5)中的等离子气体为氦气、氩气中的一种；反应气体为六氟化硫、四氟化碳、三氟化氮中的一种；辅助气体为氧气。

所述待加工光学零件4的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3输出端连接成形电极1作为大气等离子体放电的阳极，所有喷头2-3喷到待加工光学零件4的下端面上的水都接地作为大气等离子体放电的地电极，由混合等离子体气源5提供激发产生等离子体的气体充满成形电极1和待加工光学零件4待加工表面之间的间隙，由射频电源3提供输出电能，在成形电极1和待加工光学零件4的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4的表面发生化学反应，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4的无损伤快速加工。

Claims (3)

1.水电极大气等离子体加工大口径非球面光学零件的方法，其特征在于它的步骤方法是：

步骤一：将成形电极(1)的上端面绝缘连接在升降装置(2)的竖直运动工作架(2-1)上，使成形电极(1)与射频电源(3)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(4)装卡在夹具(2-2)上，在待加工光学零件(4)的下方设置有直线排列的一排喷头(2-3)，所有喷头(2-3)都设置在多自由度运动工作台(2-4)上，所有喷头(2-3)的进水口都连接水泵(6)的出水口，使待加工光学零件(4)的下端面与所有喷头(2-3)的喷嘴口之间有一定的间隙，间隙的距离为1mm-50mm；根据去除函数半高宽的要求，所有喷头(2-3)的喷嘴口的直径可在0.5mm-50mm范围内调节；所有喷头(2-3)喷出的水都通过喷头(2-3)接地作为大气等离子体放电的阴极；

步骤三：使成形电极(1)靠近待加工光学零件(4)的待加工表面，并使它们之间保持一定的放电间隙，放电间隙范围为2mm-5mm；放电间隙附近设置有出气管(5-1)，出气管(5-1)的进气端口与混合等离子体气源(5)的出气端口导气连通；

步骤四：预热射频电源(3)和混合等离子体气源(5)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(5)，使等离子体气体的流量为2L/min-5L/min，反应气体流量为20ml/min-90ml/min，辅助气体与反应气体流量的比例为0％-50％；

步骤五：当成形电极(1)和待加工光学零件(4)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，启动水泵(6)，使喷头(2-3)喷水，其水的电导率为125μs/cm-1250μs/cm，水的压力为0.1MPa-0.5MPa，使所有喷头(2-3)喷出的水都喷射到待加工光学零件(4)的下端面上，启动射频电源(3)，逐步增加射频电源(3)的功率，使功率达到200W-400W，同时控制射频电源(3)的反射功率为零，在射频电源(3)工作的过程中持续稳定的通入混合气体，使成形电极(1)和待加工光学零件(4)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(4)的表面相应位置的期望去除量，使直线排列的所有喷头(2-3)进行左右移动和前后移动，形成直线光栅式的扫描路径，并且控制所有喷头(2-3)喷射出的水在待加工光学零件(4)的下端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(3)的电源，关闭混合等离子体气源(5)，关闭水泵(6)，停止喷头(2-3)喷水，取出待加工光学零件(4)，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所述的水电极大气等离子体加工大口径非球面光学零件的方法，其特征在于所述成形电极(1)的材质为铝。

3.根据权利要求1所述的水电极大气等离子体加工大口径非球面光学零件的方法，其特征在于所述混合等离子体气源(5)中的等离子气体为氦气、氩气中的一种；反应气体为六氟化硫、四氟化碳、三氟化氮中的一种；辅助气体为氧气。