CN115070558B - 一种CaF2晶体材料棱镜精密抛光方法 - Google Patents

一种CaF2晶体材料棱镜精密抛光方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光学加工领域技术领域,公开了一种CaF2晶体材料棱镜精密抛光方法,包括以下步骤:(1)精磨;(2)粗抛光;(3)精抛光。本发明方法简单,便于操作,加工效率高、时间短,采用平面高速抛光设备、光胶复制法、环抛设备,再配合合适的辅料、规范的操作方法、光学加工工艺参数及加工工艺要求,解决CaF2晶体材料棱镜批量生产的瓶颈问题,使CaF2晶体材料棱镜表面疵病达到较高水平,提高其面形、角值精度等级,抛光效率提高了2.5倍左右,大幅度缩短加工周期,零件合格率由原来的20%提高到80%以上。

Description

一种CaF2晶体材料棱镜精密抛光方法
技术领域
本发明涉及光学加工领域技术领域,尤其涉及一种CaF2晶体材料棱镜精密抛光方法。
背景技术
氟化钙(CaF2)晶体是一种具有优异光学和物化性能的晶体材料,同时具有独特的结构特性,在工业应用和科学研究领域中发挥着非常重要的作用,随着科技水平的发展,新的应用前景不断展现。在工业应用方面,氟化钙晶体透过波长范围宽,被用作真空紫外到红外波段的窗口材料。同时,低折射率和低色散特性使氟化钙晶体成为性能优异的消色差和复消色差透镜材料,被广泛地用于紫外光刻、天文观测、航测、侦察及高分辨光学仪器中。特别地,氟化钙晶体具有极高的紫外透过率、高的激光损伤阈值、低的双折射率和高的折射率均匀性,是准分子激光光刻系统的首选透镜材料。
然而,CaF2晶体材料具有硬度低、易破碎、较高的热膨胀系数等特性,对高精度精密加工提出较大挑战,CaF2晶体超精密加工已成为制约紫外和深紫外光学系统发展的关键因素之一,特别是高精度氟化钙棱镜在行业内的加工能力更是十分有限,不能满足行业需求,因此需要加以改进。
发明内容
针对现有技术存在的技术问题,本发明提供了一种CaF2晶体材料棱镜精密抛光方法。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种CaF2晶体材料棱镜精密抛光方法,包括以下步骤:
(1)精磨;
(2)粗抛光;
(3)精抛光。
优选的,步骤(2)中,采用的设备为聚氨酯高速环抛机,
环境要求:温度为22℃~26℃,温度梯度<1℃/h,
设备转速为60r/min~80r/min,
对抛光模面形要求:N≤2,
抛光粉为1μm金刚石抛光液,抛光粉浓度为2%~3%,抛光粉流量为0.8L/min~1.0L/min,加工时间为3h~4h。
在粗抛光步骤中,采用自动循环加抛光粉的方式,通过聚氨酯高速环抛机缩短了零件祛麻点时间,从而提高了工作效率(经粗抛光步骤后,CaF2晶体材料棱镜去麻点效率提高2.5倍左右)。
优选的,步骤(3)中,采用的设备为环抛机,沥青模软化点为63.3度,
环境要求:温度为22℃~24℃,温度梯度<1℃/h,相对湿度为60%~80%,
设备转速为2r/min~3r/min,
对抛光模面形要求:φ100范围:N≤0.5、ΔN≤0.2,
抛光粉为0.3μm或0.25μm金刚石抛光液,抛光粉浓度为0.2%~0.3%,抛光粉流量为0.8L/h~1.0L/h,加工时间为6h~7h。
在精抛光步骤中,采用自动不循环加抛光粉的方式,所用沥青模的原料为60#沥青与65#沥青按1:2比例混合而成,使用环抛机使零件在抛光时处于无应力的自由状态,可获得较高面形精度(经过该步骤后,CaF2晶体材料棱镜抛光可达到以下指标:N=0.3、ΔN=0.1,表面疵病B=Ⅲ级)。
优选的,精抛光后涂保护胶、下盘、清洗,所涂的保护胶为防霉剂。采用防霉剂对加工完的面进行保护,以隔绝空气、灰尘等对零件表面的化学腐蚀或物理伤害。
优选的,用于对三棱柱形的CaF2晶体材料棱镜的三个侧面进行加工。
优选的,CaF2晶体材料棱镜的底面为直角三角形,其该底面上斜边所在的侧面为加工面一,两个直角边所在的侧面为加工面二,加工时,按照加工面一、一个加工面二、另一个加工面二的顺序进行。
优选的,加工面二在加工前进行光胶,具体为,工作间洁净度为万级以上,采用设备为净化工作台,
角度工具要求:1)角度精度:θ=θ=5″、Δψ=10″;2)面形精度:N=0.5、ΔN=0.2;3)表面疵病:B=Ⅴ级,
工作间温度为18~20℃,工作间湿度为50%~70%。
光胶步骤是将零件加工面一粘到相应的工具面上,再将待加工的加工面二对应的工具面光胶到垫板上。通过上述操作,将工具的角值精度复制到零件上。
光胶步骤采用光胶复制法将高精度角度工具的精度复制在零件上,以提高零件的角值精度(经过该步骤后,CaF2晶体材料棱镜角值精度可达到以下指标:θ=θ=10″、Δψ=10″)。
优选的,抛光完成后进行检验,对检验不合格的进行手修,手修具体为,采用的设备为高速修磨机,设备转速为200r/min~300r/min,金属模表面粘结天鹅绒布,手修模金属基底平面度为0.02mm,抛光液为0.3μm或0.25μm金刚石抛光液,抛光粉浓度为2%~3%,手修合格后进入下一道工序。
因CaF2晶体材料硬度低,且光胶复制法需要通过分子引力将零件加工面一与角度工具上相应的面胶合在一起,因此零件加工面一极易产生划痕,在手修步骤中,采用高速修磨机对加工中零件表面产生的划痕进行修复,重点是对零件加工面一与角度工具光胶过程中产生的划痕进行修复,并采用手工添加的加粉方式,手修时,工件与天鹅绒布接触,同时在绒布上添加抛光液。经过手修修复后,CaF2晶体材料棱镜表面疵病可达到:B=Ⅲ级。
本发明的方法可用于对无人机光电吊舱系统、多光谱自准直仪系统、自动跟踪系统等用氟化钙晶体材料棱镜的精密抛光。
本发明通过简单的加工步骤及加工工艺参数控制,能使弦高22mm~35mm氟化钙晶体材料直角棱镜抛光后达到以下工艺指标:表面疵病B=Ⅲ级,面形N=0.3、ΔN=0.1,角值精度可达到θ=θ=10″、Δψ=10″。
本发明方法简单,便于操作,加工效率高、时间短,采用平面高速抛光设备、光胶复制法、环抛设备,再配合合适的辅料、规范的操作方法、光学加工工艺参数及加工工艺要求,解决CaF2晶体材料棱镜批量生产的瓶颈问题,使CaF2晶体材料棱镜表面疵病达到较高水平,提高其面形、角值精度等级,抛光效率提高了2.5倍左右,大幅度缩短加工周期,零件合格率由原来的20%提高到80%以上。
附图说明
图1是本实施例所适用的CaF2晶体材料棱镜底面的结构示意图。
图2是本实施例所适用的CaF2晶体材料棱镜加工面一的结构示意图。
图3是本实施例的工艺流程图。
图中:1、加工面一;2、加工面二。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做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。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“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,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”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“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,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
参见图1-2,本实施例中的CaF2晶体材料棱镜为底面是等腰直角三角形的直三棱柱,底面上斜边所在的侧面为加工面一1,两个直角边所在的侧面为加工面二2,弦高为22.6mm。
参见图3,一种CaF2晶体材料棱镜精密抛光方法,包括以下步骤:
S1,对加工面一进行加工:
(1)精磨,加工时间为0.5h;
(2)粗抛光,采用聚氨酯高速环抛机快速去除加工面一上的麻点,以提高零件加工效率,环境要求:温度为22℃~26℃,温度梯度<1℃/h,
设备转速为60r/min~80r/min,
对抛光模面形要求:N≤2,
抛光粉为1μm金刚石抛光液,抛光粉浓度为2%~3%,抛光粉流量为0.8L/min~1.0L/min,加工时间为3.5h,粗抛光后加工面一达到以下指标:N=2;
(3)精抛光,采用环抛机(具体为沥青环抛模),以提高零件的面形精度和表面疵病精度,沥青模软化点为63.3度,
环境要求:温度为22℃~24℃,温度梯度<1℃/h,相对湿度为60%~80%,
设备转速为2r/min~3r/min,
对抛光模面形要求:φ100范围(即测量抛光模面形口径直径100要求达到的指标,同样的面形和局部面形指标,测量口径越大,要求越严):N≤0.5、ΔN≤0.2,
抛光粉为0.3μm或0.25μm金刚石抛光液,抛光粉浓度为0.2%~0.3%,抛光粉流量为0.8L/h~1.0L/h,加工时间为7h;
(4)涂保护胶、下盘、清洗,所涂的保护胶为防霉剂;
S2,采用与S1同样的方法对其中一个工作面二进行加工,加工前对该加工面二进行光胶,工作间洁净度为万级以上,采用设备为净化工作台,
角度工具要求:1)角度精度:θ=θ=5″、Δψ=10″;2)面形精度:N=0.5、ΔN=0.2;3)表面疵病:B=Ⅴ级,
工作间温度为18~20℃,工作间湿度为50%~70%,
精磨时间为0.8h;
S3,采用与S2同样的方法对另一个工作面二进行加工;
S4,检验,利用平面激光干涉仪对加工后的加工面一和加工面二进行面形检验;
S5,检验合格的进入下一道工序,检验不合格的进行手修,手修具体为,采用的设备为高速修磨机,设备转速为200r/min~300r/min,金属模表面粘结天鹅绒布,手修模金属基底平面度为0.02mm,抛光液为0.3μm或0.25μm金刚石抛光液,抛光粉浓度为2%~3%,手修合格后进入下一道工序。
在粗抛光步骤中,采用自动循环加抛光粉的方式,通过聚氨酯高速环抛机缩短了零件祛麻点时间,从而提高了工作效率(经粗抛光步骤后,CaF2晶体材料棱镜去麻点效率提高2.5倍左右)。
在精抛光步骤中,采用自动不循环加抛光粉的方式,所用沥青模的原料为60#沥青与65#沥青按1:2比例混合而成,使用环抛机使零件在抛光时处于无应力的自由状态,可获得较高面形精度。
光胶步骤是将零件加工面一粘到相应的工具面上,再将待加工的加工面二对应的工具面光胶到垫板上。通过上述操作,将工具的角值精度复制到零件上。
光胶步骤采用光胶复制法将高精度角度工具的精度复制在零件上,以提高零件的角值精度。
因CaF2晶体材料硬度低,且光胶复制法需要通过分子引力将零件加工面一与角度工具上相应的面胶合在一起,因此零件加工面一极易产生划痕,在手修步骤中,采用高速修磨机对加工中零件表面产生的划痕进行修复,重点是对零件加工面一与角度工具光胶过程中产生的划痕进行修复,并采用手工添加的加粉方式,手修时,工件与天鹅绒布接触,同时在绒布上添加抛光液。
加工后本实施例的CaF2晶体材料棱镜达到以下指标:N=0.3、ΔN=0.1,B=Ⅲ级,θ=θ=10″、Δψ=10″。
以上加工步骤中:N表示面形,ΔN表示局部面形,B为表面疵病(共有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ七个等级),θ为第一平行差(角度差),θ为第二平行差(棱差),Δψ为角度工具的角度误差,以上参数均为光学行业常见指标。
本实施例通过特定的抛光粉、特定的保护胶及手修步骤的相配合解决了现有技术中氟化钙晶体光学零件加工时表面划痕严重问题、面形、角值精度等级低、效率低的问题,加工后的氟化钙晶体材料棱镜面形及表面疵病一致性好。
本发明的创新点在于选用特定的辅料及加工过程中特定的工艺参数控制。
本发明的环境温度能保证CaF2晶体材料棱镜以及抛光模的面形稳定,间接对零件表面疵病产生有利影响;且能保证光胶过程的顺利进行,会对零件光胶面(即加工面一)表面疵病产生有利影响。
加工中抛光模面形复制到零件上,因此抛光模的好坏决定着零件面形的好坏。每天加工前都要对抛光模的面形进行检查,并结合前一天检验的结果分析抛光模面形每天的变化,若不符合要求应及时修整。
本发明中限定的抛光粉浓度及流量能保证CaF2晶体材料棱镜抛光的表面疵病等级达到要求,并提高加工效率。
本发明在面形相对好控制的前提下,选择合适软化点(尽可能软)的沥青模,使得零件能达到相对高的表面疵病精度。
本发明根据CaF2晶体材料努式硬度值及抗酸碱情况,选择合适努式硬度值、PH值的抛光液,使得零件表面疵病达到要求。
本发明选择不和CaF2晶体材料发生化学反应且能有效隔离空气、水分、灰尘的保护胶(具体为脱氢乙酸又叫去水乙酸,分子式C8H8O4),避免空气、灰尘等对零件已加工面产生化学腐蚀或物理伤害。
本发明方法简单,便于操作,加工效率高、时间短,采用平面高速抛光设备、光胶复制法、环抛设备,再配合合适的辅料、规范的操作方法、光学加工工艺参数及加工工艺要求,解决CaF2晶体材料棱镜批量生产的瓶颈问题,使CaF2晶体材料棱镜表面疵病达到较高水平,提高其面形、角值精度等级,抛光效率提高了2.5倍左右,大幅度缩短加工周期,零件合格率由原来的20%提高到80%以上。
以上已经描述了本发明的实施例,上述说明是示例性的,并非穷尽性的,并且也不限于所披露的实施例。在不偏离所说明实施例的范围和精神的情况下,对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (4)

1.一种CaF2晶体材料棱镜精密抛光方法,其特征在于,用于对三棱柱形的CaF2晶体材料棱镜的三个侧面进行加工,CaF2晶体材料棱镜的底面为直角三角形,其该底面上斜边所在的侧面为加工面一,两个直角边所在的侧面为加工面二,加工时,按照加工面一、一个加工面二、另一个加工面二的顺序进行,包括以下步骤:
(1)精磨;
(2)粗抛光,设备转速为60r/min~80r/min,
对抛光模面形要求:N≤2,
抛光粉为1μm金刚石抛光液,抛光粉浓度为2%~3%,抛光粉流量为0.8L/min~1.0L/min,加工时间为3h~4h;
(3)精抛光,采用的设备为环抛机,沥青模软化点为63.3度,所用沥青模的原料为60#沥青与65#沥青按1:2比例混合而成,
环境要求:温度为22℃~24℃,温度梯度<1℃/h,相对湿度为60%~80%,
设备转速为2r/min~3r/min,
对抛光模面形要求:φ100范围:N≤0.5、ΔN≤0.2,N表示面形,ΔN表示局部面形,
抛光粉为0.3μm或0.25μm金刚石抛光液,抛光粉浓度为0.2%~0.3%,抛光粉流量为0.8L/h~1.0L/h,加工时间为6h~7h;
(4)精抛光后涂保护胶、下盘、清洗;
(5)抛光完成后进行检验,对检验不合格的进行手修,手修具体为,采用的设备为高速修磨机,设备转速为200r/min~300r/min,金属模表面粘结天鹅绒布,手修模金属基底平面度为0.02mm,抛光液为0.3μm或0.25μm金刚石抛光液,抛光粉浓度为2%~3%,手修合格后进入下一道工序;
加工面二在加工前进行光胶。
2.根据权利要求1所述的一种CaF2晶体材料棱镜精密抛光方法,其特征在于,步骤(2)中,采用的设备为聚氨酯高速环抛机,
环境要求:温度为22℃~26℃,温度梯度<1℃/h。
3.根据权利要求1所述的一种CaF2晶体材料棱镜精密抛光方法,其特征在于,步骤(4)中,所涂的保护胶为防霉剂,保护胶具体为脱氢乙酸。
4.根据权利要求1所述的一种CaF2晶体材料棱镜精密抛光方法,其特征在于,光胶具体为,工作间洁净度为万级以上,采用设备为净化工作台,
角度工具要求:1)角度精度:θ=5″、Δψ=10″,其中θ为第一平行差,θ为第二平行差,Δψ为角度工具的角度误差;2)面形精度:N=0.5、ΔN=0.2;3)表面疵病:B=Ⅴ级,
工作间温度为18~20℃,工作间湿度为50%~70%。
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