CN111975464A - 光学零件加工方法及系统 - Google Patents

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CN111975464A CN202010724046.3A CN202010724046A CN111975464A CN 111975464 A CN111975464 A CN 111975464A CN 202010724046 A CN202010724046 A CN 202010724046A CN 111975464 A CN111975464 A CN 111975464A
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墨洪磊
兰洁
申振丰
朱蓓蓓
袁航
陆波
朱力敏
陈勰
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Abstract

本发明提供了一种光学零件加工方法及系统，包括：步骤S1：将零件基体加工至设定尺寸精度，获取零件基体加工结果信息；步骤S2：根据光学零件基体加工结果信息，对零件进行研磨抛光加工，获取研磨抛光加工结果信息；步骤S3：根据研磨抛光加工结果信息，对零件进行改性层镀制，获取改性层镀制结果信息；步骤S4：根据改性层镀制结果信息，对零件进行单点金刚石车削加工，获取单点金刚石车削加工结果信息。本发明可实现零件的快速加工，提升产品加工效率，进而提升产品加工经济效益；同时所述方法可实现复杂结构光学零件的高效加工，尤其是在高次非球面、自由曲面、光学微结构等方面优势更加明显。

Description

光学零件加工方法及系统
技术领域
本发明涉及光学零件加工技术领域，具体地，涉及一种光学零件加工方法及系统，尤其涉及一种超硬材料复杂结构光学零件高效高精度加工方法及系统。
背景技术
非球面光学零件是表面形状偏离球面的光学元件，比传统平面、球面光学元件具有更大的自由度和灵活性，且形状多样。因而能有效地校正各种像差，改善像质，并减少系统所需光学元件的数量，减小系统外形尺寸，减轻系统重量等。目前非球面光学零件加工主要采用磨削加研抛的方式加工，但该种加工方式存在加工应力大，亚表面损伤层深，砂轮易磨损导致零件面形精度不可控、加工周期长等诸多问题，不适应于高精度、大批量光学零件的加工。同时，诸如碳化硅等材料基体在制作过程中存在大量的气孔，以及制备工艺中存在的其它弊端，使得碳化硅坯体中存在较多杂质和缺陷，进而导致碳化硅反射镜坯体直接抛光后表面粗糙度较大，很难得到高质量的光学表面，无法满足高质量光学系统需求。为解决此问题，通常需要在基体材料表面镀覆一层硅膜，填补基体表面的细微孔洞，达到对基底材料进行改性的目的，随后对该改性层进行研抛加工，但该种加工方式存在加工周期长，效率低，浪费资源，对加工人员不友好等问题。
专利文献CN103659520B公开了离轴薄壁非球面光学零件的超精密加工装置及其加工方法，步骤1、光学零件设置在楔角工装内，光学零件的底平面与楔角工装的凹槽顶面相互贴合，并使得光学零件非球面垫平；步骤2、在光学零件的通孔处垫入垫片；步骤3、在光学零件外圆壁与楔角工装顶面之间安装垫圈；步骤4、铣磨机同步铣磨光学零件、垫片和垫圈，铣磨出该光学零件的非球面；步骤5、抛光机对光学零件的非球面、垫片及外圆处的垫圈进行抛光。该专利并不能很好地适用于光学零件加工中。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种光学零件加工方法及系统。
根据本发明提供的一种光学零件加工方法，包括：步骤S1：将零件基体加工至设定尺寸精度，获取零件基体加工结果信息；步骤S2：根据光学零件基体加工结果信息，对零件进行研磨抛光加工，获取研磨抛光加工结果信息；步骤S3：根据研磨抛光加工结果信息，对零件进行改性层镀制，获取改性层镀制结果信息；步骤S4：根据改性层镀制结果信息，对零件进行单点金刚石车削加工，获取单点金刚石车削加工结果信息。
优选地，所述步骤S2包括：步骤S2.1：采用以下任意一种磨料，对零件进行研磨抛光加工：-金刚石；-碳化硅；-氧化铝；-碳化硼。
优选地，所述步骤S2包括：步骤S2.2：采用以下任意一种设备，对零件进行研磨抛光加工：-二轴研磨抛光机；-四轴研磨抛光机；-准球心抛光机；-数控抛光机。
优选地，所述步骤S3包括：步骤S3.1：根据研磨抛光加工结果信息，研磨加工后的零件面形与表面粗糙度采用轮廓仪测量。
优选地，所述步骤S3包括：步骤S3.2：根据研磨抛光加工结果信息，在真空镀膜机中对零件进行改性层镀制；步骤S3.3：依据预定镀制材料进行工艺参数设置。
根据本发明提供的一种光学零件加工系统，包括：模块M1：将零件基体加工至设定尺寸精度，获取零件基体加工结果信息；模块M2：根据光学零件基体加工结果信息，对零件进行研磨抛光加工，获取研磨抛光加工结果信息；模块M3：根据研磨抛光加工结果信息，对零件进行改性层镀制，获取改性层镀制结果信息；模块M4：根据改性层镀制结果信息，对零件进行单点金刚石车削加工，获取单点金刚石车削加工结果信息。
优选地，所述模块M2包括：模块M2.1：采用以下任意一种磨料，对零件进行研磨抛光加工：-金刚石；-碳化硅；-氧化铝；-碳化硼。
优选地，所述模块M2包括：模块M2.2：采用以下任意一种设备，对零件进行研磨抛光加工：-二轴研磨抛光机；-四轴研磨抛光机；-准球心抛光机；-数控抛光机。
优选地，所述模块M3包括：模块M3.1：根据研磨抛光加工结果信息，研磨加工后的零件面形与表面粗糙度采用轮廓仪测量。
优选地，所述模块M3包括：模块M3.2：根据研磨抛光加工结果信息，在真空镀膜机中对零件进行改性层镀制；模块M3.3：依据预定镀制材料进行工艺参数设置。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明可实现零件的快速加工，提升产品加工效率，进而提升产品加工经济效益；同时所述方法可实现复杂结构光学零件的高效加工，尤其是在高次非球面、自由曲面、光学微结构等方面优势更加明显；
2、本发明中，单点金刚石精密车削加工中，耗费资源少(常规加工模式中需采用研磨抛光液，其由金刚石、碳化硅、氧化铝、碳化硼等材料配制而成)，对加工者友好，不会对操作者产生身心健康危害；
3、本发明中操作简单方便，可实现在线检测，在线反馈，不需反复拆卸安装。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中的车削加工原理示意图。
图2为本发明中的单点金刚石刀具示意图。
图3为本发明中的光学零件示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实例一
一种光学零件加工方法，加工碳化硅基非球面光学零件。
步骤P1：采用数控铣磨机铣磨加工零件坯体，将其加工为一球面，球面曲率半径为目标光学零件面形的最接近球面。其计算公式如下：
Figure BDA0002601029640000031
式中r0是最佳比较球面；R0为非球面顶点曲率半径；e为二项系数；h为非球面口径的一半；
步骤P1：研磨抛光加工步骤P1中光学零件。采用金刚石粉、碳化硅、氧化铝、碳化硼等磨料配制研磨抛光液，在数控抛光机、二轴机、四轴机等设备上研磨抛光加工步骤P1中零件，实现其面形精度达到PV0.1μm～0.5μm，表面粗糙度达到优于10nm。
步骤P3：采用光学设计软件Zemax等软件，设计改性膜层厚度，该厚度的应满足后续非球面车削加工需要；
步骤P4：将步骤P2中零件放入真空镀膜机中进行改性膜层镀制，拟镀制改性层零件为硅材料。将零件依次经丙酮和无水乙醇超声波清洗各10分钟，去离子水清洗2-3次，吹干。沉积前等离子体刻蚀衬底10min以去除表面的粘着物。腔体内真空度保持在1.6×10-4mbar，调节等离子体功率2～8KW、偏压-90～-150V、电子束热蒸发速率0.2～0.8nm·s-1和基体温度100～200℃等工艺参数。
步骤P5：将步骤P4中零件装夹在单点金刚石车床进行车削加工。
采用金刚石刀具前角为-40°～-5°，刀尖圆弧半径为0.5～2mm；切削速度为200～1000mm/min等条件下进行切削加工，采用气体冷却。加工后经轮廓仪、Zygo激光干涉仪等设备检测，工件表面粗糙度Ra为5nm～15nm，面形精度PV为0.1～0.5μm。
随后对零件加工效率进行了统计分析，发现零件加工效率提升了50％以上，单点金刚石刀具磨损量很小，由此带来的经济效益也非常明显。
实例二
一种光学零件加工方法，加工碳化硅基非球面光学零件。
步骤P1：采用数控铣磨机铣磨加工零件坯体，将其加工为一球面，球面曲率半径为目标光学零件面形的最接近球面。其计算公式如下：
Figure BDA0002601029640000041
式中r0是最佳比较球面；R0为非球面顶点曲率半径；e为二项系数；h为非球面口径的一半
步骤P2：研磨抛光加工步骤P1中光学零件。采用金刚石粉、碳化硅、氧化铝、碳化硼等磨料配制研磨抛光液，在数控抛光机、二轴机、四轴机等设备上研磨抛光加工步骤P1中零件，实现其面形精度达到PV0.1μm～0.5μm，表面粗糙度达到优于10nm。
步骤P3：采用光学设计软件Zemax等软件，设计改性膜层厚度，该厚度的应满足后续非球面车削加工需要；
步骤P4：将步骤P2中零件放入真空镀膜机中进行改性膜层镀制，拟镀制改性层零件为硅材料。将零件依次经丙酮和无水乙醇超声波清洗各10分钟，去离子水清洗2-3次，吹干。沉积前等离子体刻蚀衬底10min以去除表面的粘着物。腔体内真空度保持在1.6×10-4mbar，调节等离子体功率2～8KW、偏压-90～-150V、电子束热蒸发速率0.2～0.8nm·s-1和基体温度100～200℃等工艺参数。
步骤P5：将步骤P4中零件装夹在单点金刚石车床进行车削加工。
采用金刚石刀具前角为-25°～﹢15°，刀尖圆弧半径为0.5～2mm；切削速度为200～1000mm/min等条件下进行切削加工，采用纳米颗粒进行润滑。加工后经轮廓仪、Zygo激光干涉仪等设备检测，工件表面粗糙度Ra为2nm～10nm，面形精度PV为0.1～0.5μm。
随后对零件加工效率进行了统计分析，发现零件加工效率提升了60％以上，刀具使用寿命提升100％以上，大大提高了经济效益。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种光学零件加工方法，其特征在于，包括：
步骤S1：将零件基体加工至设定尺寸精度，获取零件基体加工结果信息；
步骤S2：根据光学零件基体加工结果信息，对零件进行研磨抛光加工，获取研磨抛光加工结果信息；
步骤S3：根据研磨抛光加工结果信息，对零件进行改性层镀制，获取改性层镀制结果信息；
步骤S4：根据改性层镀制结果信息，对零件进行单点金刚石车削加工，获取单点金刚石车削加工结果信息。
2.根据权利要求1所述的光学零件加工方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
步骤S2.1：采用以下任意一种磨料，对零件进行研磨抛光加工：
-金刚石；
-碳化硅；
-氧化铝；
-碳化硼。
3.根据权利要求2所述的光学零件加工方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
步骤S2.2：采用以下任意一种设备，对零件进行研磨抛光加工：
-二轴研磨抛光机；
-四轴研磨抛光机
-准球心抛光机；
-数控抛光机。
4.根据权利要求3所述的光学零件加工方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
步骤S3.1：根据研磨抛光加工结果信息，研磨加工后的零件面形与表面粗糙度采用轮廓仪测量。
5.根据权利要求4所述的光学零件加工方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
步骤S3.2：根据研磨抛光加工结果信息，在真空镀膜机中对零件进行改性层镀制；
步骤S3.3：依据预定镀制材料进行工艺参数设置。
6.一种光学零件加工系统，其特征在于，包括：
模块M1：将零件基体加工至设定尺寸精度，获取零件基体加工结果信息；
模块M2：根据光学零件基体加工结果信息，对零件进行研磨抛光加工，获取研磨抛光加工结果信息；
模块M3：根据研磨抛光加工结果信息，对零件进行改性层镀制，获取改性层镀制结果信息；
模块M4：根据改性层镀制结果信息，对零件进行单点金刚石车削加工，获取单点金刚石车削加工结果信息。
7.根据权利要求6所述的光学零件加工系统，其特征在于，所述模块M2包括：
模块M2.1：采用以下任意一种磨料，对零件进行研磨抛光加工：
-金刚石；
-碳化硅；
-氧化铝；
-碳化硼。
8.根据权利要求7所述的光学零件加工系统，其特征在于，所述模块M2包括：
模块M2.2：采用以下任意一种设备，对零件进行研磨抛光加工：
-二轴研磨抛光机；
-四轴研磨抛光机
-准球心抛光机；
-数控抛光机。
9.根据权利要求8所述的光学零件加工系统，其特征在于，所述模块M3包括：
模块M3.1：根据研磨抛光加工结果信息，研磨加工后的零件面形与表面粗糙度采用轮廓仪测量。
10.根据权利要求9所述的光学零件加工系统，其特征在于，所述模块M3包括：
模块M3.2：根据研磨抛光加工结果信息，在真空镀膜机中对零件进行改性层镀制；
模块M3.3：依据预定镀制材料进行工艺参数设置。
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