CN108453568A - 一种平面光学元件磨削加工方法 - Google Patents

一种平面光学元件磨削加工方法 Download PDF

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Abstract

一种平面光学元件磨削加工方法，步骤一、采用由旋转工作台和杯形砂轮组成的进给磨削模式完成工件的粗磨、半精磨和精磨加工；步骤二、亚表面损伤检测：采用定向磨料液体射流在精磨后的平面光学元件表面制作观测斜面；用氢氟酸溶液蚀刻所述观测斜面；得出水平面与该观测斜面之间的夹角值；确定最终裂纹消失时微动平台移动的总距离；结合最终裂纹消失时微动平台移动的总距离和水平面与该观测斜面之间的夹角值计算亚表面裂纹深度值；步骤三、采用与精磨时相同的磨削工艺参数对已检测完毕的平面光学元件表面进行加工，以去除观测斜面。本发明中的加工方法加工效率较高、可有效保证工件的表面精度和表面/亚表面质量。

Description

一种平面光学元件磨削加工方法
技术领域
本发明涉及精密加工制造领域，尤其涉及的是一种平面光学元件磨削加工方法。
背景技术
平面光学元件（如平面反射镜、平面标准镜）是大型光学望远系统、高能激光核聚变装置、精密光学测量装置等高新技术产品的核心部件。美国国家点火装置采用的192路光束系统中大约需要3000块尺寸为800mm×460mm×40mm的长方体激光玻璃平面光学元件，其中包括大量的偏振片、钕玻璃片、反射镜以及脉冲压缩光栅等。国内的神光III激光核聚变装置和0902点火工程项目也需要大量的平面光学元件。郭守敬望远镜（LAMOST）中的施密特反射镜由24个长边尺寸为1100 mm、厚度为25mm的六边形平面反射镜组成。随着光学系统向着大型化、精密化的方向发展，光学系统所需的平面光学元件的数量将会急剧增长，对现有的光学加工能力提出了极大挑战。
平面光学元件的传统加工工艺一般分为材料检测、粗磨成型、精细研磨、预抛光、精密抛光等工序，依靠熟练技师可进行单件小批量生产。其中，磨削工艺作为精密超精密光学制造工艺过程中的一个重要环节，人们希望在磨削阶段就能达到或更接近研磨和粗抛光加工表面的目标，实现研抛工序的高精度磨削化。但由于目前国内磨削装备以及工艺研究水平低下，对平面光学元件的加工机理、工艺以及相应的控制措施等缺乏系统的理解和掌握，磨削后不仅表面面型精度低，而且表面/亚表面损伤深度大。
为了解决激光核聚变装置中平面光学元件的批量制造难题，国内的长春光机所、成都光电所、成都光学制造中心等单位进行了相关方面的研究。如杨福兴将先进制造技术和传统抛光技术相结合，提出了一种新的工艺方法，即使用 ELID（在线电解）磨削代替传统的铣磨和初抛工序，然后利用数控抛光将工件抛光至最终的面形精度，最后将连续抛光作为最终加工工序，使加工工件的表面粗糙度和波纹度达到工程要求，整个工艺过程可以一定程度上提高生产效率，并减少边缘效应。但该方法所采用的ELID（在线电解）磨削技术需要选取微粉砂轮，材料去处率较低，属于延性方式磨削的一种，其加工效率仍然得不到有效的保障。
因此，如何提高平面光学元件的加工效率并且保证较高的表面精度和表面/亚质量是当前光学精密加工制造领域亟需解决的工程问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种平面光学元件磨削加工方法，该加工方法既可有效保证最终得到的光学元件表面精度和表面及亚表面质量，又很好地兼顾了生产效率。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种平面光学元件磨削加工方法，包括以下步骤：
步骤一、采用由旋转工作台和杯形砂轮组成的进给磨削模式完成工件的粗磨、半精磨和精磨加工；磨削加工时，工件置于旋转工作台的中心，并采用真空吸盘吸附装夹，砂轮旋转中心相对旋转工作台的旋转中心偏离一段距离，使得砂轮磨料层的边缘正好经过工件表面的中心位置，磨削过程中，杯形砂轮和旋转工作台同时围绕各自中心轴旋转，杯形砂轮沿着砂轮旋转中心并朝向工件表面方向进给；
步骤二、亚表面损伤检测：
2-1、采用定向磨料液体射流在精磨后的平面光学元件表面制作观测斜面，所述观测斜面贯入平面光学元件的深度应当足以暴露亚表面裂纹；
2-2、用氢氟酸溶液蚀刻所述观测斜面，使得所述平面光学元件沿观测斜面方向的亚表面裂纹层充分暴露以便观测；
2-3、借助轮廓仪的扫描功能测量所述观测斜面的轮廓曲线，得出水平面与该观测斜面之间的夹角值；
2-4、借助超景深光学显微镜的微动平台和清晰成像功能获取沿观测斜面方向的亚表面裂纹分布情况，确定最终裂纹消失时微动平台移动的总距离；
2-5、结合2-4中得到的最终裂纹消失时微动平台移动的总距离和2-3中得出的水平面与该观测斜面之间的夹角值计算亚表面裂纹深度值；
步骤三、对于检测结果合格的平面光学元件，采用与精磨时相同的磨削工艺参数对其表面进行加工，以去除观测斜面，使得该平面光学元件获得与亚表面损伤检测之前相同的表面和亚表面质量。
步骤一中，粗磨完成毛坯工件的指定材料去除量后对工件进行在位测量，测量工件的中心厚度、矢高值、中心尖端大小、磨削刀痕尺寸四个指标与参考标准之间的误差；
经测量，若工件符合粗磨加工精度要求，则可对其进行后续的半精磨加工；若工件不符合粗磨加工精度要求，则采用相同磨削工艺参数再次粗磨直至该工件符合粗磨加工精度要求。
步骤一中，半精磨完成工件的指定材料去除量后，对工件进行在位测量，测量工件的中心厚度、矢高值、中心尖端大小、磨削刀痕尺寸四个指标与参考标准之间的误差；
经测量，若工件符合半精磨加工精度要求，则可对其进行后续的精磨加工；若工件不符合半精磨加工精度要求，则采用相同磨削工艺参数再次半精磨直至该工件符合半精磨加工精度要求。
步骤一中，精磨完成工件的指定材料去除量后，对工件进行在位测量，测量工件的中心厚度、矢高值、中心尖端大小、磨削刀痕尺寸四个指标与参考标准之间的误差；
经测量，若工件符合精磨加工精度要求，则可对其进行后续的亚表面损伤检测；若工件不符合精磨加工精度要求，则采用相同磨削工艺参数再次精磨直至该工件符合精磨加工精度要求。
测量所述观测斜面轮廓曲线的过程包括：以所述观测斜面的顶端和底端对应作为测量起始点和结束点，沿测量基准面测量所述观测斜面的纵向轮廓形面，从而得出水平面与该观测斜面之间的夹角值，前述测量基准面为观测斜面中线所在平面。
获取沿观测斜面方向的亚表面裂纹分布情况的过程包括：从所述观测斜面的顶端开始沿测量基准面观测裂纹变化情况，并使用超景深光学显微镜的成像功能拍摄显微照片，记录每一个位置获得的每一张裂纹显微照片所对应的微动平台的移动距离，并确定最终裂纹消失时微动平台移动的总距离。
在所述平面光学元件精磨后，先采用定向磨料液体射流在其表面试制作观测斜面，然后借助轮廓仪的扫描功能沿垂直于所述测量基准面的方向测量该试制作观测斜面的横向轮廓形面，根据所述测量基准面两侧的轮廓形面的对称性和贯入深度一致性优化定向磨料液体射流加工参数，之后于步骤二2-1采用优化后的加工参数在精磨后的平面光学元件表面正式制作观测斜面并进行后续步骤的操作。
一种熔石英玻璃平面光学元件的磨削加工方法，包括以下步骤：
将熔石英玻璃毛坯工件按照上述步骤一完成粗磨、半精磨和精磨；将精磨后的熔石英玻璃按照上述步骤二完成亚表面损伤检测；将亚表面损伤检测后的熔石英玻璃按照上述步骤三去除观测斜面；
其中，步骤二2-1中采用定向磨料液体射流在精磨后的平面光学元件表面制作观测斜面的加工参数为：磨料种类：氧化铝；磨料粒度：1μm；磨料浓度：50%；喷嘴压力：0.6MPa；射流角度：45°；射流喷嘴加工路径采用顺序往返直线扫描方式，往返直线的间距与射流喷嘴的直径保持一致，所述观测斜面贯入平面光学元件的深度应当足以暴露亚表面裂纹。
优选地，步骤二2-1先用橡胶泥包裹待测的平面光学元件的观测斜面周边，再滴入氢氟酸溶液对观测斜面进行蚀刻，使观测斜面的裂纹充分暴露出来，所述氢氟酸溶液的溶度为5%，蚀刻温度为24℃，蚀刻时间为15min，蚀刻完毕后，用清水冲洗观测斜面，去除残留在观测斜面上的氢氟酸溶液。
粗磨中金刚石杯形砂轮的磨粒粒径为146-156μm、进给速度为1.4-1.6mm·min-1、驻留时间为38-40s；半精磨中金刚石杯形砂轮的磨粒粒径为86-96μm、进给速度为0.4-0.6mm·min-1、驻留时间为58-62s；精磨中金刚石杯形砂轮的磨粒粒径为36-46μm、进给速度为0.04-0.06 mm·min-1、驻留时间为98-102s。以上分别采用不同粒度号的金刚石砂轮和不同的磨削工艺参数，拟去除不同材料体积和实现不同加工精度与加工质量，各工步阶段工件的加工余量、面形误差和表面/亚表面质量等均控制在合理的范围内，进一步提高了生产效率。
优选地，粗磨中金刚石杯形砂轮的磨粒粒径为151μm、进给速度为1.5 mm·min-1、驻留时间为40s、砂轮转速为1321mm、工件转速为51mm、材料去除厚度为2mm；半精磨中金刚石杯形砂轮的磨粒粒径为91μm、进给速度为0.5 mm·min-1、驻留时间为60s、砂轮转速为1521mm、工件转速为51mm、材料去除厚度为0.2mm；精磨中金刚石杯形砂轮的磨粒粒径为41μm、进给速度为0.05 mm·min-1、驻留时间为100s、砂轮转速为1821mm、工件转速为51mm、材料去除厚度为0.1mm。
和现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明采用的磨削模式的磨粒利用率高、加工精度高且易于实现加工过程的控制和误差补偿，且磨削过程为由粗磨、半精磨和精磨三阶段组成的多工步磨削工艺链技术，各工步之间的工艺衔接满足效率最大化，生产效率较高。
2. 本发明可以在不破坏待测平面光学元件的前提下在平面光学元件表面的任意部位（根据平面光学元件的材质及加工工艺的不同，有时需要选取不同位置的具有代表性的取样点来检测其亚表面损伤）制作观测斜面取样检测，其检测灵活性更强，具有更高的检测效率这样也有利于节省取样检测的时间、提高生产效率。
3.步骤二的亚表面损伤检测方法能够达到与现有技术中的磁流变抛光法（磁流变抛光法也不会产生附加亚表面损伤）相当的检测精度，而与磁流变抛光法相比，该检测方法具有更高的检测效率且设备成本更低（磁流变抛光设备极其昂贵），高精度的检测结果可更好地保证最终得到的光学元件表面精度。
4.步骤二2-1采用定向磨料液体射流，在制作观测斜面时几乎不会产生附加亚表面损伤，可有效保证最终得到光学元件的表面及亚表面质量。
综上所述，本发明中平面光学元件磨削加工方法既可有效保证最终得到的光学元件表面精度和表面及亚表面质量，又很好地兼顾了生产效率。
附图说明
图1是本发明的进给磨削模式示意图；
图2是本发明的多工步磨削工艺链尺寸精度控制流程图；
图3是本发明的精密在位测量与补偿流程图；
图4是本发明的亚表面损伤检测流程图；
图5为采用定向磨料液体射流加工观测斜面的原理图；
图6为对观测斜面的轮廓形面进行检测的示意图；
图7为对观测斜面的亚表面损伤裂纹观测与实际裂纹深度计算的示意图。
具体实施方式
下面给出实施例以对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的普通技术人员根据该实施例对本发明所做出的一些非本质的改进或调整仍属于本发明的保护范围。
如图1所示：采用由旋转工作台和杯形砂轮组成的进给磨削模式加工平面光学元件。该磨削模式在磨削过程中的磨粒利用率高、加工精度高且易于实现加工过程的控制和误差补偿。工件置于旋转工作台的中心，并采用真空吸盘吸附装夹；砂轮旋转中心相对旋转工作台的旋转中心偏离一定距离，且砂轮磨料层的边缘正好经过工件表面的中心位置，即图中的L=D/2（D为砂轮磨料层的直径，L为砂轮中心至工件中心的距离）。磨削过程中，杯形砂轮和旋转工作台同时围绕各自中心轴旋转，且杯形砂轮沿着砂轮旋转中心并靠近工件表面方向进给，直到完成所需的工件几何尺寸的加工。
如图2所示：采用多工步磨削工艺链技术。该磨削工艺链由粗磨、半精磨和精磨三阶段组成，分别采用不同粒度号的金刚石砂轮和不同的磨削工艺参数，拟去除不同材料体积和实现不同加工精度与加工质量，磨削工艺参数如表1所示。实现该磨削工艺链的高效加工，其工艺关键之一是对各工步间制定合理的精度匹配策略，即各工步阶段工件的加工余量、面形误差和表面/亚表面质量等均要控制在合理的范围内，使各工步之间的工艺衔接满足效率最大化。粗磨、半精磨和精磨三阶段的任务分工大致如下：
表1平面光学元件进给磨削工艺参数
在粗磨阶段，选用粗粒度的金刚石杯形砂轮（磨粒粒径为151μm）加工毛坯件（由金刚石锯片切割而成），采用快的进给速率，短的驻留时间以实现高效率的材料去除。此加工过程获得的工件加工误差较大，且将不可避免地产生较大的表面/亚表面损伤。
在半精磨阶段，选用中等粒度的金刚石杯形砂轮（磨粒粒径为91μm）加工粗磨件，采用较慢的进给速率，较长的驻留时间以改善粗磨件的加工精度和表面/亚表面质量。此加工过程作为衔接粗磨阶段和精磨阶段的过渡环节，兼顾了材料去除率和加工质量两方面，具有非常重要的作用。需要注意的是，半精磨加工后工件的加工精度和表面/亚表面质量仍需进一步改善。
在精磨阶段，选用细粒度的金刚石杯形砂轮（磨粒粒径为41μm）加工半精磨件，采用慢的进给速率，长的驻留时间以获得较好的加工精度和较低的表面/亚表面损伤，为后道抛光工序准备合理的面形精度和表面/亚表面质量。此加工过程作为多工步磨削工艺链技术的最后一环，其产品磨削加工后的加工精度和加工质量直接决定了后续研磨抛光的加工时间和光学元件整个生产流程的生产成本。
如图3所示，采用精密在位测量与补偿技术：采用精密在位测量方法完成平面光学元件的误差测量，并通过对机床各运动轴误差及砂轮磨损进行补偿实现平面光学元件的形状修正。在位测量方法与补偿技术具有简单高效、适合光学元件批量稳定生产的特点。关键步骤包括：对各磨削加工阶段加工后的工件进行在位测量；将获得的加工误差值输入到机床数控系统中进行补偿加工；重复上述步骤，直到各磨削工步阶段的工件加工精度均符合工艺制定的要求。在各个磨削阶段，补偿加工过程中需要检测的指标包括四个方面：
（1）中心厚度（Center Thickness, CT）；
（2）矢高（Sagittal Height, SAG）；
（3）中心尖端大小（Peak）；
（4）磨削刀痕尺寸（Grinding Marks，GM）。
完成精密在位测量与补偿之后，采用定向射流斜坡抛光方法检测平面光学元件的亚表面损伤情况。该检测方法可以快速和精确地测量工件亚表面裂纹深度，且保证测量过程中不会对工件引入二次（附加）损伤。该方法的操作流程为：采用一种定向射流微小斜面抛光方法在平面光学元件的表面快速且精确地制作出微小斜面。使用氢氟酸溶液腐蚀微小斜面，充分暴露光学元件沿斜面方向的亚表面裂纹层。借助泰勒霍普森轮廓仪的扫描功能测量出微小斜面的轮廓曲线。借助三维数字图像显微仪的微动平台和清晰成像功能获得沿微小斜面方向的亚表面裂纹分布情况。结合三维数字图像显微仪微动平台的移动距离和泰勒霍普森轮廓仪测量得到的微小斜面轮廓曲线计算出亚表面裂纹深度值。根据微小斜面轮廓曲线的深度，采用与精密磨削加工阶段相同的磨削工艺参数加工已检测完毕的平面光学元件表面，去除微小斜面轮廓，获得与亚表面损伤检测之前相同的表面/亚表面质量。图4为采用定向射流斜坡抛光方法检测平面光学元件亚表面损伤的流程图。
采用高精度高效率测量技术：在磨削加工完成后，将工件置于超声波清洗机中并用酒精对工件进行清洗。采用高精度泰勒霍普森轮廓仪(PGI-1240 Form Talysurf ™,Taylor Hobson Co.)对工件的表面面形精度和表面粗糙度等进行测量和分析。测量过程中，轮廓仪的探头划过工件中心；测量路径长度为180mm，分析截止长度为0.8mm。
采用三维数字图像显微仪（VHX-1000, KEYENCE Co.）对工件的表面形貌进行观测和评价，考察工件表面损伤情况、材料去除机理及表面创成机理。将工件置于三维数字图像显微仪的载物台上，并尽量保持水平。调节显微镜的镜头进行聚焦粗调，并通过控制手柄进行聚焦细调直到显示最清晰的图像出现为止。聚焦完成后，获取表面形貌图片。更换位置重复三次拍摄。
如图5-7所示，采用定向射流斜坡抛光方法检测平面光学元件的亚表面损伤情况。该检测方法可以快速和精确地测量工件亚表面裂纹深度，且保证测量过程中不会对工件引入二次（附加）损伤。该方法的操作流程为：采用一种定向射流微小斜面抛光方法在平面光学元件的表面快速且精确地制作出微小斜面；使用氢氟酸溶液腐蚀微小斜面，充分暴露光学元件沿斜面方向的亚表面裂纹层；借助泰勒霍普森轮廓仪的扫描功能测量出微小斜面的轮廓曲线；借助三维数字图像显微仪的微动平台和清晰成像功能获得沿微小斜面方向的亚表面裂纹分布情况；结合三维数字图像显微仪微动平台的移动距离和泰勒霍普森轮廓仪测量得到的微小斜面轮廓曲线计算出亚表面裂纹深度值；根据微小斜面轮廓曲线的深度，采用与精密磨削加工阶段相同的磨削工艺参数加工已检测完毕的平面光学元件表面，去除微小斜面轮廓，获得与亚表面损伤检测之前相同的表面/亚表面质量。
本实施例以毛坯尺寸约为Φ300mm×40mm的大口径熔石英玻璃作为平面光学元件的加工对象。具体试验步骤如下：
对金刚石锯切加工后的毛坯件基本尺寸进行精确测量。将工件置于德国Schneider公司生产的Surfacing Center SCG 600光学磨床的旋转工作台上，启动真空吸盘吸附工件以确保工件稳定装夹。SCG 600光学磨床是一种典型采用进给磨削模式的机床，且具有高精度和高刚度。SCG 600致力于硬脆材料如玻璃、石英、陶瓷、锗、硅的磨削加工，其加工平面镜的口径可达Φ950mm。该机床包括X、Y、Z、C、B五轴，X/Y/Z轴的定位精度和重复定位精度为±0.001mm，B轴的定位精度和重复定位精度高达±4″；工具轴转速范围为5~3000rpm，工件轴转速范围为0~100rpm。该设备具备较高的静态和动态刚度以及优良的热稳定性，同时融合了三种关键技术：双主轴技术、自动换刀技术及磨削过程控制技术，确保了加工过程的高效性与安全性。
在SCG 600光学磨床的主轴I上安装粗磨加工阶段用的粗粒度金刚石杯形砂轮。设置粗磨加工阶段的磨削工艺参数，编制粗磨工艺数控程序，调整砂轮与工件之间的位置。启动粗磨加工程序，待被加工毛坯完成指定材料去除量后，对工件进行精密在位测量，主要考察工件的中心厚度、矢高值、中心尖端大小、磨削刀痕尺寸四个指标与平面光学样板之间的误差大小。再次启动粗磨加工数控程序，在相同工艺条件下对工件进行一次粗磨补偿加工，待完成一定的材料去除量之后，同样对以上四个指标进行测量，分析粗磨补偿加工前后测量结果的变化情况。若检测结果符合粗磨工件的加工精度要求，则开始半精磨磨削加工，否则再次进行粗磨补偿加工。
将粗磨加工阶段用的粗粒度金刚石杯形砂轮从SCG 600光学磨床的主轴I上卸下，安装半精磨加工阶段用的中等粒度金刚石杯形砂轮。设置半精磨加工阶段的磨削工艺参数，编制半精磨工艺数控程序，调整砂轮与工件之间的位置。启动半精磨加工程序，待被加工粗磨件完成指定材料去除量后，对工件进行精密在位测量，分析工件的中心厚度、矢高值、中心尖端大小、磨削刀痕尺寸四个指标与平面光学样板之间的误差大小。再次启动半精磨加工数控程序，在相同工艺条件下对工件进行一次半精磨补偿加工，待完成一定的材料去除量之后，同样对以上四个指标进行测量，分析半精磨补偿加工前后测量结果的变化情况。若检测结果符合半精磨工件的加工精度要求，则开始精磨磨削加工，否则再次进行半精磨补偿加工。
在SCG 600光学磨床的主轴II上安装精磨加工阶段用的细粒度金刚石杯形砂轮。设置精磨加工阶段的磨削工艺参数，编制精磨工艺数控程序，调整砂轮与工件之间的位置。启动精磨加工程序，待被加工半精磨件完成指定材料去除量后，对工件进行精密在位测量，分析工件的中心厚度、矢高值、中心尖端大小、磨削刀痕尺寸四个指标与平面光学样板之间的误差大小。再次启动精磨加工数控程序，在相同工艺条件下对工件进行一次精磨补偿加工，待完成一定的材料去除量之后，同样对以上四个指标进行测量，分析精磨补偿加工前后测量结果的变化情况。若检测结果符合精磨工件的加工精度要求，则结束整个磨削加工流程，否则再次进行精磨补偿加工。
将待检测的大中型平面光学元件置于磨料水射流加工机床上，在待测产品表面试制作几个微小斜面，调整微小斜面的大小和贯入产品表面深度，再将待测产品置于泰勒霍普森轮廓仪PGI-1240的测量平台上，借助轮廓仪的接触式扫描和测量功能，沿垂直微小斜面测量基准面（测量基准面为微小斜面中线所在平面）的方向测量该微小斜面的横向轮廓形面，根据测量基准面两侧轮廓形面的对称性和深度一致性调节射流加工参数，进而获得优化的射流加工参数（优化后的加工参数为：磨料种类：氧化铝；磨料粒度：1μm；磨料浓度：50%；喷嘴压力：0.6MPa；射流角度：45°），射流喷嘴抛光路径采用顺序往返直线扫描方式，往返直线的间距（L）与射流喷嘴的直径（d）保持一致，同时通过数控程序精确控制喷嘴在往返直线中的驻留时间，采用经优化的加工参数再正式在待测产品表面沿径向方向分三个区域段各制作一个微小斜面，确保微小斜面的制作精度和表面质量，并在最大的水平视场中充分暴露所有的亚表面裂纹。
用橡胶泥包裹待测的大中型平面光学元件的微小斜面周边，滴入氢氟酸溶液至微小斜面内部进行蚀刻，使微小斜面的裂纹充分暴露出来。氢氟酸溶液的溶度为5%，蚀刻温度为24℃，蚀刻时间为15min。蚀刻完毕后，采用大量自来水冲洗待测产品的微小斜面，去除残留在微小斜面上的氢氟酸溶液。
将待检测的大中型平面光学元件置于泰勒霍普森轮廓仪PGI-1240的测量平台上，借助轮廓仪的接触式扫描和测量功能，以射流抛光微小斜面的头部和尾部作为测量起始点和结束点，沿微小斜面测量基准面（微小斜面中线所在平面）测量各微小斜面的径向中线轮廓形面，获得水平面与微小斜面之间的夹角θ。
将待检测的大中型平面光学元件置于超景深光学显微镜VHX-1000的微动平台上，从微小斜面起始基准开始沿微小斜面测量基准面观测裂纹变化情况，并使用该显微镜的2D和3D成像功能（观测倍数：500X）拍摄显微照片，同时记录该观测倍数下每一个位置获得的每一张裂纹显微图片所对应的微动平台的移动距离（S1，S2，……，Sn）和最终裂纹消失时微动平台移动的总距离S。
结合超景深光学显微镜每一个位置获得的微动平台的移动距离和轮廓仪测量微小斜面轮廓曲线的结果，计算出最终裂纹消失时所对应的垂直待测产品表面的距离H，即为待测产品表面微小斜面所对应的亚表面裂纹深度值SSD：
SSD=H=S×tanθ
按照相同的步骤测量其它两个微小斜面所对应的亚表面裂纹深度，最后取三者平均值作为精密磨削加工后的亚表面裂纹深度。
为了保证大中型平面光学元件亚表面损伤检测前后产品的一致性和完整性，将已检测的大中型平面光学元件置于精密磨削机床的工作台上，采用与精密磨削加工阶段相同的磨削工艺参数对已测产品进行加工，并根据微小斜面轮廓曲线的深度设置精密磨削加工的次数，完全去除亚表面损伤深度检测过程中引入的微小斜面。

Claims (10)

1.一种平面光学元件磨削加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、采用由旋转工作台和杯形砂轮组成的进给磨削模式完成工件的粗磨、半精磨和精磨加工；磨削加工时，工件置于旋转工作台的中心，并采用真空吸盘吸附装夹，砂轮旋转中心相对旋转工作台的旋转中心偏离一段距离，使得砂轮磨料层的边缘正好经过工件表面的中心位置，磨削过程中，杯形砂轮和旋转工作台同时围绕各自中心轴旋转，杯形砂轮沿着砂轮旋转中心并朝向工件表面方向进给；
步骤二、亚表面损伤检测：
2-1、采用定向磨料液体射流在精磨后的平面光学元件表面制作观测斜面，所述观测斜面贯入平面光学元件的深度应当足以暴露亚表面裂纹；
2-2、用氢氟酸溶液蚀刻所述观测斜面，使得所述平面光学元件沿观测斜面方向的亚表面裂纹层充分暴露以便观测；
2-3、借助轮廓仪的扫描功能测量所述观测斜面的轮廓曲线，得出水平面与该观测斜面之间的夹角值；
2-4、借助超景深光学显微镜的微动平台和清晰成像功能获取沿观测斜面方向的亚表面裂纹分布情况，确定最终裂纹消失时微动平台移动的总距离；
2-5、结合2-4中得到的最终裂纹消失时微动平台移动的总距离和2-3中得出的水平面与该观测斜面之间的夹角值计算亚表面裂纹深度值；
步骤三、对于检测结果合格的平面光学元件，采用与精磨时相同的磨削工艺参数对其表面进行加工，以去除观测斜面，使得该平面光学元件获得与亚表面损伤检测之前相同的表面和亚表面质量。
2.根据权利要求1所述的平面光学元件磨削加工方法，其特征在于，步骤一中，粗磨完成毛坯工件的指定材料去除量后对工件进行在位测量，测量工件的中心厚度、矢高值、中心尖端大小、磨削刀痕尺寸四个指标与参考标准之间的误差；经测量，若工件符合粗磨加工精度要求，则可对其进行后续的半精磨加工；若工件不符合粗磨加工精度要求，则采用相同磨削工艺参数再次粗磨直至该工件符合粗磨加工精度要求。
3.根据权利要求1所述的平面光学元件磨削加工方法，其特征在于，步骤一中，半精磨完成工件的指定材料去除量后，对工件进行在位测量，测量工件的中心厚度、矢高值、中心尖端大小、磨削刀痕尺寸四个指标与参考标准之间的误差；经测量，若工件符合半精磨加工精度要求，则可对其进行后续的精磨加工；若工件不符合半精磨加工精度要求，则采用相同磨削工艺参数再次半精磨直至该工件符合半精磨加工精度要求。
4.根据权利要求1所述的平面光学元件磨削加工方法，其特征在于，步骤一中，精磨完成工件的指定材料去除量后，对工件进行在位测量，测量工件的中心厚度、矢高值、中心尖端大小、磨削刀痕尺寸四个指标与参考标准之间的误差；经测量，若工件符合精磨加工精度要求，则可对其进行后续的亚表面损伤检测；若工件不符合精磨加工精度要求，则采用相同磨削工艺参数再次精磨直至该工件符合精磨加工精度要求。
5.根据权利要求1所述的平面光学元件磨削加工方法，其特征在于，测量所述观测斜面轮廓曲线的过程包括：以所述观测斜面的顶端和底端对应作为测量起始点和结束点，沿测量基准面测量所述观测斜面的纵向轮廓形面，从而得出水平面与该观测斜面之间的夹角值，前述测量基准面为观测斜面中线所在平面。
6.根据权利要求5所述的平面光学元件磨削加工方法，其特征在于，获取沿观测斜面方向的亚表面裂纹分布情况的过程包括：从所述观测斜面的顶端开始沿测量基准面观测裂纹变化情况，并使用超景深光学显微镜的成像功能拍摄显微照片，记录每一个位置获得的每一张裂纹显微照片所对应的微动平台的移动距离，并确定最终裂纹消失时微动平台移动的总距离。
7.根据权利要求5所述的平面光学元件磨削加工方法，其特征在于，在所述平面光学元件精磨后，先采用定向磨料液体射流在其表面试制作观测斜面，然后借助轮廓仪的扫描功能沿垂直于所述测量基准面的方向测量该试制作观测斜面的横向轮廓形面，根据所述测量基准面两侧的轮廓形面的对称性和贯入深度一致性优化定向磨料液体射流加工参数，之后于步骤二2-1采用优化后的加工参数在精磨后的平面光学元件表面正式制作观测斜面并进行后续步骤的操作。
8.一种熔石英玻璃平面光学元件的磨削加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
将熔石英玻璃毛坯工件按照权利要求1中的步骤一完成粗磨、半精磨和精磨；将精磨后的熔石英玻璃按照权利要求1中的步骤二完成亚表面损伤检测；将亚表面损伤检测后的熔石英玻璃按照权利要求1中的步骤三去除观测斜面；其中，步骤二2-1中采用定向磨料液体射流在精磨后的平面光学元件表面制作观测斜面的加工参数为：磨料种类：氧化铝；磨料粒度：1μm；磨料浓度：50%；喷嘴压力：0.6MPa；射流角度：45°；射流喷嘴加工路径采用顺序往返直线扫描方式，往返直线的间距与射流喷嘴的直径保持一致，所述观测斜面贯入平面光学元件的深度应当足以暴露亚表面裂纹。
9.根据权利要求8所述的平面光学元件磨削加工方法，其特征在于，步骤二2-1先用橡胶泥包裹待测的平面光学元件的观测斜面周边，再滴入氢氟酸溶液对观测斜面进行蚀刻，使观测斜面的裂纹充分暴露出来，所述氢氟酸溶液的溶度为5%，蚀刻温度为24℃，蚀刻时间为15min，蚀刻完毕后，用清水冲洗观测斜面，去除残留在观测斜面上的氢氟酸溶液。
10.根据权利要求1所述的平面光学元件磨削加工方法，其特征在于，粗磨中金刚石杯形砂轮的磨粒粒径为146-156μm、进给速度为1.4-1.6mm·min-1、驻留时间为38-40s；半精磨中金刚石杯形砂轮的磨粒粒径为86-96μm、进给速度为0.4-0.6 mm·min-1、驻留时间为58-62s；精磨中金刚石杯形砂轮的磨粒粒径为36-46μm、进给速度为0.04-0.06 mm·min-1、驻留时间为98-102s；优选地，粗磨中金刚石杯形砂轮的磨粒粒径为151μm、进给速度为1.5 mm·min-1、驻留时间为40s、砂轮转速为1321mm、工件转速为51mm、材料去除厚度为2mm；半精磨中金刚石杯形砂轮的磨粒粒径为91μm、进给速度为0.5 mm·min-1、驻留时间为60s、砂轮转速为1521mm、工件转速为51mm、材料去除厚度为0.2mm；精磨中金刚石杯形砂轮的磨粒粒径为41μm、进给速度为0.05 mm·min-1、驻留时间为100s、砂轮转速为1821mm、工件转速为51mm、材料去除厚度为0.1mm。
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