自由曲面微結構光學零件的大氣等離子體加工方法
2023-10-23 03:52:02 2
專利名稱：自由曲面微結構光學零件的大氣等離子體加工方法
技術領域：
本發明屬於等離子體加工大口徑非球面光學零件的技術領域。
背景技術：
自由曲面微結構光學零件越來越多地被應用於光學系統中以改善像質、提高光學性能，比如神光工程的終端光學組件中的連續位相板等。目前，對於這種小空間周期的光學零件表面，主要採用的方法是小工具磨削和磁流變拋光等。但是，小工具磨削方法存在效率低、易產生表層和亞表層損傷的問題，並且小工具的磨損也會使加工精度變差；磁流變拋光方法雖然以剪切力為主、壓力為輔，幾乎不產生亞表面損傷層，但是該方法對拋光距離(拋光模與鏡面法向間隙)仍然比較敏感，而且磁流變液也可能對光學零件表面造成輕微的汙染。而大氣等離子體加工是在常溫常壓下採用射頻電源使得反應氣體在等離子體氛圍中被激發產生活性粒子，與光學零件表面原子發生化學反應生成揮發性產物，從而實現對光學零件的加工。該方法是 基於原子間的化學反應，可以避免接觸應力造成的表層及亞表層損傷，加工效率較高。另外，根據採樣定理，當加工方法的解析度小於微結構光學零件表面空間周期的1/2時，才有可能實現對表面的精確修形。因此，對於小空間周期的微結構光學零件來說，要求加工方法的去除函數解析度極小。
發明內容
本發明的目的是提供一種自由曲面微結構光學零件的大氣等離子體加工方法，為了解決高精度大口徑非球面光學零件的加工效率和表面質量問題。所述的目的是通過以下方案實現的:所述的一種自由曲面微結構光學零件的大氣等離子體加工方法，它的步驟方法是:
步驟一:在五軸聯動工具機的絕緣工作架上安裝有微孔徑的等離子體炬，微孔徑的等離子體炬為細長圓柱體，其材質為鋁，其下端中心部開有通氣孔，通氣孔的出氣埠直徑為
0.2_-1_，通氣孔的進氣口可通過絕緣工作架上的導氣孔、氣管與混合等離子體氣源導氣連通；微孔徑的等離子體炬可與射頻電源的輸出端連接作為大氣等離子體放電的陽極；步驟二:將待加工光學零件裝卡在地電極上，地電極固定在五軸聯動工具機的水平運動工作檯上；將地電極接地作為大氣等離子體放電的陰極；
步驟三:使微孔徑的等離子體炬的放電工作面靠近待加工光學零件的待加工表面，並使它們之間保持一定的放電間隙，放電距離範圍為；
步驟四:預熱射頻電源和混合等離子體氣源中的氣體質量流量控制器，預熱時間為5-10分鐘；然後打開混合等離子體氣源,使離子體氣體的流量為0.5 L/min -3 L/min,反應氣體的氣體流量為10 ml/min- 60 ml/min，輔助氣體與反應氣體流量的比例為0%_50% ;
步驟五:當微孔徑的等離子體炬的放電工作面和待加工光學零件的待加工表面之間的放電間隙內充滿等離子體氣體、反應氣體與輔助氣體的混合氣體後，啟動射頻電源,逐步增加射頻電源的功率，使功率達到200W-360W，同時控制射頻電源的反射功率為零，在射頻電源工作的過程中持續穩定的通入混合氣體，使微孔徑的等離子體炬的放電工作面和待加工光學零件的待加工表面之間的放電間隙產生穩定的等離子體放電；
步驟六:根據待加工光學零件的待加工表面相應位置的期望去除量，使微孔徑的等離子體炬進行多自由度運動，並且控制其在待加工光學零件的待加工表面上不同位置的駐留時間；
步驟七:待加工完成後，關閉射頻電源的電源，關閉混合等離子體氣源，取出待加工光學零件，對加工去除深度進行測量，以判斷是否達到加工要求。本發明採用微孔直徑為0.2mm-1mm的微孔電極炬，其放電產生半高寬為
0.5mm-2mm的高斯型去除函數,可加工空間周期≥Imm的無表面及亞表面損傷的微結構光學零件，從而達到對大口徑複雜曲面光學零件進行高效精確修形的目的。本發明還具有的優點為:
1.本發明中採用孔徑為00.的微孔電極炬進行大氣等離子體加工，去除函數半高寬可達到0.可以實現周期≥Imm自由曲面微結構光學零件的無表面和亞表面損傷的加工；
2.微孔電極炬結構緊湊小巧，運動靈活，便於在加工過程中實現計算機數字控制，可控性好；
3.微孔電極炬耗氣量小,節約加工成本；
4.採用微孔電極炬的大氣等離子體加工過程中，發熱量小，溫度變化較小，可以獲得比較穩定的去除函數。
圖1是本發明的整體結構示意 圖2是圖1中微孔徑的等離子體炬I與待加工光學零件5間的位置關係結構示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一:結合圖1所示，它的步驟方法是:
步驟一:在五軸聯動工具機3的絕緣工作架3-1上安裝有微孔徑的等離子體炬1，微孔徑的等離子體炬I為細長圓柱體，其材質為鋁，其下端中心部開有通氣孔1-2，通氣孔1-2的出氣埠直徑為0.2_-1_，通氣孔1-2的進氣口可通過絕緣工作架3-1上的導氣孔3-4、氣管4-1與混合等離子體氣源4導氣連通；微孔徑的等離子體炬I可與射頻電源2的輸出端連接作為大氣等離子體放電的陽極；
步驟二:將待加工光學零件5裝卡在地電極3-2上，地電極3-2固定在五軸聯動工具機3的水平運動工作檯3-3上；將地電極3-2接地作為大氣等離子體放電的陰極；
步驟三:使微孔徑的等離子體炬I的放電工作面靠近待加工光學零件5的待加工表面，並使它們之間保持一定的放電間隙，放電距離範圍為；
步驟四:預熱射頻電源2和混合等離子體氣源4中的氣體質量流量控制器，預熱時間為5-10分鐘；然後打開混合等離子體氣源4,使離子體氣體的流量為0.5 L/min -3 L/min,反應氣體的氣體流量為10 ml/min- 60 ml/min，輔助氣體與反應氣體流量的比例為0%_50% ;步驟五:當微孔徑的等離子體炬I的放電工作面和待加工光學零件5的待加工表面之間的放電間隙內充滿等離子體氣體、反應氣體與輔助氣體的混合氣體後，啟動射頻電源2，逐步增加射頻電源2的功率，使功率達到200W-360W，同時控制射頻電源2的反射功率為零，在射頻電源2工作的過程中持續穩定的通入混合氣體，使微孔徑的等離子體炬I的放電工作面和待加工光學零件5的待加工表面之間的放電間隙產生穩定的等離子體放電；
步驟六:根據待加工光學零件5的待加工表面相應位置的期望去除量，使微孔徑的等離子體炬I進行多自由度運動，並且控制其在待加工光學零件5的待加工表面上不同位置的駐留時間；
步驟七:待加工完成後，關閉射頻電源2的電源，關閉混合等離子體氣源4，取出待加工光學零件5，對加工去除深度進行測量，以判斷是否達到加工要求。所述射頻電源2頻率為13.56MHz，最大功率為2KW。所述混合等離子體氣源4三路氣體流量控制系統，可控氣體流量範圍為0-40L/
mirio所述混合等離子體氣源4的大氣等離子體激發氣體可以為氦氣、氬氣等惰性氣體；反應氣體可以為六氟化硫、四氟化碳、三氟化氮等；輔助氣體可以為氧氣。所述待加工光學零件5材質為矽基光學材料，如熔融石英、碳化矽、超低膨脹玻璃
坐寸ο工作原理:由射頻電源2出端連接微孔徑的等離子體炬I作為大氣等離子體放電的陽極，地電極3-2接地作為大氣等離子體放電的陰極；由混合等離子體氣源4供激發產生等離子體的氣體充滿微孔徑的等離 子體炬I和待加工光學零件5加工表面之間的間隙，由射頻電源2供輸出電能，在微孔徑的等離子體炬I和待加工光學零件5放電間隙產生等離子體，同時反應氣體被激發，產生具有反應活性的原子與待加工光學零件5表面發生化學反應，並生成揮發性的反應產物離開零件表面，由此實現對待加工光學零件5無損傷快速加工。採用微孔徑的等離子體炬I (單位去除函數是半高寬為0.5mm的高斯型)進行較小空間周期面形的修形，從而達到對大口徑複雜曲面光學零件5行高效精確修形的目的。
權利要求
1.自由曲面微結構光學零件的大氣等離子體加工方法，其特徵在於它的步驟方法是: 步驟一:在五軸聯動工具機(3)的絕緣工作架(3-1)上安裝有微孔徑的等離子體炬(1)，微孔徑的等離子體炬(I)為細長圓柱體，其材質為鋁，其下端中心部開有通氣孔(1-2)，通氣孔(1-2)的出氣埠直徑為0.通氣孔(1-2)的進氣口可通過絕緣工作架(3_1)上的導氣孔(3-4)、氣管(4-1)與混合等離子體氣源(4)導氣連通；微孔徑的等離子體炬(I)可與射頻電源(2)的輸出端連接作為大氣等離子體放電的陽極； 步驟二:將待加工光學零件(5)裝卡在地電極(3-2)上，地電極(3-2)固定在五軸聯動工具機(3)的水平運動工作檯(3-3)上；將地電極(3-2)接地作為大氣等離子體放電的陰極；步驟三:使微孔徑的等離子體炬(I)的放電工作面靠近待加工光學零件(5)的待加工表面，並使它們之間保持一定的放電間隙，放電距離範圍為； 步驟四:預熱射頻電源(2)和混合等離子體氣源(4)中的氣體質量流量控制器，預熱時間為5-10分鐘；然後打開混合等離子體氣源(4)，使離子體氣體的流量為0.5 L/min -3L/min,反應氣體的氣體流量為10 ml/min- 60 ml/min,輔助氣體與反應氣體流量的比例為0%-50% ； 步驟五:當微孔徑的等離子體炬(I)的放電工作面和待加工光學零件(5)的待加工表面之間的放電間隙內充滿等離子體氣體、反應氣體與輔助氣體的混合氣體後,啟動射頻電源(2)，逐步增加射頻電源(2)的功率，使功率達到200W-360W，同時控制射頻電源(2)的反射功率為零，在射頻電源(2)工作的過程中持續穩定的通入混合氣體，使微孔徑的等離子體炬(I)的放電工作面和待加工光學零件(5 )的待加工表面之間的放電間隙產生穩定的等離子體放電； 步驟六:根據待加工光學零件(5)的待加工表面相應位置的期望去除量，使微孔徑的等離子體炬(I)進行多自由度運動，並且控制其在待加工光學零件(5)的待加工表面上不同位置的駐留時間； 步驟七:待加工完成後，關閉射頻電源(2)的電源，關閉混合等離子體氣源(4)，取出待加工光學零件(5)，對加工去除深度進行測量，以判斷是否達到加工要求。
2.根據權利要求1所述的自由曲面微結構光學零件的大氣等離子體加工方法，其特徵在於所述混合等離子體氣源(7)中的大氣等離子體激發氣體可以為氦氣、氬氣等惰性氣體；反應氣體可以為六氟化硫、 四氟化碳、三氟化氮等；輔助氣體可以為氧氣。
全文摘要
自由曲面微結構光學零件的大氣等離子體加工方法，它屬於等離子體加工大口徑非球面光學零件的技術領域。它是為了解決高精度大口徑非球面光學零件的加工效率和表面質量問題。它的步驟一在五軸聯動工具機的絕緣工作架上安裝有微孔徑的等離子體炬；步驟二將待加工光學零件裝卡在地電極上；步驟三使微孔徑的等離子體炬的放電工作面靠近待加工表面；步驟四預熱射頻電源和混合等離子體氣源；步驟五啟動射頻電源；步驟六使微孔徑的等離子體炬進行多自由度運動；步驟七取出待加工光學零件。本發明採用微孔直徑為0.2mm-1mm的微孔電極炬，其放電產生半高寬為0.5mm-2mm的高斯型去除函數，可加工空間周期≥1mm的無表面及亞表面損傷的微結構光學零件。
文檔編號H01J37/32GK103227092SQ201310177059
公開日2013年7月31日 申請日期2013年5月14日 優先權日2013年5月14日
發明者王波, 李娜, 姚英學, 李國 , 金會良, 辛強, 金江, 李鐸 申請人:哈爾濱工業大學