CN103273180B - 自由曲面光学零件的大气等离子体数控加工方法 - Google Patents
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Abstract
自由曲面光学零件的大气等离子体数控加工方法，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：在工作架上安装有大口径的等离子体炬或中口径的等离子体炬或小口径的等离子体炬；步骤二：将待加工光学零件装卡在地电极上；步骤三：使大口径的等离子体炬或中口径的等离子体炬或小口径的等离子体炬靠近待加工表面；步骤四：预热；步骤五：启动射频电源；步骤六：使大口径的等离子体炬或中口径的等离子体炬或小口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。本发明采用三种不同口径的等离子体炬对大口径复杂曲面光学零件进行大气等离子体加工。
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
大口径复杂曲面光学零件，例如连续位相板等的表面峰谷值较大并且表面空间周期变化也很大，若加工时选择尺寸较小的去除函数，可以保证较高的加工精度，但是去除率较低；而若选择尺寸较大的去除函数时，可以获得较高的加工效率，但加工后的残留误差较大。目前此类零件的制造一般采用磁流变抛光方法和数控化学抛光方法。磁流变抛光方法中，虽然以剪切力为主、压力为辅，几乎不产生亚表面损伤层，并且该方法可以获得1mm的最小空间分辨率，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。而数控化学抛光方法虽然采用纯化学刻蚀机制，可以避免在加工过程中产生亚表面缺陷，但其加工的最小空间分辨率为5mm，根据采样定理，该加工方法只能实现对空间周期＞10mm的表面的精确修形。
发明内容
本发明的目的是提供一种自由曲面光学零件的大气等离子体数控加工方法，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光学零件的大气等离子体数控加工方法，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大口径的等离子体炬或中口径的等离子体炬或小口径的等离子体炬，所述大口径的等离子体炬的放电工作面为方形平面或圆形平面，其材质为铝，并与射频电源的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极，其边侧位置设置有进气口，进气口与绝缘工作架上的导气孔的出气口导气连接；所述中口径的等离子体炬由内电极、圆环形聚四氟乙烯连接块、圆环形绝缘固定套、中空圆环形外电极、圆管形陶瓷喷嘴组成；
圆环形聚四氟乙烯连接块的上端面上开有与圆环形聚四氟乙烯连接块内孔连通的进气孔，圆环形绝缘固定套上设置有多个通气孔，中空圆环形外电极内部设置有冷却空腔；内电极的上端镶嵌在圆环形聚四氟乙烯连接块的内孔的上端中，圆环形绝缘固定套套接在内电极的中部，圆环形绝缘固定套外圆面的上部镶嵌在圆环形聚四氟乙烯连接块的内孔的下端处，圆管形陶瓷喷嘴的上端套接在圆环形绝缘固定套外圆面的下部上，使圆管形陶瓷喷嘴的内圆面与内电极的外圆面下部之间有一圈均匀的间隙，使进气孔通过内孔、通气孔与间隙导气连通，中空圆环形外电极的上端与圆环形聚四氟乙烯连接块的下端连接，中空圆环形外电极的内孔套接在圆管形陶瓷喷嘴的外圆面上，中空圆环形外电极的下端面与圆管形陶瓷喷嘴的下端面、内电极的下端面平齐；所述内电极与射频电源的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极，进气孔与绝缘工作架上的导气孔的出气口导气连接；所述小口径的等离子体炬为细长圆柱体，其材质为铝，并与射频电源的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极，其下端中心部开有通气孔，通气孔的进气口与绝缘工作架上的导气孔的出气口导气连接；
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；当绝缘工作架上安装有大口径的等离子体炬时，大口径的等离子体炬的进气端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；当绝缘工作架上安装有中口径的等离子体炬时，中口径的等离子体炬的进气端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；当绝缘工作架上安装有小口径的等离子体炬时，小口径的等离子体炬的进气端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；
步骤三：使大口径的等离子体炬的放电工作面或中口径的等离子体炬的放电工作面或小口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2mm-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，当大口径的等离子体炬进行大气等离子体加工时，离子体气体的流量为2L/min-5L/min，反应气体的气体流量为20ml/min-90ml/min，辅助气体与反应气体流量的比例为0％-50％，所加射频功率范围200W-400W；当中口径的等离子体炬进行大气等离子体加工时，离子体气体的流量为2L/min-3L/min，反应气体的气体流量为10ml/min-80ml/min，辅助气体与反应气体流量的比例为0％-50％，所加射频功率范围200W-360W；当小口径的等离子体炬进行大气等离子体加工时，离子体气体的流量为0.5L/min-3L/min，反应气体的气体流量为10ml/min-60ml/min，辅助气体与反应气体流量的比例为0％-50％，所加射频功率为200W-360W；
步骤五：当大口径的等离子体炬的放电工作面或中口径的等离子体炬的放电工作面或小口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，逐步增加射频功率，使大口径的等离子体炬的射频功率达到200W-400W，中口径的等离子体炬和小口径的等离子体炬的射频功率均达到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，使大口径的等离子体炬的放电工作面或中口径的等离子体炬的放电工作面或小口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，使大口径的等离子体炬或中口径的等离子体炬或小口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。
本发明采用三种不同口径的等离子体炬对大口径复杂曲面光学零件进行大气等离子体加工。大气等离子体加工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。本发明综合考虑加工效率和加工精度两个方面的因素，加工时先采用大口径的大面积等离子体炬进行大去除量的修形，然后采用中口径的同轴等离子体炬(单位去除函数是半高宽为6mm的高斯型)进行较大空间周期面形的修形，最后再采用小口径的微孔电极炬(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.本发明采用大气等离子体加工，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.采用三种不同口径的等离子体炬对大口径复杂曲面光学零件进行大气等离子体加工。加工时先采用大口径的大面积等离子体炬进行大去除量的修形，然后采用中口径的同轴等离子体炬进行较大空间周期面形的修形，最后再采用小口径的微孔电极炬进行较小空间周期面形的修形；
3.每一次换炬加工前，都需要通过检测获得光学零件的面形误差函数(即去除量函数)，然后根据不同炬的单位去除函数及加工轨迹的设定，求取不同炬在光学零件表面相应位置的驻留时间及控制机床各轴运动的数控代码。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是图1中绝缘工作架4-1上安装有大口径的等离子体炬1时，大口径的等离子体炬1与待加工光学零件6之间的位置关系结构示意图；
图3是图1中绝缘工作架4-1上安装有中口径的等离子体炬2时，中口径的等离子体炬2与待加工光学零件6之间的位置关系结构示意图；
图4是图1中绝缘工作架4-1上安装有小口径的等离子体炬3时，小口径的等离子体炬3与待加工光学零件6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所示，它的步骤方法是：
步骤一：在五轴联动机床4的绝缘工作架4-1上安装有大口径的等离子体炬1或中口径的等离子体炬2或小口径的等离子体炬3，大口径的等离子体炬1或中口径的等离子体炬2或小口径的等离子体炬3可与射频电源5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6装卡在地电极4-2上，地电极4-2固定在五轴联动机床4的水平运动工作台4-3上；将地电极4-2接地作为大气等离子体放电的阴极；当绝缘工作架4-1上安装有大口径的等离子体炬1时，大口径的等离子体炬1的进气端口1-1可通过绝缘工作架4-1上的导气孔4-4、气管7-1与混合等离子体气源7导气连通；当绝缘工作架4-1上安装有中口径的等离子体炬2时，中口径的等离子体炬2的进气端口2-1可通过绝缘工作架4-1上的导气孔4-4、气管7-1与混合等离子体气源7导气连通；当绝缘工作架4-1上安装有小口径的等离子体炬3时，小口径的等离子体炬3的进气端口3-2可通过绝缘工作架4-1上的导气孔4-4、气管7-1与混合等离子体气源7导气连通；
步骤三：使大口径的等离子体炬1的放电工作面或中口径的等离子体炬2的放电工作面或小口径的等离子体炬3的放电工作面靠近待加工光学零件6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2mm-5mm；
步骤四：预热射频电源5和混合等离子体气源7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7，使离子体气体的流量为0.5L/min-5L/min，反应气体流量为10ml/min-90ml/min，辅助气体与反应气体流量的比例为0％-50％；
步骤五：当大口径的等离子体炬1的放电工作面或中口径的等离子体炬2的放电工作面或小口径的等离子体炬3的放电工作面和待加工光学零件6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5，逐步增加射频电源5的功率，使功率达到200W-400W，同时控制射频电源5的反射功率为零，在射频电源5工作的过程中持续稳定的通入混合气体，使大口径的等离子体炬1的放电工作面或中口径的等离子体炬2的放电工作面或小口径的等离子体炬3的放电工作面和待加工光学零件6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6的待加工表面相应位置的期望去除量，使大口径的等离子体炬1或中口径的等离子体炬2或小口径的等离子体炬3进行多自由度运动，并且控制其在待加工光学零件6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5的电源，关闭混合等离子体气源7，取出待加工光学零件6，对加工去除深度进行测量，以判断是否达到加工要求。
所述五轴联动数控机床4采用三个直线轴加偏置式双摆头的结构，并且具有一个密闭的工作舱，可以使加工过程中生成的有毒气体不直接排放到空气中，从而保证加工人员的人身安全。
所述射频电源5的频率为13.56MHz，最大功率为2KW。
所述混合等离子体气源7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6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。
具体实施方式二：结合图2说明，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于所述大口径的等离子体炬1的放电工作面为方形平面或圆形平面，其材质为铝，并与射频电源5的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极，其边侧位置设置有进气口1-1，进气口1-1与绝缘工作架4-1上的导气孔4-4的出气口导气连接；当大口径的等离子体炬1进行大气等离子体加工时，离子体气体的流量为2L/min-5L/min，反应气体的气体流量为20ml/min-90ml/min，辅助气体与反应气体流量的比例为0％-50％，所加射频功率范围200W-400W。其它方法步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图3说明，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于所述中口径的等离子体炬2由内电极A1、圆环形聚四氟乙烯连接块A2、圆环形绝缘固定套A3、中空圆环形外电极A4、圆管形陶瓷喷嘴A5组成；
圆环形聚四氟乙烯连接块A2的上端面上开有与圆环形聚四氟乙烯连接块A2内孔A2-1连通的进气孔A2-2，圆环形绝缘固定套A3上设置有多个通气孔A3-1，中空圆环形外电极A4内部设置有冷却空腔A4-1；内电极A1的上端镶嵌在圆环形聚四氟乙烯连接块A2的内孔A2-1的上端中，圆环形绝缘固定套A3套接在内电极A1的中部，圆环形绝缘固定套A3外圆面的上部镶嵌在圆环形聚四氟乙烯连接块A2的内孔A2-1的下端处，圆管形陶瓷喷嘴A5的上端套接在圆环形绝缘固定套A3外圆面的下部上，使圆管形陶瓷喷嘴A5的内圆面与内电极A1的外圆面下部之间有一圈均匀的间隙A5-1，使进气孔A2-2通过内孔A2-1、通气孔A3-1与间隙A5-1导气连通，中空圆环形外电极A4的上端与圆环形聚四氟乙烯连接块A2的下端连接，中空圆环形外电极A4的内孔套接在圆管形陶瓷喷嘴A5的外圆面上，中空圆环形外电极A4的下端面与圆管形陶瓷喷嘴A5的下端面、内电极A1的下端面平齐；所述内电极A1与射频电源5的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极，进气孔A2-2与绝缘工作架4-1上的导气孔4-4的出气口导气连接；当中口径的等离子体炬2进行大气等离子体加工时，离子体气体的流量为2L/min-3L/min，反应气体的气体流量为10ml/min-80ml/min，辅助气体与反应气体流量的比例为0％-50％，所加射频功率范围200W-360W。其它方法步骤与具体实施方式一相同。
所述内电极A1的材质为铝，中空圆环形外电极A4的材质为铝，圆环形绝缘固定套A3的材质为聚四氟乙烯。
具体实施方式四：结合图4说明，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于所述小口径的等离子体炬3为细长圆柱体，其材质为铝，并与射频电源5的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极，其下端中心部开有通气孔3-2，通气孔3-2的进气口与绝缘工作架4-1上的导气孔4-4的出气口导气连接；当小口径的等离子体炬3进行大气等离子体加工时，离子体气体的流量为0.5L/min-3L/min，反应气体的气体流量为10ml/min-60ml/min，辅助气体与反应气体流量的比例为0％-50％，所加射频功率为200W-360W。其它方法步骤与具体实施方式一相同。
工作原理：由射频电源5输出端连接大口径的等离子体炬1或中口径的等离子体炬2或小口径的等离子体炬3作为大气等离子体放电的阳极，地电极4-2接地作为大气等离子体放电的阴极；由混合等离子体气源7提供激发产生等离子体的气体充满大口径的等离子体炬1或中口径的等离子体炬2或小口径的等离子体炬3和待加工光学零件6待加工表面之间的间隙，由射频电源5提供输出电能，在大口径的等离子体炬1或中口径的等离子体炬2或小口径的等离子体炬3和待加工光学零件6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6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6的无损伤快速加工。综合考虑加工效率和加工精度两个方面的因素，加工时先采用大口径的大面积等离子体炬1进行大去除量的修形，然后采用中口径的同轴等离子体炬2(单位去除函数是半高宽为6mm的高斯型)进行较大空间周期面形的修形，最后再采用小口径的微孔电极炬3(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6进行高效精确修形的目的。
Claims (2)
1.自由曲面光学零件的大气等离子体数控加工方法，其特征在于它的步骤方法是：
步骤一：在五轴联动机床(4)的绝缘工作架(4-1)上安装有大口径的等离子体炬(1)或中口径的等离子体炬(2)或小口径的等离子体炬(3)，所述大口径的等离子体炬(1)的放电工作面为方形平面或圆形平面，其材质为铝，并与射频电源(5)的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极，其边侧位置设置有进气口(1-1)，进气口(1-1)与绝缘工作架(4-1)上的导气孔(4-4)的出气口导气连接；所述中口径的等离子体炬(2)由内电极(A1)、圆环形聚四氟乙烯连接块(A2)、圆环形绝缘固定套(A3)、中空圆环形外电极(A4)、圆管形陶瓷喷嘴(A5)组成；圆环形聚四氟乙烯连接块(A2)的上端面上开有与圆环形聚四氟乙烯连接块(A2)内孔(A2-1)连通的进气孔(A2-2)，圆环形绝缘固定套(A3)上设置有多个通气孔(A3-1)，中空圆环形外电极(A4)内部设置有冷却空腔(A4-1)；内电极(A1)的上端镶嵌在圆环形聚四氟乙烯连接块(A2)的内孔(A2-1)的上端中，圆环形绝缘固定套(A3)套接在内电极(A1)的中部，圆环形绝缘固定套(A3)外圆面的上部镶嵌在圆环形聚四氟乙烯连接块(A2)的内孔(A2-1)的下端处，圆管形陶瓷喷嘴(A5)的上端套接在圆环形绝缘固定套(A3)外圆面的下部上，使圆管形陶瓷喷嘴(A5)的内圆面与内电极(A1)的外圆面下部之间有一圈均匀的间隙(A5-1)，使进气孔(A2-2)通过内孔(A2-1)、通气孔(A3-1)与间隙(A5-1)导气连通，中空圆环形外电极(A4)的上端与圆环形聚四氟乙烯连接块(A2)的下端连接，中空圆环形外电极(A4)的内孔套接在圆管形陶瓷喷嘴(A5)的外圆面上，中空圆环形外电极(A4)的下端面与圆管形陶瓷喷嘴(A5)的下端面、内电极(A1)的下端面平齐；所述内电极(A1)与射频电源(5)的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极，进气孔(A2-2)与绝缘工作架(4-1)上的导气孔(4-4)的出气口导气连接；所述小口径的等离子体炬(3)为细长圆柱体，其材质为铝，并与射频电源(5)的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极，其下端中心部开有通气孔(3-2)，通气孔(3-2)的进气口与绝缘工作架(4-1)上的导气孔(4-4)的出气口导气连接；
步骤二：将待加工光学零件(6)装卡在地电极(4-2)上，地电极(4-2)固定在五轴联动机床(4)的水平运动工作台(4-3)上；将地电极(4-2)接地作为大气等离子体放电的阴极；当绝缘工作架(4-1)上安装有大口径的等离子体炬(1)时，大口径的等离子体炬(1)的进气端口(1-1)可通过绝缘工作架(4-1)上的导气孔(4-4)、气管(7-1)与混合等离子体气源(7)导气连通；当绝缘工作架(4-1)上安装有中口径的等离子体炬(2)时，中口径的等离子体炬(2)的进气端口(2-1)可通过绝缘工作架(4-1)上的导气孔(4-4)、气管(7-1)与混合等离子体气源(7)导气连通；当绝缘工作架(4-1)上安装有小口径的等离子体炬(3)时，小口径的等离子体炬(3)的进气端口(3-2)可通过绝缘工作架(4-1)上的导气孔(4-4)、气管(7-1)与混合等离子体气源(7)导气连通；
步骤三：使大口径的等离子体炬(1)的放电工作面或中口径的等离子体炬(2)的放电工作面或小口径的等离子体炬(3)的放电工作面靠近待加工光学零件(6)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2mm-5mm；
步骤四：预热射频电源(5)和混合等离子体气源(7)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(7)，当大口径的等离子体炬(1)进行大气等离子体加工时，离子体气体的流量为2L/min-5L/min，反应气体的气体流量为20ml/min-90ml/min，辅助气体与反应气体流量的比例为0％-50％，所加射频功率范围200W-400W；当中口径的等离子体炬(2)进行大气等离子体加工时，离子体气体的流量为2L/min-3L/min，反应气体的气体流量为10ml/min-80ml/min，辅助气体与反应气体流量的比例为0％-50％，所加射频功率范围200W-360W；当小口径的等离子体炬(3)进行大气等离子体加工时，离子体气体的流量为0.5L/min-3L/min，反应气体的气体流量为10ml/min-60ml/min，辅助气体与反应气体流量的比例为0％-50％，所加射频功率为200W-360W；
步骤五：当大口径的等离子体炬(1)的放电工作面或中口径的等离子体炬(2)的放电工作面或小口径的等离子体炬(3)的放电工作面和待加工光学零件(6)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(5)，逐步增加射频功率，使大口径的等离子体炬(1)的射频功率达到200W-400W，中口径的等离子体炬(2)和小口径的等离子体炬(3)的射频功率均达到200W-360W，同时控制射频电源(5)的反射功率为零，在射频电源(5)工作的过程中持续稳定的通入混合气体，使大口径的等离子体炬(1)的放电工作面或中口径的等离子体炬(2)的放电工作面或小口径的等离子体炬(3)的放电工作面和待加工光学零件(6)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(6)的待加工表面相应位置的期望去除量，使大口径的等离子体炬(1)或中口径的等离子体炬(2)或小口径的等离子体炬(3)进行多自由度运动，并且控制其在待加工光学零件(6)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(5)的电源，关闭混合等离子体气源(7)，取出待加工光学零件(6)，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所述的自由曲面光学零件的大气等离子体数控加工方法，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为氦气或氩气；反应气体为六氟化硫、四氟化碳或三氟化氮；辅助气体为氧气。
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