CN110253220B - 一种金刚石单点车辅助离子束抛光金属镜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金刚石单点车辅助离子束抛光金属镜的方法，属于光学加工技术领域。该方法利用金刚石单点车加工在金属镜表面形成一层均匀的具有一定厚度的下表面破坏层，再利用离子束抛光镜面，由于具有特定下表面破坏层的镜面在离子束抛光过程中的材料去除特性发生变化，离子束抛光的材料去除速率提升，且同时保证金属镜表面粗糙度不变。金属镜的下表面破坏层改变了金属材料在离子束加工过程中的材料去除特性，不仅材料更容易被去除，金属镜表面粗糙度也将保持不变。

Description

一种金刚石单点车辅助离子束抛光金属镜的方法

技术领域

本发明属于光学加工技术领域，具体涉及一种金刚石单点车辅助离子束抛光金属镜的方法。

背景技术

金属镜以其优异的物理特性和经济性在现代光学系统中得到比较广泛的应用，但是金属镜的高精度加工技术仍存在一定的不足。金属镜的精密加工主要技术难点有：镜面面形精度的高确定性加工；镜面表面粗糙度的提升；避免加工过程中对环境的污染。

以最常用的金属镜材料铝为例，目前加工铝镜的主要技术手段是利用金刚石单点车车削，采用常规的单点车加工技术加工后镜面面形误差精度为rms值约为30nm，表面粗糙度约为Ra 1.5nm。高质量的光学系统常要求镜面面形误差rms值优于10nm，表面粗糙度优于2nm，常需要采用比较复杂的化学机械抛光法加工铝金属镜以达到最终的面形精度。化学机械抛光法产生的废弃抛光液、磨料等废弃物容易污染环境。

在金属反射镜的高精度加工过程中，仅采用金刚石单点车无法满足加工精度要求，需要采取确定性更高的加工手段。离子束抛光技术确定性强、稳定性好，能够获得更高的金属镜加工精度。但是，离子束抛光金属镜过程中，金属镜表面粗糙度将发生明显恶化，严重影响镜面反射率，导致镜面粗糙度无法满足要求。

为保证离子束加工金属镜的过程中保持镜面粗糙度不变，需要在镜面上产生具有一定深度的下表面破坏层，下表面破坏层是指利用金刚石单点车等接触式手段进行光学加工时，在镜面材料被去除的同时，镜面表层一定深度内会形成一层“破坏层”，在此破坏层内镜面材料的一些物理特性(如硬度、弹性模量等)将发生变化。下表面破坏层的深度、结构形式与具体的加工手段有关，下表面破坏层对镜面的粗糙度、反射率等性能也有一定的影响。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的金属镜加工中加工精度难以满足高质量光学系统需求的问题，而提供一种金刚石单点车辅助离子束抛光金属镜的方法。

本发明提供一种金刚石单点车辅助离子束抛光金属镜的方法，该方法包括：

1)首先检测待加工金属镜的面形误差，并利用金刚石单点车进行面形误差修正，将面形误差修正到rms值优于30nm，得到PV值；

2)调整金刚石单点车的工作参数，设定主轴转速、x进给和切入深度；

3)利用金刚石单点车对金属镜进行均匀的材料去除，在金属镜表面获得一层均匀的下表面破坏层，下表面破坏层厚度为h，满足h≥PV；

4)利用干涉仪检测金属镜的面形误差；

5)调整离子束抛光工艺参数，设定离子能量、工作距离和工作气体，根据上述工艺参数对应的离子束抛光去除函数，计算得到离子束加工驻留时间分布矩阵M；

6)根据驻留时间分布矩阵M，得到离子束加工过程中的材料去除厚度d，引入去除深度调整因子n，n<1，若d<h，则可按照5)中的驻留时间矩阵M加工，若d>h,则调整n的大小，使nd<h,再用n乘以驻留时间分布矩阵M得到新的驻留时间分布矩阵N，按照新的驻留时间矩阵N进行离子束加工，确保离子束加工过程中的材料去除厚度小于等于镜面下表面破坏层厚度h，利用离子束抛光对金属镜进行面形误差修正；

7)检测金属镜的面形误差分布及表面粗糙度，若满足要求则结束抛光，若不满足要求，则从步骤2)开始循环，直到满足面形误差rms值<10nm，表面粗糙度<2nm，完成金属镜加工。

优选的是，所述步骤2)中，设定主轴转速为500-2000rpm，x进给为1-5mm/min，切入深度为1-10μm。

优选的是，所述步骤5)中，离子能量低于800eV，工作距离为30-50mm，工作气体为氩气。

优选的是，所述步骤6)中，采用正向卷积算法计算得到离子束加工过程中的材料去除厚度d。

本发明的有益效果

本发明提供一种金刚石单点车辅助离子束抛光金属镜的方法，该方法利用金刚石单点车加工在金属镜表面形成一层均匀的具有一定厚度的下表面破坏层，再利用离子束抛光镜面，由于具有特定下表面破坏层的镜面在离子束抛光过程中的材料去除特性发生变化，离子束抛光的材料去除速率提升，且同时保证金属镜表面粗糙度不变。金属镜的下表面破坏层改变了金属材料在离子束加工过程中的材料去除特性，不仅材料更容易被去除，金属镜表面粗糙度也将保持不变。

附图说明

图1为本发明一种金刚石单点车辅助离子束抛光金属镜的方法的流程图；

图2为实施例1中的驻留时间分布图；

图3为实施例1中的仿真计算得到的镜面材料去除分布图；

图4为实施例2中的驻留时间分布图；

图5为实施例2中的仿真计算得到的镜面材料去除分布图。

具体实施方式

本发明提供一种金刚石单点车辅助离子束抛光金属镜的方法，如图1所示，该方法包括：

1)首先检测待加工金属镜的面形误差，并利用金刚石单点车进行面形误差修正，将面形误差修正到rms值优于30nm，得到PV值；

2)调整金刚石单点车的工作参数，优选设定主轴转速为500-2000rpm，x进给为1-5mm/min，切入深度为1-10μm；

3)利用金刚石单点车对金属镜进行均匀的材料去除，在金属镜表面获得一层均匀的下表面破坏层，下表面破坏层厚度为h，满足h≥PV；本发明中下表面破坏层的作用是降低金属镜面材料的致密性，确保低能离子束流轰击作用下镜面材料能被有效去除，若没有下表面破坏层则无法使用低能离子束流进行材料去除，只能采用高能离子束流进行加工，而高能离子束流加工会破坏金属镜面的表面粗糙度，影响最终的镜面加工质量。下表面破坏层的厚度决定了镜面表面材料能够被低能离子束流去除的厚度，确定其厚度的主要依据是镜面面形误差的PV值，在光学加工过程中，理论的材料去除厚度大于等于镜面误差的PV值，因此下表面破坏层厚度h必须满足大于等于镜面误差PV值。

4)利用干涉仪检测金属镜的面形误差，为下一步离子束加工做准备；

5)调整离子束抛光工艺参数，优选设定离子能量低于800eV，工作距离为30-50mm，工作气体为氩气，根据上述工艺参数对应的离子束抛光去除函数，计算得到离子束加工驻留时间分布矩阵M；

6)根据驻留时间分布矩阵M，优选采用正向卷积算法计算得到离子束加工过程中的材料去除厚度d，满足去除厚度d大于pv值，引入去除深度调整因子n，n<1，若d<h，则可按照5)中的驻留时间矩阵M加工，若d>h,则调整n的大小，使nd<h,再用n乘以驻留时间分布矩阵M得到新的驻留时间分布矩阵N，按照新的驻留时间矩阵N进行离子束加工，确保离子束加工过程中的材料去除厚度小于等于镜面下表面破坏层厚度h，利用离子束抛光对金属镜进行面形误差修正；

7)检测金属镜的面形误差分布及表面粗糙度，若满足要求则结束抛光，若不满足要求，则从步骤2)开始循环，直到满足面形误差rms值<10nm，表面粗糙度<2nm，完成金属镜加工。

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述。

实施例1

铝镜加工

铝合金反射镜，尺寸62mm*82mm

其加工流程如下：

1)单点车加工至镜面误差rms值28.2nm，PV值850nm，表面粗糙度Ra1.95nm，需要产生的下表面破坏层厚度h大于850nm；

2)调整金刚石单点车的工作参数，单点车加工参数如下：

转速 1200rpm

x进给为 3mm/min

切入深度 3μm

3)单点车对镜面进行材料均匀去除，材料去除厚度为5μm，下表面破坏层厚度h为920nm，满足h≥PV；

4)检测镜面误差RMS值29.1nm，为下一步离子束加工做准备；

5)设定离子束抛光工作参数：离子能量800ev、气体为氩气、工作距离50mm，根据上述工艺参数对应的离子束抛光去除函数，计算得到离子束加工驻留时间分布矩阵M；如图2所示，图2为驻留时间分布图，即加工过程中镜面上不同位置处加工工具的停留时间，此处的加工工具是离子源；

6)根据驻留时间分布矩阵M，采用正向卷积算法计算得到离子束加工过程中的材料去除厚度d，如图3所示，得到材料去除厚度d小于920nm，满足要求可以进行加工；

7)离子束加工后镜面误差rms值14.5nm，粗糙度Ra 1.8nm，满足离子束加工金属铝镜，实现高精度抛光的同时确保镜面粗糙度不变。

实施例2

采用此方法加工直径132mm铝合金凸面反射镜

1)单点车加工至镜面误差rms值29.6nm，PV值1040nm，表面粗糙度Ra2.01nm，需要产生的下表面破坏层厚度h大于1040nm；

2)调整金刚石单点车的工作参数，单点车加工参数如下：

转速 1800rpm

x进给为 2mm/min

切入深度 2μm

3)单点车对镜面进行材料均匀去除，材料去除厚度为6μm，下表面破坏层厚度h为1100nm，满足h≥PV；

4)检测镜面误差RMS值30.5nm，为下一步离子束加工做准备；

5)设定离子束抛光工作参数：离子能量800ev、气体为氩气、工作距离50mm，根据上述工艺参数对应的离子束抛光去除函数，计算得到离子束加工驻留时间分布矩阵M；如图4所示，图4为驻留时间分布图，即加工过程中镜面上不同位置处加工工具的停留时间，此处的加工工具是离子源；

6)根据驻留时间分布矩阵M，采用正向卷积算法计算得到离子束加工过程中的材料去除厚度d，如图5示，得到材料去除厚度d为950nm，d小于h值1040nm，满足要求可以进行加工；

7)离子束加工后镜面误差rms值15.1nm，粗糙度Ra 1.9nm，满足离子束加工条件。

Claims (4)

1.一种金刚石单点车辅助离子束抛光金属镜的方法，其特征在于，该方法包括：

1)首先检测待加工金属镜的面形误差，并利用金刚石单点车进行面形误差修正，将面形误差修正到rms值优于30nm，得到PV值；

2)调整金刚石单点车的工作参数，设定主轴转速、x进给和切入深度；

3)利用金刚石单点车对金属镜进行均匀的材料去除，在金属镜表面获得一层均匀的下表面破坏层，下表面破坏层厚度为h，满足h≥PV；

4)利用干涉仪检测金属镜的面形误差；

5)调整离子束抛光工艺参数，设定离子能量、工作距离和工作气体，根据上述工艺参数对应的离子束抛光去除函数，计算得到离子束加工驻留时间分布矩阵M；

6)根据驻留时间分布矩阵M，得到离子束加工过程中的材料去除厚度d，引入去除深度调整因子n，n<1，若d<h，则可按照5)中的驻留时间矩阵M加工，若d>h,则调整n的大小，使nd<h,再用n乘以驻留时间分布矩阵M得到新的驻留时间分布矩阵N，按照新的驻留时间矩阵N进行离子束加工，确保离子束加工过程中的材料去除厚度小于等于镜面下表面破坏层厚度h，利用离子束抛光对金属镜进行面形误差修正；

7)检测金属镜的面形误差分布及表面粗糙度，若满足要求则结束抛光，若不满足要求，则从步骤2)开始循环，直到满足面形误差rms值<10nm，表面粗糙度<2nm，完成金属镜加工。

2.根据权利要求1所述的一种金刚石单点车辅助离子束抛光金属镜的方法，其特征在于，所述步骤2)中，设定主轴转速为500-2000rpm，x进给为1-5mm/min，切入深度为1-10μm。

3.根据权利要求1所述的一种金刚石单点车辅助离子束抛光金属镜的方法，其特征在于，所述步骤5)中，离子能量低于800eV，工作距离为30-50mm，工作气体为氩气。

4.根据权利要求1所述的一种金刚石单点车辅助离子束抛光金属镜的方法，其特征在于，所述步骤6)中，采用正向卷积算法计算得到离子束加工过程中的材料去除厚度d。

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