CN111136812A - 一种磷锗锌晶体的组合加工方法 - Google Patents

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戴晓静
张敏
刘有海
孙守利
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杨光伟
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
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Abstract

本发明公开了一种磷锗锌晶体的组合加工方法，包括如下步骤：1)首先采用超精密单点金刚石对磷锗锌晶体表面进行切削；2)然后采用化学机械对磷锗锌晶体切削后的表面进行抛光。本发明的加工方法通过超精密单点金刚石切削，使磷锗锌晶体面型精度快速收敛至亚微米级，表面粗糙度快速收敛至纳米级；通过化学机械抛光，实现磷锗锌晶体全局平坦化，表面粗糙度达到亚纳米级；所述超精密单点金刚石切削，生产效率高，重复性好，能够加工复杂面型光学表面；所述化学机械抛光材料去除量少，抛光过程中化学作用与机械作用同时进行，在化学机械耦合作用下获得高质量的晶体表面，可去除超精密单点金刚石切削过程中产生的原理性刀纹误差。

Description

一种磷锗锌晶体的组合加工方法
技术领域
本发明涉及材料加工方法领域，具体涉及一种磷锗锌晶体的组合加工方法。
背景技术
磷锗锌是一种综合性能优异的中红外非线性光学晶体材料，其熔点为1040℃，硬度为莫氏5.5，密度为4.162g/cm3，非线性系数为75±8pm/V，透光范围2～12μm，热膨胀系数β1为5×10-6(K-1)、β2为7.8×10-6(K-1)。磷锗锌晶体红外透过波段宽、非线性光学系数大；该晶体热导率高、抗激光损伤阈值高、有适宜的双折射率以及机械化学性能稳定等特点，可作为光参量振荡、光参量放大、二次谐波、四次谐波等非线性介质材料，在中红外波段频率转换上具有十分广阔的应用前景。
磷锗锌晶体作为光学器件的材料，表面质量限制了其实现更高能量的输出。磷锗锌晶体作为典型的硬脆材料，弹性极限与强度极限非常接近，当磷锗锌晶体承受载荷稍稍超过弹性极限时就会发生断裂破坏，在加工过程中表现为被加工材料表面出现凹坑、裂纹等缺陷，严重影响表面质量。
磷锗锌晶体作为典型的硬脆材料，加工难度较高，目前多采用激光加工、人工研磨与小工具数控抛光等方法加工。但加工过程中，材料去除率低，加工效率低，加工精度不易保证，难以获得高平面精度无损伤晶体表面。仅采用超精密单点金刚石切削，磷锗锌晶体加工效率高，但材料加工精度低，不符合应用要求；仅使用化学机械抛光，磷锗锌晶体表面质量较好，加工精度高，但加工效率低，生产率低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有磷锗锌晶体的加工方法，材料去除率低，加工效率低，加工精度不易保证，难以获得高平面精度无损伤晶体表面，目的在于提供一种磷锗锌晶体的组合加工方法，先通过超精密单点金刚石切削使磷锗锌晶体面型精度与表面粗糙度快速收敛，然后结合化学机械抛光作为最终处理工序，能够获得较高的加工精度，提高了磷锗锌晶体表面光洁度，降低其表面粗糙度值，减少材料表面凹坑、裂纹等缺陷，获得亚纳米级超光滑表面，有效提高加工效率与生产率。
本发明通过下述技术方案实现：
本发明一种磷锗锌晶体的组合加工方法，包括如下步骤：1)首先采用超精密单点金刚石对磷锗锌晶体表面进行切削；2)然后采用化学机械对磷锗锌晶体切削后的表面进行抛光。
步骤1)中的切削过程包括如下步骤：a)粗切：在超精密单点金刚石车床主轴转速为250～1000rpm，进给速度0～10mm/min的条件下，使磷锗锌晶体表面去除量为4～8μm；b)半精切：在超精密单点金刚石车床主轴转速为250～1000rpm，进给速度0～6mm/min的条件下，使磷锗锌晶体表面去除量为2～4μm；c)精切：在超精密单点金刚石车床主轴转速为250～1000rpm，进给速度0～2mm/min的条件下，使磷锗锌晶体表面去除量为1～2μm；其中上述切削过程的环境温度均控制在20±2℃，湿度均控制在40％～60％之间。
本发明的加工方法，先通过超精密单点金刚石切削使磷锗锌晶体面型精度与表面粗糙度快速收敛，然后结合化学机械抛光作为最终处理工序，能够获得较高的加工精度，提高了磷锗锌晶体表面光洁度，降低其表面粗糙度值，减少材料表面凹坑、裂纹等缺陷，获得亚纳米级超光滑表面，有效提高加工效率与生产率。
本发明的加工方法通过超精密单点金刚石切削，使磷锗锌晶体面型精度快速收敛至亚微米级，表面粗糙度快速收敛至纳米级；通过化学机械抛光，实现磷锗锌晶体全局平坦化，表面粗糙度达到亚纳米级；所述超精密单点金刚石切削，生产效率高，重复性好，能够加工复杂面型光学表面；所述化学机械抛光材料去除量少，抛光过程中化学作用与机械作用同时进行，在化学机械耦合作用下获得高质量的晶体表面，可去除超精密单点金刚石切削过程中产生的原理性刀纹误差。
利用旋转重力式研抛机对切削后的磷锗锌晶体进行抛光。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明一种磷锗锌晶体的组合加工方法，相较于目前磷锗锌晶体的加工方法，有效提高磷锗锌晶体表面光洁度，减少加工过程中出现的刀纹以及凹坑、裂纹等缺陷，加工精度高，从而提高了产品合格率；
2、本发明一种磷锗锌晶体的组合加工方法，有效缩短了抛光周期，加工效率高，进一步提高了生产效率；
3、本发明一种磷锗锌晶体的组合加工方法，即超精密单点金刚石切削与化学机械抛光结合，化学机械抛光材料去除量少，抛光过程中化学作用与机械作用同时进行，在化学机械耦合作用下获得高质量的晶体表面，可去除超精密单点金刚石切削过程中产生的原理性刀纹误差。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明实施例中磷锗锌晶体经过粗切、半精切、精切后测试的面型精度图，面型精度pv达到0.29μm；
图2为本发明实施例中磷锗锌晶体经过粗切、半精切、精切后测试的表面粗糙度图,表面粗糙度sq达到1.01nm；
图3为本发明实施例中磷锗锌晶体经过化学机械抛光后的表面粗糙度图,表面粗糙度sq达到0.7nm。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
一种新型的磷锗锌晶体组合加工方法，包括超精密单点金刚石切削与化学机械抛光，在所述超精密单点金刚石切削步骤中，包含粗切、半精切、精切三个步骤，每个步骤中环境温度均控制在20℃，湿度控制在50％；所述化学机械抛光是在精切基础上对磷锗锌晶体进行抛光。具体步骤如下：
(1)粗切：在超精密单点金刚石车床主轴转速为285rpm，进给速度3mm/min的条件下，使磷锗锌晶体表面去除量为5μm；
(2)半精切：在超精密单点金刚石车床主轴转速为285rpm，进给速度2mm/min的条件下，使磷锗锌晶体表面去除量为3μm；
(3)精切：在超精密单点金刚石车床主轴转速为285rpm，进给速度1mm/min的条件下，使磷锗锌晶体表面去除量为1μm；经过以上步骤切削后，如图1所示，磷锗锌晶体面型精度达到了0.29μm以内；如图2所示，粗糙度在1.01nm以内；
(4)化学机械抛光：利用旋转重力式研抛机对切削后的磷锗锌晶体进行抛光，使表面粗糙度达到0.7nm，如图3所示。
应该注意的是：上述超精密单点金刚石切削过程必须在恒温、恒湿、隔震、高度洁净无污染的环境下进行。
由实施例可得：本发明通过超精密单点金刚石切削与化学机械抛光相结合的磷锗锌晶体加工方法，能够使面型精度与表面粗糙度快速收敛，加工效率高，同时获得亚纳米级超光滑表面。
本发明提出的磷锗锌晶体组合加工方法，不局限于磷锗锌晶体的加工，同样适用于具有相似性质的硬脆材料，均应包含在本发明的保护范围内。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种磷锗锌晶体的组合加工方法，其特征在于，包括如下步骤：1)首先采用超精密单点金刚石对磷锗锌晶体表面进行切削；2)然后对磷锗锌晶体切削后的表面进行化学机械抛光。
2.根据权利要求1所述的一种磷锗锌晶体的组合加工方法，其特征在于，步骤1)中的切削过程包括如下步骤：a)粗切：在超精密单点金刚石车床主轴转速为250～1000rpm，进给速度0～10mm/min的条件下，使磷锗锌晶体表面去除量为4～8μm；b)半精切：在超精密单点金刚石车床主轴转速为250～1000rpm，进给速度0～6mm/min的条件下，使磷锗锌晶体表面去除量为2～4μm；c)精切：在超精密单点金刚石车床主轴转速为250～1000rpm，进给速度0～2mm/min的条件下，使磷锗锌晶体表面去除量为1～2μm；其中上述切削过程的环境温度均控制在20±2℃，湿度均控制在40％～60％之间。
3.根据权利要求1所述的一种磷锗锌晶体的组合加工方法，其特征在于，利用旋转重力式研抛机对切削后的磷锗锌晶体进行抛光。
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