CN104385064A - 一种数控小工具与环抛机相结合的大口径平面加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种数控小工具与环抛机相结合的大口径平面加工方法，包括如下步骤：使用数控小工具对铣磨成形工件进行研磨和粗抛光，研磨去除工件的破坏层及控制面形,研磨完成后转入粗抛光阶段，粗抛光去除研磨产生的表面破坏层，粗抛光结束后再使用数控小工具与环抛机相结合进行精修面形，利用面形检测装置对光学镜面进行面形误差检测，使最后加工的镜面面形精度达到设计要求，本发明解决大口径平面镜加工工艺，提供了一种大口径平面镜加工工艺的新方法，为更大的大口径平面镜光学元件加工工艺奠定基础。
Description
技术领域
本发明涉及平面加工的技术领域，具体涉及一种数控小工具与环抛机相结合的大口径平面加工方法。
背景技术
随着激光核聚变装置的需求的增长，全世界各国家已经建立了超过20个大型的激光设备，如美国的“国家点火装置”(NIF)和法国的兆焦耳激光器，中国也正在发展一种高功率激光设备。在所有激光设备，需要大量的高精度、大口径的光学元件。例如，在美国国家点火装置，约80％的平面光学元件的光学构件中，仅第一阶段的项目，需要使用3000件800mm×460mm×40mm的玻璃，这些质量要求的大口径光学元件，其控制的空间调制波长L的被分为高频段、中频段、低频段三个部分；
一般从要求的技术指标中的激光平面光学元件的特征在于：大口径，高精密的表面形状，超光滑表面，以及不规则的形状。
就国内而言，加工高精度大口径平面镜，尤其是较大口径的平面镜，加工水平仍是相对薄弱的，受限于加工与检测设备等条件，加工大口径平面镜的主要手段，还停留在传统古典法、连续环抛抛光等加工技术。
目前国内外研究光学元件大口径平面镜的加工技术主要有传统古典大盘加工、连续环抛机抛光、CCOS、在线电解磨削、磁流变抛光、离子束抛光、射流抛光、单点金刚石飞切光学平面等。
数控小工具加工镜面会残留大量中高频误差，而连续慢速环形抛光机加工镜面效率低、专家化和质量不稳定，连续慢速环形抛光机简称环抛机，Continuous Polishing Machine,它是一个重要的平面抛光技术，主要对异型、超薄平面镜窗口更突显其加工优势，环抛加工过程是复杂的，受多种因素影响，环境要求高。
数控小工具与环抛机相结合的大口径平面加工方法，工艺目的一是解决超薄大口径平面镜加工工艺，数控小工具加工技术对镜面加工的后期面形精度提升较快，效率较高；目的二是环抛机加工后的镜面基本没有的中高频误差，能抑制镜面绝大部分中高频误差。
一般口径超过毫米的平面镜加工可以采用毛胚→粗磨成型→小工具研磨→小工具抛光→环抛机→小工具与环抛机相结合精修→镀膜，这类先采用数控小工具子口径加工工艺的方法，口径毫米的大口径平面镜传统加工工艺：采用毛胚→粗磨成型→古典法大盘研磨→古典法大盘粗抛光→环抛机→镀膜，这类大盘加工方法会造成诸多的生产现实问题。
第一，环抛机加工对加工者例如高级技师严重依赖；
第二，环抛机加工效率低，多次反复；
第三，环抛机加工质量不稳定；
综上所述，传统大口径平面镜加工工艺会造成诸多的不足：专家化，进行大量地、不连续稳步地工作，抛光效率很难上台阶，加工效率较低与加工质量不稳定。
研究数控大口径平面加工工艺与检测的相关方法成为大口径平面光学加工的难点和热点，尤其是径厚比超过20:1的大口径平面镜窗口。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种光学大口径平面镜加工方法，本文仅涉及研磨、抛光部分。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种数控小工具与环抛机相结合的大口径平面加工方法，包括如下步骤：
步骤1)、研磨：使用数控小工具硬质金属细磨盘与铣磨成形平面镜表面接触加辅料金刚砂磨削加工，金刚砂颗粒由粗到细研磨，采用激光跟踪仪或者三坐标进行面形检测；
步骤2)、粗抛光：使用数控小工具磨盘与平面镜表面接触加辅料氧化铈磨削加工，先进行抛亮，同时抛亮过程中使用样板控制镜面面形，保证粗抛光最终面形精度满足干涉仪进行干涉检测；
步骤3)、环抛机抛光：使用环抛机抛光，消除低频误差，采用样板过程检测或干涉仪进行反复检测，监控镜面面形，尽量减小镜面面形误差；
步骤4)、抛光精修：使用数控小工具磨盘与平面镜表面接触加辅料氧化铈抛光，尽量消除环带误差和局部误差，再使用环抛机进行抛光，进一步提高镜面精度和抑制镜面中高频误差，然后使用数控小工具进行精修，最后使用环抛机进行平滑加工，消除中高频误差，采用干涉仪进行反复检测，面形达到镜面设计要求。
进一步的，所述大口径平面镜是指口径为400-2000mm，厚度为10-200mm。
进一步的，所述步骤1)加工后镜面表面面形精度PV值优于20μm，RMS值优于5μm，镜面研磨细，表面没有表面疵病，在研磨加工过程中，使用三坐标或者激光跟踪仪对光学元件的面形误差进行反复检测，注意加工前后面形变化，使用金刚砂颗粒由粗到细的进行研磨加工去除研磨成型阶段的破坏层。
进一步的，所述步骤2)数控小工具加工后镜面抛亮并控制面形，平面镜镜面面形精度PV值优于10μm，RMS值优于1μm。
进一步的，所述步骤3)环抛机抛光，大大减少镜面低频误差，进一步提高镜面精度，平面镜镜面面形精度达到PV值优于1λ，RMS值优于0.2λ，其中1λ＝0.6328μm。
进一步的，所述步骤4)使用数控小工具与环抛机相结合的加工工艺，光学平面元件在环抛机加工后没有明显的碎带，即通常所说的中高频误差，面形达到PV值优于0.2λ，RMS值优于0.04λ，然后使用数控小工具进行加工，最后使用环抛机进行平滑加工，消除中高频误差，达到镜面设计要求。
本发明具有以下优点：
1).数控小工具与环抛机相结合加工可以扬长避短，相互克服自己的缺点，从而提高质量与效率，缩短加工周期；
2).环抛机可以平滑数控小工具粗抛光和精修面形时产生的中高频误差；
3).对于米级口径的平面镜，将镜面的面形从粗抛光后的RMS值5μm提升到0.5μm，数控小工具加工需要较长时间，而这个阶段采用环抛机可以大量缩短加工周期；
4).对于米级超薄平面窗口，加工磨盘不可能做到整盘加工，考虑到支撑对镜面变形的影响，磨盘要做到小型化，从而使用小工具磨盘加工光学元件。
附图说明
图1是本发明实施例中口径610mm平面微晶玻璃实验件加工方法流程图；
图2是本发明实施例中口径610mm平面微晶玻璃实验件数控小工具抛光检测结果；
图3是本发明实施例中口径610mm平面微晶玻璃实验件抛光终检结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
参考图1，一种数控小工具与环抛机相结合的大口径平面加工方法，主要包括如下步骤：
步骤1)、研磨：使用数控小工具硬质金属细磨盘与铣磨成形平面镜表面接触加辅料金刚砂磨削加工，金刚砂颗粒由粗到细研磨，采用激光跟踪仪或者三坐标进行面形检测；
步骤2)、粗抛光：使用数控小工具磨盘与平面镜表面接触加辅料氧化铈磨削加工，先进行抛亮，同时抛亮过程中使用样板控制镜面面形，保证粗抛光最终面形精度满足干涉仪进行干涉检测；
步骤3)、环抛机抛光：使用环抛机抛光，消除低频误差，进一步提高镜面面形精度，大大减少低频误差和抑制镜面中高频误差，采用样板过程检测或干涉仪进行反复检测，监控镜面面形，尽量减小镜面面形误差；
步骤4)、抛光精修：使用数控小工具磨盘与平面镜表面接触加辅料氧化铈抛光，尽量消除环带误差和局部误差，再使用环抛机进行抛光，进一步提高镜面精度和抑制镜面中高频误差，然后使用数控小工具进行精修，最后使用环抛机进行平滑加工，消除中高频误差，采用干涉仪进行反复检测，面形达到镜面设计要求。
其中，所述大口径平面镜是指口径为400-2000mm，厚度为10-200mm。
其中，所述步骤1)加工后镜面表面面形精度PV值优于20μm，RMS值优于5μm，镜面研磨细，表面没有表面疵病，在研磨加工过程中，使用三坐标或者激光跟踪仪对光学元件的面形误差进行反复检测，注意加工前后面形变化，使用金刚砂颗粒由粗到细的进行研磨加工去除研磨成型阶段的破坏层。
其中，所述步骤2)数控小工具加工后镜面抛亮并控制面形，平面镜镜面面形精度PV值优于10μm，RMS值优于1μm，表面没有表面瑕疵。
其中，所述步骤3)环抛机抛光，大大减少镜面低频误差，进一步提高镜面精度，平面镜镜面面形精度达到PV值优于1λ，RMS值优于0.2λ，其中1λ＝0.6328μm，表面没有表面瑕疵。
其中，所述步骤4)使用数控小工具与环抛机相结合的加工工艺，光学平面元件在环抛机加工后没有明显的碎带，即通常所说的中高频误差，面形达到PV值优于0.2λ，RMS值优于0.04λ，然后使用数控小工具进行加工，最后使用环抛机进行平滑加工，消除中高频误差，达到镜面设计要求。
具体实例如下：
一种数控小工具与环抛机相结合的大口径平面加工方法，包括如下步骤：
(1)研磨：使用小工具铜制细磨盘口径110mm与口径610mm厚61mm微晶的平面镜表面接触加辅料金刚砂磨削加工，去除平面镜铣磨成形的破坏层，金刚砂颗粒由粗到细进行研磨，使用金刚砂绿砂W40去除破坏层，去除量为0.04-0.08mm，使用金刚砂绿砂W20去除破坏层，去除量为0.02-0.04mm，使用金刚砂绿砂W14去除破坏层，去除量为0.015-0.03mm，采用API激光跟踪仪在线检测或三坐标进行检测，镜面面形达到PV值5.0μm，RMS值1.2μm。
(2)粗抛光：利用研抛机和数控机械手设备，使用数控小工具沥青胶盘与平面镜表面接触加辅料氧化铈磨削加工，先进行抛亮，同时用样板控制镜面面形，镜面面形达到PV值0.196λ，RMS值0.029λ，其中1λ＝0.6328μm，磨盘口径有 抛亮过程中保证粗抛光最终面形精度，满足采用zygo24英寸干涉仪进行干涉检测。
(3)环抛机抛光：使用米环抛机抛光，大大减少低频误差，进一步提高镜面面形精度和抑制镜面中高频误差，采用样板过程检测或zygo24英寸干涉仪进行检测，监控镜面面形精度，米环抛机加工后的镜面面形达到PV值0.096λ，RMS值0.016λ；
(4)精修：使用环抛机进行磨削加工，进一步提高镜面精度和抑制镜面中高频误差，然后使用数控小工具进行精修，最后使用环抛机进行平滑加工，从而镜面面形精度达到设计要求，采用zygo24英寸干涉仪进行检测。
成功完成厚61mm微晶平面镜磨削加工，研磨镜面面形达到PV值5.0μm，RMS值1.2μm，最后抛光面形达到PV值0.089λ，RMS值0.014λ，zygo24英寸平面干涉仪实际最大能获得口径为610mm，像素大于450×450的面形图，本文面形图的分辨率为1.36mm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (6)
1.一种数控小工具与环抛机相结合的大口径平面加工方法，其特征在于，主要包括如下步骤：
步骤1)、研磨：使用数控小工具硬质金属细磨盘与铣磨成形平面镜表面接触加辅料金刚砂磨削加工，金刚砂颗粒由粗到细研磨，采用激光跟踪仪或者三坐标进行面形检测；
步骤2)、粗抛光：使用数控小工具磨盘与平面镜表面接触加辅料氧化铈磨削加工，先进行抛亮，同时抛亮过程中使用样板控制镜面面形，保证粗抛光最终面形精度满足干涉仪进行干涉检测；
步骤3)、环抛机抛光：使用环抛机抛光，消除低频误差，采用样板过程检测或干涉仪进行反复检测，监控镜面面形，尽量减小镜面面形误差；
步骤4)、抛光精修：使用数控小工具磨盘与平面镜表面接触加辅料氧化铈抛光，尽量消除环带误差和局部误差，再使用环抛机进行抛光，进一步提高镜面精度和抑制镜面中高频误差，然后使用数控小工具进行精修，最后使用环抛机进行平滑加工，消除中高频误差，采用干涉仪进行反复检测，面形达到镜面设计要求。
2.根据权利要求1所述的一种数控小工具与环抛机相结合的大口径平面加工方法，其特征在于，所述大口径平面镜是指口径为400-2000mm，厚度为10-200mm。
3.根据权利要求1所述的一种数控小工具与环抛机相结合的大口径平面加工方法，其特征在于，所述步骤1)加工后镜面表面面形精度PV值优于20μm，RMS值优于5μm，镜面研磨细，表面没有表面疵病，在研磨加工过程中，使用三坐标或者激光跟踪仪对光学元件的面形误差进行反复检测，注意加工前后面形变化，使用金刚砂颗粒由粗到细的进行研磨加工去除研磨成型阶段的破坏层。
4.根据权利要求1所述的一种数控小工具与环抛机相结合的大口径平面加工方法，其特征在于，所述步骤2)数控小工具加工后镜面抛亮并控制面形，平面镜镜面面形精度PV值优于10μm，RMS值优于1μm。
5.根据权利要求1所述的一种数控小工具与环抛机相结合的大口径平面加工方法，其特征在于，所述步骤3)环抛机抛光，大大减少镜面低频误差，进一步提高镜面精度，平面镜镜面面形精度达到PV值优于1λ，RMS值优于0.2λ，其中1λ＝0.6328μm。
6.根据权利要求1所述的一种数控小工具与环抛机相结合的大口径平面加工方法，其特征在于，所述步骤4)使用数控小工具与环抛机相结合的加工工艺，光学平面元件在环抛机加工后没有明显的碎带，即通常所说的中高频误差，面形达到PV值优于0.2λ，RMS值优于0.04λ，然后使用数控小工具进行加工，最后使用环抛机进行平滑加工，消除中高频误差，达到镜面设计要求。
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