CN103692294B - 米量级光学元件的超高精度加工方法 - Google Patents

Abstract

一种米量级光学元件的超高精度加工方法，该方法利用环形抛光技术和磁流变抛光技术相结合，通过对不同加工工艺参数的优化组合，实现了对米量级光学元件的超高精度加工，该方法加工出面形精度的PV值达到1/8波长，RMS值达到1/50波长的米量级光学元件。

Description

米量级光学元件的超高精度加工方法

技术领域

本发明属于米量级光学元件加工，特别是一种米量级光学元件的超高精度加工方法。

技术背景

随着现代科学技术的快速发展，对应用于各种光学***中的米量级光学元件提出了越来越高的要求。通常情况下要求最终生产的米量级光学元件具有高的面形精度。高的面形精度可以保证好的成像质量，减少散射，可以避免米量级光学元件在高能应用中的破坏。因而米量级光学元件的性能在很大程度上取决于制造过程。已经研究出多种加工方法可以获得高精度的加工表面，其中典型的加工方法有塑性研磨、化学抛光、浮法抛光、弹性发射加工、离子束抛光等等，以上这些加工方法都是针对小口径米量级光学元件，而对于大尺寸米量级光学元件，这些加工方法或者抛光效率较低，或者抛光不易控制，各自存在一定的缺陷。对于米量级光学元件，当前现有的方法主要是使用环形抛光技术，而环形抛光技术在加工中会存在像散较大，加工精度不高的情况。

磁流变抛光，是利用磁流变抛光液在磁场中的流变性对工件进行局部修形和抛光的技术。磁流变液由载液（如水，硅油等）、离散的可极化的微米量级磁敏微粒、表面活性剂、抛光颗粒和具有其他功能的添加剂组成。磁流变液由抛光盘循环带入工件与抛光盘之间形成的微小间距的抛光区中，在该区域里，磁流变液在高梯度磁场的作用下，发生流变效应而***、黏度增大，其中的磁性颗粒沿着磁场强度的方向排列成链，形成具有一定形状的凸起缎带，而其中的抛光粉颗粒不具有磁性，因此会被挤压而浮向磁场强度弱的上方，这样上面浮着一层抛光颗粒的凸起缎带就构成了一个“柔性抛光模”，当该柔性抛光模在运动盘的带动下流经工件与运动盘形成的小间隙时，会对工件表面产生很大的剪切力，对工件表面材料实现去除。

国内外对磁流变抛光方法进行了大量的研究，国内主要是长春光学精密机械研究所、哈尔滨工业大学和国防科技大学等单位对磁流变抛光进行了研究，但只可使用在较小的光学元件上，并没有针对大口径平面米量级光学元件的加工方法。而如果使用加工小工件的方式加工米量级光学元件，因其加工时间过长，磁流变液性质将出现不稳定，极容易导致大口径米量级光学元件表面出现意想不到的缺陷，很难实现对米量级光学元件的超高精度加工。

发明内容

本发明提供一种米量级光学元件的超高精度加工方法，将环形抛光技术与磁流变抛光技术相结合，该方法可以制造出面形精度的PV值达到1/8波长，RMS值达到1/50波长的米量级光学元件。

本发明的技术解决方案如下：

一种米量级光学元件的超高精度加工方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

1）环形抛光：

使用环形抛光机对米量级光学元件进行预加工，在加工过程中使用Φ300mm干涉仪测量所述的米量级光学元件的面形精度的PV值，直至该米量级光学元件的面形精度小于1个波长；

2）磁流变加工：

①设定磁流变机床的抛光参数：抛光轮的转速为170-180r/min，磁场电流为6.5～7A，磁流变液的粘度为190～195Pa·s，流量为110～120L/h，抛光轮底部与所述的米量级光学元件的上表面距离为1～1.1mm；

②标定磁流变液去除效率：

a）用Φ100mm干涉仪测出Φ100mm的圆镜的原始面形，存入工艺电脑中；

b)将所述的Φ100mm的圆镜放置在磁流变机床的转台的调整架上，调节所述的调整架，配合百分表使所述的Φ100mm的圆镜保持水平；

c)在Φ100mm的圆镜上四个正交位置定点抛光T秒，利用干涉仪测出加工后的面形，存入工艺电脑中；

d)工艺电脑用加工后的面形减去原始面形，得到所述的四个正交定点抛光区域的去除深度，四个定点区域的去除深度分别记作L1、L2、L3、L4，求平均得磁流变液的平均去除深度L=(L1+L2+L3+L4)/4，四个定点区域的去除体积记作V1、V2、V3、V4，并且根据加工时间T，求平均得磁流变液的平均去除效率η=(V1+V2+V3+V4)/4T；

③米量级光学元件定位：将所述的米量级光学元件固定在磁流变机床的转台中央，利用百分表确定所述的米量级光学元件的中心在转台上的x轴和y轴位置（X1、Y1），通过对刀***确定所述的米量级光学元件的上表面的位置（Z1），利用垫在所述的米量级光学元件下的纸片配合百分表使所述的米量级光学元件保持水平，整个所述的米量级光学元件的上表面的高度差不超过1μm；

④数控加工代码生成：首先使用干涉仪对所述的米量级光学元件进行面形测量，以确定所述的米量级光学元件表面的材料去除量V，然后设定加工步距为0.5～2mm，将所述的米量级光学元件划分成n个加工区域，根据表面的材料去除量V与磁流变液的去除深度L和去除效率η，使用脉冲迭代法得出每个加工区域的驻留时间，生成数控加工代码，存入工艺电脑中；

⑤将数控加工代码从所述的工艺电脑拷贝至机床数控电脑中，待磁流变液的粘度与流量显示稳定后，对米量级光学元件进行加工；

⑥加工完成后使用干涉仪进行测量，当面形精度PV值达到1/8波长，RMS值达到1/50波长，则完成了超高精度加工；否则进入步骤⑦；

⑦重复步骤②～⑤，进行再次加工，直至达到超高精度加工所需指标。

本发明的技术效果：

经测量表明，本发明可以实现对米量级光学元件的加工精度，达到面形精度PV值达到1/8波长，RMS值达到1/50波长以上。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做详细说明。

实施例1

一种米量级光学元件的超高精度加工方法，其加工步骤如下：

1）环形抛光：

使用环形抛光机对米量级光学元件进行预加工，在加工过程中使用Φ300mm干涉仪测出米量级光学元件的面形精度的PV值，直至米量级光学元件的面形精度小于1个波长；

2）磁流变加工：

①设定磁流变机床的抛光参数：抛光轮的转速为180r/min，磁场电流为7A，磁流变液的粘度为193.0Pa·s，流量为120L/h，抛光轮底部与米量级光学元件的上表面距离为1.05mm；

②标定磁流变液去除效率：

a)用Φ100mm干涉仪测出Φ100mm的圆镜的原始面形，存入工艺电脑中；

b)将所述的Φ100mm的圆镜放置在磁流变机床的转台的调整架上，调节所述的调整架，配合百分表使Φ100mm的圆镜保持水平；

c)在Φ100mm的圆镜上四个正交位置定点抛光T秒，利用干涉仪测出加工后的面形，存入工艺电脑中；

d)工艺电脑用加工后的面形减去原始面形，得到所述的四个正交定点抛光区域的面形，四个定点区域的深度分别记作L1、L2、L3、L4，求平均得磁流变液的平均去除深度L(L=(L1+L2+L3+L4)/4)，四个定点区域的体积记作V1、V2、V3、V4，并且根据加工时间T，求平均得磁流变液的平均去除效率η(η=(V1+V2+V3+V4)/4T)；

③米量级光学元件定位：将米量级光学元件固定在磁流变机床的转台中央，利用百分表确定米量级光学元件的中心在转台上的x轴和y轴位置（X1、Y1），通过对刀***确定米量级光学元件的上表面的位置（Z1），利用垫在工件下的纸片配合百分表使工件保持水平，整个工件的上表面的高度差不超过1μm；

④数控加工代码生成：首先使用干涉仪对所需加工的米量级光学元件进行面形测量，以确定米量级光学元件表面的材料去除量V，然后设定加工步距为1mm，将米量级光学元件划分成n个加工区域，根据表面的材料去除量V与磁流变液的去除深度L和去除效率η，使用脉冲迭代法得出每个加工区域的驻留时间，生成数控加工代码，存入工艺电脑中；

⑤将数控加工代码从所述的工艺电脑拷贝至机床数控电脑中，待磁流变液的粘度与流量显示稳定后，对米量级光学元件进行加工；

⑥加工完成后使用干涉仪进行测量，当面形精度PV值达到1/8波长，RMS值达到1/50波长，则完成了超高精度加工；否则进入步骤⑦；

⑦重复步骤②～⑤，进行第二次加工，直至达到超高精度加工所需指标。经测试，实施例1加工的米量级光学元件的面形精度的PV值为0.127个波长，RMS值为0.022个波长。

实施例2至实施例13的加工参数如表1所示。

实施例2～13主要考察米量级光学元件在加工过程中，抛光轮的转速、磁场电流、磁流变液粘度、磁流变液流量、抛光轮底部与米量级光学元件的上表面距离和加工步距对米量级光学元件的面形精度的PV值和RMS值的影响。具体实施过程同实施例1，区别在于分别改变抛光轮的转速、磁场电流、磁流变液粘度、磁流变液流量、抛光轮底部与米量级光学元件的上表面距离和加工步距。由实验结果得出，最优加工参数为：抛光轮转速为180r/min，磁场电流为7A，磁流变液粘度为193Pa·s，磁流变液流量为120L/h，抛光轮底部与米量级光学元件的上表面的距离为1.05mm，加工步距为1mm。对米量级光学元件的加工精度，达到面形精度PV值达到1/8波长，RMS值达到1/50波长以上。

表1为本发明实施例的加工条件：

Claims (1)

1.一种米量级光学元件的超高精度加工方法，该方法包括步骤：

1)环形抛光：

使用环形抛光机对米量级光学元件进行预加工，在加工过程中使用Φ300mm干涉仪测量所述的米量级光学元件的面形精度的PV值，直至该米量级光学元件的面形精度的PV值小于1个波长；

其特征在于，还包括步骤：

2)磁流变加工：

①设定磁流变机床的抛光参数：抛光轮的转速为170-180r/min，磁场电流为6.5～7A，磁流变液的粘度为190～195Pa·s，流量为110～120L/h，抛光轮底部与所述的米量级光学元件的上表面距离为1～1.1mm；

②标定磁流变液去除效率：

a)用Φ100mm干涉仪测出Φ100mm的圆镜的原始面形，存入工艺电脑中；

b)将所述的Φ100mm的圆镜放置在磁流变机床的转台的调整架上，调节所述的调整架，配合百分表使所述的Φ100mm的圆镜保持水平；

c)在Φ100mm的圆镜上四个正交位置定点抛光T秒，利用干涉仪测出加工后的面形，存入工艺电脑中；

d)工艺电脑用加工后的面形减去原始面形，得到所述的四个正交定点抛光区域的去除深度，四个定点区域的去除深度分别记作L1、L2、L3、L4，求平均得磁流变液的平均去除深度L＝(L1+L2+L3+L4)/4，四个定点区域的去除体积记作V1、V2、V3、V4，并且根据加工时间T，求平均得磁流变液的平均去除效率η＝(V1+V2+V3+V4)/4T；

③米量级光学元件定位：将所述的米量级光学元件固定在磁流变机床的转台中央，利用百分表确定所述的米量级光学元件的中心在转台上的x轴和y轴位置(X1、Y1)，通过对刀***确定所述的米量级光学元件的上表面的位置(Z1)，利用垫在所述的米量级光学元件下的纸片配合百分表使所述的米量级光学元件保持水平，整个所述的米量级光学元件的上表面的高度差不超过1μm；

④数控加工代码生成：首先使用干涉仪对所述的米量级光学元件进行面形测量，以确定所述的米量级光学元件表面的材料去除量V，然后设定加工步距为0.5～2mm，将所述的米量级光学元件划分成n个加工区域，根据表面的材料去除量V与磁流变液的去除深度L和去除效率η，使用脉冲迭代法得出每个加工区域的驻留时间，生成数控加工代码，存入工艺电脑中；

⑤将数控加工代码从所述的工艺电脑拷贝至机床数控电脑中，待磁流变液的粘度与流量显示稳定后，对米量级光学元件进行加工；

⑥加工完成后使用干涉仪进行测量，当面形精度PV值达到1/8波长，RMS值达到1/50波长，则完成了超高精度加工；否则进入步骤⑦；

⑦重复步骤②～⑤，进行再次加工，直至达到超高精度加工所需指标。