CN114227443B - 一种高精度异形硫化锌平面分光镜加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种高精度异形硫化锌平面分光镜加工方法，属于光学冷加工领域；首先采用古典抛光法，当零件两个面的反射透射面形精度均达到任意φ150mm区域内RMS≤0.1λ，λ＝632.8nm，光洁度达到V级，表面粗糙度Ra≤6nm后，使用离子束抛光进行精修抛光直至达到RMS≤0.025λ或更高要求；本发明采用古典抛光法与离子束抛光相结合的方式，由于离子束抛光确定性加工的特点，克服了传统加工方法如：古典法、环抛法存在的不确定性强、加工效率低的问题。必须严格控制两种加工方法之间的过度条件，如古典法加工不能达到上述指标，则不能直接进行离子束抛光方法，如果在不满足条件的情况下直接使用，则会导致表面光洁度遭到严重破坏，无法达到工艺图纸要求。

Description

一种高精度异形硫化锌平面分光镜加工方法

技术领域

本发明属于光学冷加工领域，具体涉及一种高精度异形硫化锌平面分光镜加工方法。

背景技术

机载光电探测系统中常用平面分光镜来实现共光路的不同探测波段的分离。一般采用石英、硅、锗、硫化锌等光学晶体材料进行加工而成。随着机载光电探测系统朝着大口径高精度方向发展，对单一光学元件的性能指标要求也越来越严格。

与其他材料相比，多光谱硫化锌晶体材料在多个波段都具有良好的光学性能，逐渐成为分光镜材料的首选。然而硫化锌材料质地较软，加工过程容易出现划痕，并且刚度差易变形，要达到高面形精度非常困难。此外，分光镜需要两面抛光，对透射面形和反射面形均有要求。由于硫化锌材料在可见光波段透明，传统的平面干涉仪检测时存在两面干涉条纹相互干扰的情况，导致无法得到准确结果。

目前国内高精度平面光学元件的加工主要有古典抛光法、环抛机抛光法、磁流变抛光法、离子束抛光法、射流抛光法等等。然而在加工硫化锌材料时，仍存在种种问题，古典抛光法要达到高精度非常困难，环抛机对加工者的经验要求高且抛光效率低，磁流变抛光对磁流变液体成分配比要求严格，离子束抛光硫化锌材料容易破坏表面光洁度。

分光镜的面形精度直接影响激光光斑质量和红外成像质量，进而影响机载光电系统的探测距离。综上所述，研究高精度异形硫化锌平面分光镜的加工具有重要意义。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种高精度异形硫化锌平面分光镜加工方法，通过将古典抛光法与离子束抛光法相结合，克服了零件不规则外形导致的运动轨迹不均匀，从而使抛光后的面形更规则，精度更优。

本发明的技术方案是：一种高精度异形硫化锌平面分光镜加工方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤1：粗磨成形：使用脆硬材料加工机对镜坯进行粗磨，加工零件外形；

步骤2：精磨：使用古典抛光机床进行加工；首先采用配盘方式将粗磨后的零件近似补成圆形，然后依次使用W40金刚砂辅料、W20金刚砂辅料、W7碳化硼或金刚石辅料进行精磨，精磨后的零件满足RMS为1μm，表面粗糙度为Ra<60nm，且表面没有瑕疵；加工完一个面后重复上述步骤精磨第二面，精磨过程中通过控制边厚差小于0.01mm来控制两面的平行；

步骤3：修形抛光：首先选用W2金刚石微粉粗抛，快速去除砂眼，然后使用W1氧化铝抛光液多次迭代提升面型精度，迭代过程中采用波长调制型干涉仪检测面形与平行差；抛光第一个面面形精度达到RMS≤0.1λ后开始翻面加工第二个面，λ＝632.8nm，将零件与配盘对齐粘接在胶模上之后，需先采用W7碳化硼或金刚石精磨，使得配盘表面与零件加工面保持一致；

步骤4：精修抛光：当零件两个面的反射透射面形精度均达到任意φ150mm区域内RMS≤0.1λ，λ＝632.8nm，光洁度达到V级，表面粗糙度Ra≤6nm后，使用离子束抛光进行精修抛光直至达到RMS≤0.025λ或更高要求；

步骤5：光洁度提升：如果步骤4中离子束抛光造成了零件光洁度严重下降，表面粗糙度为Ra>12nm；则采用计算机控制小磨头抛光技术进行保形光顺，光顺时使用62#沥青和300nm氧化铝抛光液。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤1中，零件外形成形加工时，根据零件尺寸要求，在零件下方使用粘结蜡粘结保护玻璃，并用机床压板夹持保护玻璃。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤2精磨时，首先采用硫化锌配盘将零件补成圆形，然后使用尺寸Φ6×7mm硬胶条将硫化锌配盘粘结在胶模上，粘结时控制胶点均匀分布。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤2中，胶模外缘处沿周向均布若干凹槽，所述凹槽为中点在胶模外周面的孔，孔径为Φ20mm，便于测量。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤2中，判断跟换W40金刚砂辅料、W20金刚砂辅料、W7碳化硼或金刚石辅料的时机：操作过程中使用轮廓仪测量表面粗糙度，当一种磨料加工至零件表面粗糙度不再有明显变化时，换用下一道磨料。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤2中，精磨过程中使用三坐标或平面度仪测量面形。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤4中，精修抛光时采用离子束抛光技术，入口精度为RMS≤0.1λ，λ＝632.8nm，表面粗糙度Ra≤6nm；离子束功率40-50W，加速电压小于150V。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤5中，采用计算机控制小磨头抛光技术进行保形光顺时压力须控制在0.1Mpa以下。

有益效果

本发明的有益效果在于：

(1)本发明采用古典抛光法与离子束抛光相结合的方式，先采用古典法加工至一较低的面形精度，同时保证光洁度与平行差；当零件两个面的反射透射面形精度均达到任意φ150mm区域内RMS≤0.1λ，λ＝632.8nm，光洁度达到V级，表面粗糙度Ra≤6nm后，再采用离子束修形，达到要求的面形精度。由于离子束抛光确定性加工的特点，克服了传统加工方法如：

古典法、环抛法存在的不确定性强、加工效率低的问题。必须严格控制两种加工方法之间的过度条件，如古典法加工不能达到上述指标，则不能直接进行离子束抛光方法，如果在不满足条件的情况下直接使用，则会导致表面光洁度遭到严重破坏，无法达到工艺图纸要求。

(2)在古典抛光过程中，采用配盘的方法，克服了零件不规则外形导致的运动轨迹不均匀，从而使抛光后的面形更规则，精度更优。

(3)通过对胶模的边缘沿周向开孔的方式，使得边厚差的测量更为方便，而传统的方法为了测量边厚差，胶模必须比零件尺寸小一点，才能使用千分尺或测厚仪测量零件厚度，但是胶模较小留给配盘的粘接空间就很少，导致配盘易脱落。

(4)零件精磨时，先使用W40金刚砂辅料，再使用W20金刚砂辅料，最后使用W7碳化硼(或金刚石)辅料，通过更换不通粒径，且粒径为依次递减，用细粒径磨料逐步去除粗粒径磨料造成的微裂纹等亚表面损伤，控制破坏层深度，以保证最终RMS在1μm左右，表面粗糙度Ra<60nm，表面没有瑕疵。粒径选择对零件精磨过程有严重影响，不能随意选择成递减的三种粒径辅料进行精磨，否则发达到精度要求。

(5)离子束抛光容易破坏硫化锌的光洁度，为改善这一问题，我们在精磨和抛光阶段使用多种粒径的磨料组合，尽可能的减小破坏层的深度，从而减小离子束轰击将亚表面损伤暴露而引起的光洁度变差。同时，在离子束加工过程中减小离子束的功率和加速电压，从而减小离子束轰击能量过大引起的硫化锌晶体剥离。最后，我们对光洁度恶化严重的采用计算机控制小磨头抛光技术进行保形光顺，改善光洁度。

附图说明

图1为本发明的加工工艺流程示意图；

图2为本发明实施例1的零件配盘与胶点分布示意图；

图3为本发明实施例1胶模形状示意图；

图4为本发明实施例1面形结果示意图；

图5为本发明实施例2中样品1面形结果示意图；(a)加工前，(b)加工后；

图6为本发明实施例2中样品2面形结果示意图；(a)加工前，(b)加工后；

图7为本发明实施例2中样品2光顺加工后面形结果示意图；

附图标记说明：1为硫化锌零件，2为硫化锌配盘，3为胶模，4为粘结胶点。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例1：

选择一块多光谱硫化锌材料进行加工实验。本实施例描述的高精度异形硫化锌平面分光镜，外形如图2所示，整体类似一个长方形与两个半圆形的组合，要求长度210mm±0.1mm，宽度150mm±0.1mm，厚度14mm±0.05mm。平行差要求10"，光洁度B＝V级，面形精度要求必须同时满足以下条件：a)中心φ90mm的区域内面型反射式检测应满足：PV≤0.1λ，RMS≤0.025λ(λ＝632.8nm)，测试时不去Power；

b)在任意φ150mm区域内透射式面型检测应满足：PV≤0.4λ，RMS≤0.08λ(λ＝632.8nm)，测试时不移出Power。

下面按照图1的步骤对实施例进行加工，工艺过程如下：

步骤1：粗磨成形：

1)镜坯尺寸为210*151*15mm，在其下方使用粘结蜡粘结保护玻璃，保护玻璃材料为普通窗玻璃，尺寸为250*250*8mm；

2)使用压板将保护玻璃固定在脆硬材料加工机上，使用金刚石砂轮磨头按程序铣磨出零件外形；

步骤2：精磨：

1)采用硫化锌材料配盘将零件近似补成圆形，配盘厚度与零件保持一致，如图2所示；

2)使用尺寸Φ6×7mm硬胶条将其粘结在胶模上，粘结时控制胶点均匀分布，如图2所示。粘接时零件及配盘在下，放置于一个平面度优于0.01mm的大平板玻璃上；

3)采用W40金刚砂、W20金刚砂和W7碳化硼逐步精磨，W40去除量约为0.3-0.4mm，然后使用W20精磨，每隔一段时间测量边厚差和表面粗糙度直到粗糙度无明显变化，去除量约0.06mm。换用W7精磨至粗糙度无变化，去除量约0.01mm，精磨过程中使用三坐标或平面度仪测量面形，最终RMS为1.23μm。表面没有划伤和瑕疵点。

4)按上述方法加工第二面，采用测厚仪测量零件边厚差，为方便测量，胶模边缘开孔Φ20mm，如图3所示。控制边厚差在0.01mm以内，RMS为0.899μm。

步骤3：修形抛光：

1)粗抛使用W2金刚石微粉，快速去除砂眼至光亮；

2)然后使用W1氧化铝抛光液多次迭代提升面形精度，迭代过程中采用波长调制型干涉仪检测面形，避免零件两面干扰；

3)抛光第一个面面形精度达到RMS＝0.107λ(λ＝632.8nm)后开始翻面加工第二个面，将零件与配盘对齐粘接在胶模上之后，需先采用W7碳化硼(或金刚石)精磨，使得配盘表面与零件加工面保持一致。

4)抛光过程中使用波长调制型干涉仪反复测量平行差，最后直至8.0"。零件表面光洁度良好，没有出现划伤、麻点。

步骤4：精修抛光：

1)当两个面的反射面形精度分别达到任意φ150mm区域内RMS＝0.091λ和RMS＝0.082λ(λ＝632.8nm)，光洁度达到V级后使用离子束抛光；

2)将干涉仪测量数据导入工艺软件进行离子束抛光，离子束功率选择50W，加速电压150V，避免能量过大破坏光洁度。采用离子束加工面形较好的一面。最终加工精度达到该面中心φ90mm的区域内RMS＝0.016λ，全口径区域内透射RMS＝0.07λ，如图4所示。表面粗糙度Ra＝8.9nm,光洁度满足V级要求。

本实施例效果较好，没有进行计算机控制小磨头光顺。

实施例2：

为说明离子束抛光参数设定对表面粗糙度的影响的重要性以及计算机控制小磨头光顺对粗糙度的改善作用，对两块古典法加工完成的硫化锌平面样品进行实验。加工前样品的表面粗糙度Ra分别为6.13nm和6.95nm.样品1离子束加工参数采用栅网口径20mm,射频功率50W，加速电压150V。加工时间93min,加工前后面形如图5所示.加工后的表面粗糙度Ra为9.31nm。

样品2离子束加工参数采用栅网口径20mm，射频功率70W，加速电压150V。加工时间69.9min,加工前后面形如图6所示。加工后的表面粗糙度Ra为15.4nm，超出图纸要求的表面粗糙度Ra>12nm的要求，由于表面粗糙度恶化导致检测光在表面散射严重,因此干涉仪检测到的数据部分缺失.

对样品2使用计算机控制小磨头光顺,光顺时间4小时,经过光顺加工的样品表面粗糙度Ra为6.72nm,面形如图7所示.可以看出保形光顺对面形的改变很小。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种高精度异形硫化锌平面分光镜加工方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤1：粗磨成形：使用脆硬材料加工机对镜坯进行粗磨，加工零件外形；

步骤2：精磨：使用古典抛光机床进行加工；首先采用配盘方式将粗磨后的零件近似补成圆形，然后依次使用W40金刚砂辅料、W20金刚砂辅料、W7碳化硼或金刚石辅料进行精磨，精磨后的零件满足RMS为1μm，表面粗糙度为Ra<60nm，且表面没有瑕疵；加工完一个面后重复上述步骤精磨第二面，精磨过程中通过控制边厚差小于0.01mm来控制两面的平行；

步骤3：修形抛光：首先选用W2金刚石微粉粗抛，快速去除砂眼，然后使用W1氧化铝抛光液多次迭代提升面型精度，迭代过程中采用波长调制型干涉仪检测面形与平行差；抛光第一个面面形精度达到RMS≤0.1λ后开始翻面加工第二个面，λ＝632.8nm，将零件与配盘对齐粘接在胶模上之后，需先采用W7碳化硼或金刚石精磨，使得配盘表面与零件加工面保持一致；

步骤4：精修抛光：当零件两个面的反射透射面形精度均达到任意φ150mm区域内RMS≤0.1λ，λ＝632.8nm，光洁度达到V级，表面粗糙度Ra≤6nm后，使用离子束抛光进行精修抛光直至达到RMS≤0.025λ或更高要求；

步骤5：光洁度提升：如果步骤4中离子束抛光造成了零件光洁度严重下降，表面粗糙度为Ra>12nm；则采用计算机控制小磨头抛光技术进行保形光顺，光顺时使用62#沥青和300nm氧化铝抛光液。

2.根据权利要求1所述高精度异形硫化锌平面分光镜加工方法，其特征在于：所述步骤1中，零件外形成形加工时，根据零件尺寸要求，在零件下方使用粘结蜡粘结保护玻璃，并用机床压板夹持保护玻璃。

3.根据权利要求1所述高精度异形硫化锌平面分光镜加工方法，其特征在于：所述步骤2精磨时，首先采用硫化锌配盘将零件补成圆形，然后使用尺寸Φ6×7mm硬胶条将硫化锌配盘粘结在胶模上，粘结时控制胶点均匀分布。

4.根据权利要求3所述高精度异形硫化锌平面分光镜加工方法，其特征在于：所述步骤2中，胶模外缘处沿周向均布若干凹槽，所述凹槽为中点在胶模外周面的孔，孔径为Φ20mm，便于测量。

5.根据权利要求1所述高精度异形硫化锌平面分光镜加工方法，其特征在于：所述步骤2中，判断跟换W40金刚砂辅料、W20金刚砂辅料、W7碳化硼或金刚石辅料的时机：操作过程中使用轮廓仪测量表面粗糙度，当一种磨料加工至零件表面粗糙度不再有明显变化时，换用下一道磨料。

6.根据权利要求1所述高精度异形硫化锌平面分光镜加工方法，其特征在于：所述步骤2中，精磨过程中使用三坐标或平面度仪测量面形。

7.根据权利要求1所述高精度异形硫化锌平面分光镜加工方法，其特征在于：所述步骤4中，精修抛光时采用离子束抛光技术，入口精度为RMS≤0.1λ，λ＝632.8nm，表面粗糙度Ra≤6nm；离子束功率40-50W，加速电压小于150V。

8.根据权利要求1所述高精度异形硫化锌平面分光镜加工方法，其特征在于：所述步骤5中，采用计算机控制小磨头抛光技术进行保形光顺时压力须控制在0.1Mpa以下。

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