CN109454542A - 一种红外多晶薄壁零件的表面加工方法及其加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种红外多晶薄壁零件的表面加工方法及其加工设备，涉及光学加工技术领域，在通过计算并设定得到改性参数后，通过电子束改性依据设定的改性参数实现了红外多晶薄壁零件表层材料的非晶化处理并得到改性层，再利用柔性盘精确去除改性层，使得改性层的材料性能、去除速度接近一致，抑制了谷粒形貌的出现，从而提高了抛光面形精度，减小了表面粗糙度，改善了红外多晶薄壁零件的表面质量。相较于现有技术，本发明提供的一种红外多晶薄壁零件的表面加工方法及其加工设备，能够有效控制材料去除层深度和表面谷粒形貌，提高红外多晶薄壁零件的表面质量。

Description

一种红外多晶薄壁零件的表面加工方法及其加工设备

技术领域

本发明涉及光学加工技术领域，具体而言，涉及一种红外多晶薄壁零件的表面加工方法及其加工设备。

背景技术

红外多晶材料与单晶材料的光学性能几乎一致，由于不存在解理面，机械强度、抗热冲击能力和经济性更为优越，因此在很多领域开始取代单晶材料。适于批量生产的红外多晶薄壁零件材料主要有氮氧化铝、铝酸镁、氟化镁等，厚度只有数毫米。其中氮氧化铝的抗热冲击品质因子为70，具有极强的耐化学腐蚀能力，透过波段覆盖紫外光、可见光、红外光到毫米波，成为红外窗口和整流罩的理想材料之一。

为了在复杂的热力学环境下实现高质量成像，红外多晶薄壁零件除了具有设计的光学面形外，还要求表面质量好，并对加工应力、亚表层损伤提出了严格要求。

红外多晶薄壁零件采用研磨、抛光方法进行精密加工。在成形加工阶段，通过刚性盘来提高加工效率，此时红外多晶薄壁零件表面形状的可控性较好；到了精密修形阶段，采用柔性盘来进一步改善面形精度，柔性盘对光学表面的适配性好、残余应力小，能够提升加工质量，并消除刚性盘产生的亚表层损伤。红外多晶薄壁零件在加工过程中存在的主要问题有：

1、采用刚性盘加工时，为了避免红外多晶薄壁零件的应力破坏，施加的作用力比较小，导致材料去除效率低；此外刚性盘加工可能在零件表面留下较深的划痕，后续工艺无法完全去除，导致表面质量不理想，而且残留的加工应力影响了红外多晶薄壁零件的热力学、光学性能。

2、去除余量较小时采用柔性盘抛光，盘面在抛光力的作用下容易变形，对加工面的可控性较差；为了满足精度要求，需要反复执行“刚性盘控形+柔性盘改善表面质量”的工艺过程，导致加工效率低、制造成本高，甚至出现废品；同时因为去除量小，柔性盘无法完全消除刚性盘加工所产生的亚表层损伤，影响使用性能。

3、去除余量较大时采用柔性盘抛光，由于红外多晶零件表面的显微硬度不一致，柔性盘在不同区域的微观退让现象会导致零件表面各点的材料去除速度不相同，产生谷粒状起伏形貌；并且抛光盘柔性越大，谷粒效应越明显。氮氧化铝、铝酸镁、氟化镁、硫化锌等红外材料均具有这种现象，其中氮氧化铝的谷粒效应很明显，特征尺度为150～250μm。为了消除或控制红外多晶材料的谷粒形貌，国内外学者在工艺方面开展了深入研究，但到目前为止还没有找到有效的技术途径。

发明内容

本发明的目的在于提供一种红外多晶薄壁零件的表面加工方法，能够有效控制材料去除层深度和表面谷粒形貌，提高红外多晶薄壁零件的表面质量。

本发明的另一目的在于提供一种红外多晶薄壁零件的表面加工设备，能够有效控制材料去除层深度和表面谷粒形貌，提高红外多晶薄壁零件的表面质量。

本发明是采用以下的技术方案来实现的。

一种红外多晶薄壁零件的表面加工方法，包括以下步骤：

确立改性参数；

依据改性参数对红外多晶薄壁零件进行电子束改性处理，实现表层材料的非晶化并得到改性层；

定量抛光去除改性层；

检测红外多晶薄壁零件的表面质量并进行面形检测。

进一步地，上述确立改性参数的步骤，具体包括：

确定红外多晶薄壁零件表层材料的最小去除深度；

依据最小去除深度得到改性参数。

进一步地，上述确定红外多晶薄壁零件表层材料的最小去除深度的步骤，具体包括：

根据红外多晶薄壁零件的表面误差值并结合单位时间内的材料去除率，得到最小去除深度。

进一步地，材料去除率为：

其中，为红外多晶薄壁零件在深度方向的材料去除率，P为抛光压力，Q为抛光面积，为相对运动速度，K为比例常数。

进一步地，上述依据最小去除深度得到改性参数的步骤，具体包括：

确立改性层的理论深度；

依据理论深度大于或等于最小去除深度，设计得到改性参数。

进一步地，理论深度为：

其中，r_e为改性层的理论深度，U为改性过程中的加速电压，ρ为红外多晶薄壁零件的密度，n为改性次数，X为常数。

进一步地，上述依据改性参数对红外多晶薄壁零件进行电子束改性处理，实现表层材料的非晶化并得到改性层的步骤，具体包括：

利用电子束改性设备，根据改性参数对红外多晶薄壁零件的表面进行照射，照射触发间隔时间为20～30秒，得到分布均匀的改性层。

进一步地，上述定量抛光去除改性层的步骤，具体包括：

通过对抛光路径和驻留时间进行设定，利用柔性盘抛光去除所述改性层。

进一步地，上述检测红外多晶薄壁零件的表面质量并进行面形检测的步骤，具体包括：

利用白光干涉仪或轮廓仪检测所述红外多晶薄壁零件的表面粗糙度；

利用波面干涉仪或高精度三坐标测量机检测所述红外多晶薄壁零件的面形误差。

一种红外多晶薄壁零件的加工设备，包括：

电子束改性设备，用于依据改性参数对红外多晶薄壁零件进行电子束改性处理，实现表层材料的非晶化并得到改性层；

抛光柔性盘，用于定量抛光去除改性层；

光学检测仪器组，用于检测红外多晶薄壁零件的表面质量并进行面形检测。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的一种红外多晶薄壁零件的表面加工方法，通过电子束改性实现了红外多晶薄壁零件表层材料的非晶化处理，使得改性层的材料性能、去除速度接近一致，抑制了谷粒形貌的出现，从而提高了抛光面形精度，减小了表面粗糙度，改善了红外多晶薄壁零件的表面质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明第一实施例公开的红外多晶薄壁零件的表面加工方法的步骤框图；

图2为图1中步骤S1的分解步骤框图；

图3为本发明第一实施例公开的电子束改性设备的结构示意图；

图4为本发明第一实施例公开的磁流变抛光轮的工作状态示意图。

图标：100-电子束改性设备；110-真空室；130-磁场线圈；140-阴极；150-阳极；170-收集靶；180-平移/旋转运动系统；190-待操作零件；200-磁流变抛光轮。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例中的特征可以相互组合。

第一实施例

结合参见图1至图4，本实施例提供了一种红外多晶薄壁零件的表面加工方法，其中，本实施例中所提及的红外多晶材料在背景技术中已详尽描述，在此不做赘述。具体地，本实施例中所提及的红外多晶薄壁零件是指氮氧化铝球形整流罩，当然，也可以是其他形状和材料的红外多晶薄壁零件，在此不作具体限定。

本实施例所提供的红外多晶薄壁零件的表面加工方法，包括以下步骤：

S1：确立改性参数。

具体而言，步骤S1包括了以下步骤：

S11：确定红外多晶薄壁零件的表层材料的最小去除深度。

在本实施例中，对于需要进行抛光的红外多晶薄壁零件，可根据其表面误差值并结合单位时间内的材料去除率，得到最小去除深度。其中对氮氧化铝球形整流罩进行抛光时，材料去除率由以下公式获得：

其中，为氮氧化铝球形整流罩在深度方向的材料去除率，P为抛光压力，Q为抛光面积，为相对运动速度，K为比例常数。

在本实施例中，氮氧化铝球形整流罩加工表面的误差峰谷值为6μm，材料去除率为0.23μm/min，确定表层材料的最小去除深度r_min为9μm。

S12：依据最小去除深度得到改性参数。

在本实施例中，首先基于电子束改性方法，确立改性层的理论深度；再依据理论深度大于或等于最小去除深度，设计得到改性参数。具体地，对于氮氧化铝球形整流罩，电子束在加速电压的作用下，改性层理论深度r_e由以下公式获得：

其中，r_e为改性层的理论深度，单位为cm；U为改性过程中的加速电压，单位为V，一般情况下10kV≤U≤100kV，此处取U＝30kV；ρ为氮氧化铝球形整流罩的密度，此处ρ＝3.688g/cm³；n为改性次数；X为与氮氧化铝材料相关的常数，此处X＝2.1×10^-12。

完成一次电子束改性时，氮氧化铝球形整流罩的改性层深度r_e1为：

在设计的改性参数条件下，氮氧化铝在深度方向的温度场仿真结果显示改性层约为5μm，与计算结果基本一致。

按照r_e＝nr_e1≥r_min＝9μm的要求，设计改性次数为n＝2，此时r_e＝2r_e1＝10.2μm≥r_min＝9μm，满足加工要求。

为了实现改性层的均匀一致，设计电子束能量密度为2J/cm²，束斑直径为60mm，单次改性时间为5μs，真空度为3×10^-3Pa。至此，设定好主要改性参数。

S2：依据改性参数对红外多晶薄壁零件进行电子束改性处理，实现表层材料的非晶化并得到改性层。

具体而言，利用电子束改性设备100根据改性参数对红外多晶薄壁零件的表面进行照射，照射触发间隔时间为20～30秒，得到分布均匀的改性层。在实际操作时，将红外多晶薄壁零件安装在电子束改性设备100真空室110内的工作台上，待抽真空达到要求后触发电子束轰击开关，采用设计的改性参数对零件表面进行照射，每次照射的触发间隔为20～30秒，以避免能量过高导致零件损伤，同时使改性层均匀分布。

电子束改性设备100由真空室110、磁场线圈130、阴极140、阳极150、收集靶170、平移/旋转运动系统180和待操作零件190组成，磁场线圈130分布在真空室110外侧，阴极140与阳极150间隔设置在真空室110的上部，用于激发电子束，收集靶170设置在真空室110的下方，待操作零件190设置在平移/旋转运动系统180上，以接受电子束的轰击。具体地，加速电子经过磁场的约束和导向后轰击在氮氧化铝球形整流罩外表面，电子动能转换为表层材料的内能，在微秒级时间内改性层产生晶粒细化现象，实现了微观组织的均匀化，使抛光时表层材料的晶粒特性一致，从而抑制谷粒形貌的产生。此外，电子束对氮氧化铝表层材料的改性作用随着深度增加而急剧减弱，不会对基体层材料特性产生影响，改性层深度约为5μm。

在本实施例中，氮氧化铝球形整流罩的直径为80mm，电子束的束斑直径为60mm，在束斑范围内电子束能量呈高斯分布。按照照射能量相等的原则，通过氮氧化铝球形整流罩的平移、旋转运动，使改性层在整流罩表面均匀分布。

值得注意的是，在红外多晶薄壁零件电子束改性中，如果薄壁零件表面尺寸较大，超过了电子束束斑的均匀作用区，则要求工作台具有二维移动功能；如果零件表面不是平面，则要求工作台具有旋转功能，以保证红外多晶薄壁零件表面各区域、各方向的改性作用基本一致。

S3：定量抛光去除改性层。

在本实施例中，通过对抛光路径和驻留时间进行设定，利用柔性盘抛光去除所述改性层。具体地，根据改性层材料的去除函数和氮氧化铝球形整流罩的面形误差，通过对抛光路径和驻留时间进行规划，采用磁流变抛光方法精确去除改性层。由于改性层材料性能均匀、基体层去除量很小，因此不会在抛光表面上产生谷粒形貌，同时也避免了刚性盘加工时容易产生的划痕、亚表层损伤和残余应力，从而实现红外多晶薄壁零件的高效率、高精度、微损伤制造。

需要说明的是，此处定量抛光技术并不仅仅限于本实施例中提到的通过磁流变抛光方法进行，也可以采用其他定量抛光方法，例如利用沥青盘或者聚氨酯盘等实现，在此不过多描述。

S4：检测红外多晶薄壁零件的表面质量并进行面形检测。

具体而言，利用白光干涉仪或轮廓仪检测氮氧化铝球形整流罩的表面粗糙度，利用波面干涉仪或者高精度三坐标测量机检测氮氧化铝球形整流罩的面形误差。当然，此处检测仪器也可以采用其他类型的仪器，在此不一一列举。

根据氮氧化铝球形整流罩在改性前进行磁流变抛光的微观形貌测量结果，表面粗糙度为Ra 25.4nm，谷粒形貌比较明显，沿深度方向的材料去除率为0.23μm/min。根据氮氧化铝球形整流罩在改性后进行磁流变抛光的微观形貌测量结果，表面粗糙度为Ra 2.8nm，谷粒形貌不明显，同时也没有刚性盘加工时容易产生的划痕、亚表层损伤和残余应力，沿深度方向的材料去除率为0.96μm/min，相比改性前其加工效率提高了4.2倍，实现了氮氧化铝球形整流罩的高精度、超光滑、微损伤加工。

综上所述，本实施例提供了一种红外多晶薄壁零件的表面加工方法，通过电子束改性实现了红外多晶薄壁零件表层材料的非晶化处理，使得改性层的材料性能、去除速度接近一致，抑制了谷粒形貌的出现，从而提高了抛光面形精度，减小了表面粗糙度，改善了红外多晶薄壁零件的表面质量。与现有技术相比，本实施例提供的红外多晶薄壁零件的表面加工方法具有以下优点：

(1)本发明中红外多晶材料的改性作用时间很短，单次改性时间为微秒级；改性层的抛光效率高，如氮氧化铝改性层的材料去除率比基体层提高4倍以上，大大减少了加工时间。

(2)本发明通过电子束改性实现红外多晶薄壁零件表层材料的非晶化处理，使改性层的材料性能、去除速度接近一致，抑制了谷粒形貌的出现，从而提高抛光面形精度、减小表面粗糙度。

(3)本发明在电子束改性后采用柔性盘进行加工，不会产生划痕、亚表层损伤，残余应力可忽略。

(4)本发明中安装零件的工作台具有平移和旋转功能，能够实现复杂面形红外多晶薄壁零件的均匀改性和高精度制造。

第二实施例

结合图3和图4，本实施例提供了一种红外多晶薄壁零件的加工设备，适用于如第一实施例提供的红外多晶薄壁零件的表面加工方法，本实施例提供的红外多晶薄壁零件的加工设备包括：

电子束改性设备100，用于依据改性参数对红外多晶薄壁零件进行电子束改性处理，实现表层材料的非晶化并得到改性层。

抛光柔性盘，用于定量抛光去除改性层。

光学检测仪器组，用于检测红外多晶薄壁零件的表面质量并进行面形检测。

在本实施例中，电子束改性设备100由真空室110、磁场线圈130、阴极140、阳极150、收集靶170、平移/旋转运动系统180和待操作零件190组成，加速电子经过磁场的约束和导向后轰击在氮氧化铝球形整流罩外表面，电子动能转换为表层材料的内能，在微秒级时间内改性层产生晶粒细化现象，实现了微观组织的均匀化，使抛光时表层材料的晶粒特性一致，从而抑制谷粒形貌的产生。此外，电子束对氮氧化铝表层材料的改性作用随着深度增加而急剧减弱，不会对基体层材料特性产生影响，改性层深度约为5μm。

在本实施例中，柔性盘为磁流变抛光轮200，其原理与现有的磁流变抛光技术相同，在此不过多描述。当然，此处也可以采用例如沥青盘、聚氨酯盘等其他类型的柔性盘实现改性层的精准去除，由于改性层材料性能均匀、基体层去除量很小，因此不会在抛光表面上产生谷粒形貌，同时也避免了刚性盘加工时容易产生的划痕、亚表层损伤和残余应力，从而实现红外多晶薄壁零件的高效率、高精度、微损伤制造。

在本实施例中，光学检测仪器组包括白光干涉仪和波面干涉仪等精密仪器，在检测红外多晶薄壁零件的表面质量时，可以选用白光干涉仪或轮廓仪；在检测红外多晶薄壁零件的面形误差时，可以选用波面干涉仪或高精度三坐标测量机。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种红外多晶薄壁零件的表面加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

确立改性参数；

依据所述改性参数对红外多晶薄壁零件进行电子束改性处理，实现表层材料的非晶化并得到改性层；

定量抛光去除所述改性层；

检测所述红外多晶薄壁零件的表面质量并进行面形检测。

2.根据权利要求1所述的红外多晶薄壁零件的表面加工方法，其特征在于，所述确立改性参数的步骤，具体包括：

确定所述红外多晶薄壁零件表层材料的最小去除深度；

依据所述最小去除深度得到所述改性参数。

3.根据权利要求2所述的红外多晶薄壁零件的表面加工方法，其特征在于所述确定所述红外多晶薄壁零件表层材料的最小去除深度的步骤，具体包括：

根据红外多晶薄壁零件的表面误差值并结合单位时间内的材料去除率，得到所述最小去除深度。

4.根据权利要求3所述的红外多晶薄壁零件的表面加工方法，其特征在于，所述材料去除率为：

其中，为所述红外多晶薄壁零件在深度方向的材料去除率，P为抛光压力，Q为抛光面积，为相对运动速度，K为比例常数。

5.根据权利要求2所述的红外多晶薄壁零件的表面加工方法，其特征在于，所述依据所述最小去除深度得到所述改性参数的步骤，具体包括：

确立所述改性层的理论深度；

依据理论深度大于或等于最小去除深度，设计得到改性参数。

6.根据权利要求5所述的红外多晶薄壁零件的表面加工方法，其特征在于，所述理论深度为：

其中，r_e为所述改性层的理论深度，U为改性过程中的加速电压，ρ为所述红外多晶薄壁零件的密度，n为改性次数，X为常数。

7.根据权利要求1所述的红外多晶薄壁零件的表面加工方法，其特征在于，所述依据所述改性参数对红外多晶薄壁零件进行电子束改性处理，实现表层材料的非晶化并得到改性层的步骤，具体包括：

利用电子束改性设备，根据所述改性参数对所述红外多晶薄壁零件的表面进行照射，照射触发间隔时间为20～30秒，得到分布均匀的改性层。

8.根据权利要求1所述的红外多晶薄壁零件的表面加工方法，其特征在于，所述定量抛光去除所述改性层的步骤，具体包括：

通过对抛光路径和驻留时间进行设定，利用柔性盘抛光去除所述改性层。

9.根据权利要求1所述的红外多晶薄壁零件的表面加工方法，其特征在于，所述检测所述红外多晶薄壁零件的表面质量并进行面形检测的步骤，具体包括：

利用白光干涉仪或轮廓仪检测所述红外多晶薄壁零件的表面粗糙度；

利用波面干涉仪或高精度三坐标测量机检测所述红外多晶薄壁零件的面形误差。

10.一种红外多晶薄壁零件的加工设备，其特征在于，包括：

电子束改性设备，用于依据改性参数对红外多晶薄壁零件进行电子束改性处理，实现表层材料的非晶化并得到改性层；

抛光柔性盘，用于定量抛光去除所述改性层；

光学检测仪器组，用于检测所述红外多晶薄壁零件的表面质量并进行面形检测。