CN110039406B - 一种单晶硅光学复杂表面的超精密加工工具及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单晶硅光学复杂表面的超精密加工工具及加工方法，属于超精密加工技术领域。本发明首先利用加工工具对试加工件进行试加工，试加工后分别对试加工件表面上的两条十字交叉圆弧凹槽面形精度进行检测，进而获得准确的R₂和R₁值；然后对用以描述单晶硅光学复杂表面元件的多项式或离散点云进行数据计算，获得机床坐标系下的三维矩形数据，然后再根据此三维矩形数据、R₂、R₁进行加工轨迹规划；最后按加工轨迹进行单晶硅光学复杂表面元件的加工。本发明解决了现有单晶硅光学复杂表面的超精密加工技术加工效率较低、精度不高的问题。本发明可用于玻璃、陶瓷、晶体等多种硬脆难加工材料表面的超精密加工。

Description

一种单晶硅光学复杂表面的超精密加工工具及加工方法

技术领域

本发明涉及一种硬脆材料光学复杂表面的超精密加工工具及加工方法，属于超精密加工技术领域。

背景技术

受红外成像技术应用需求的驱动，单晶硅光学复杂表面(包括离轴非球面、自由曲面及结构表面)的超精密加工需求在不断增加。目前，针对单晶硅光学复杂表面的传统制造加工工艺，需要经历铣磨、精磨、研磨、抛光等一系列的工艺过程。然而，由于加工工艺过程的工序多，需要反复安装加工工具或者工件，不仅增加了成形加工的辅助时间，而且带来了较大的安装误差，大大降低了加工效率和制造精度。而且，研抛的加工效率较低、工人技术依赖性强，而且研抛过程中反复交替的加工与检测工艺过程增加了工件的加工周期。此外，随着表面复杂性的不断增加，传统加工工艺已越来越难以适用。

针对以上问题，许多学者研究了基于超精密加工技术的单晶硅复杂表面光学元件成形加工方法来提高其加工效率和制造精度，减少后续抛光加工时间，如采用单点金刚石刀具的超精密车削加工技术和采用金刚石磨粒砂轮的超精密磨削加工技术以代替铣磨、精磨、研磨三步加工工序，甚至代替抛光工序。然而，超精密车削加工技术虽然可以显著提高加工精度，但由于在加工大尺寸或者硬度较高的毛坯材料时，单点金刚石车刀磨损较快，导致其加工范围受限、成本较高。超精密磨削技术能够适用于晶体、金属、玻璃、陶瓷等多种不同物理性能的硬脆材料，是目前单晶硅红外光学元件最常用的超精密加工方法，但加工时传统烧结金刚石砂轮极易磨损导致面形精度损失，金刚石砂轮需要不断迭代修整，这极大降低了加工效率，而且影响加工精度。此外，对于单晶硅光学复杂表面，由于其表面结构的特殊性，无法采用传统球面或非球面的描述方法，设计时多采用多项式或离散点云数据来描述光学表面结构。当利用CAM(Computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造)软件进行加工轨迹规划时，通常根据多项式或离散点云数据所近似拟合的表面来进行轨迹生成，因此在轨迹生成时会产生由于数据转换而带来的原始误差，极大降低了加工精度。因此，针对单晶硅光学复杂表面，需要一种新的超精密加工工艺方法以解决上述问题。

发明内容

本发明为解决现有单晶硅光学复杂表面的超精密加工技术加工效率较低、精度不高的问题，提供了一种单晶硅光学复杂表面的超精密加工工具及加工方法。

本发明所述一种单晶硅光学复杂表面的超精密加工工具，所述加工工具为碟片形，其半径为R₂；加工工具的侧面圆周为180°的圆角，圆角半径为R₁；所述加工工具圆心处设有通孔，所述通孔用于将该加工工具安装到加工机床旋转轴上，R₁小于单晶硅光学复杂表面元件的表面结构最小曲率半径r₁；R₂小于单晶硅光学复杂表面元件上与最小曲率半径r₁所在方向垂直的另一方向上的最小曲率半径r₂；所述加工工具的圆弧表面设有均匀分布的微刃阵列；所述微刃阵列的前角为45°倾角为45°；所述微刃阵列的相邻每排微刃间的间距为W，刃高为H；所述微刃阵列的间距W和刃高为H满足公式(1)和公式(2)的函数关系：

其中，d_c为单晶硅的脆塑转变临界深度，N为加工工具的转速，D为加工工具的直径，f为进给率，a_p

为加工深度。

本发明所述一种单晶硅光学复杂表面的超精密加工方法，通过以下技术方案实现：

步骤一、将加工工具安装在加工机床旋转轴上；将试加工件水平安装在工作台上；利用加工工具对试加工件进行试加工，分别采用径向进给方式及轴向进给方式在试加工件表面上加工出十字交叉的两条圆弧凹槽；所述轴向指的是加工机床旋转轴的方向，所述径向指的是与加工机床旋转轴的方向垂直且平行于水平面的方向；试加工后分别对试加工件表面上的两条十字交叉圆弧凹槽面形精度进行检测，进而获得准确的R₂和R₁值；

步骤二、将待加工的单晶硅光学复杂表面元件与试加工件水平安装在工作台上；使单晶硅光学复杂表面元件的表面结构最小曲率半径r处在径向的方向；

步骤三、对用以描述单晶硅光学复杂表面元件的多项式或离散点云进行数据计算，获得机床坐标系XYZ下的三维矩形数据[x，y，z]，然后再根据此三维矩形数据、R₂、R₁进行加工轨迹规划，获得加工轨迹的坐标数据；

步骤四、按加工轨迹进行单晶硅光学复杂表面元件的加工。

本发明最为突出的特点和显著的有益效果是：

本发明所涉及的一种单晶硅光学复杂表面的超精密加工工具及方法，利用所述加工工具以获得高耐磨性用以抑制由传统砂轮或金刚石刀具磨损所带来的误差损伤，以及多次工具修整所引起的加工效率低下问题；利用所述超精密加工工艺方法中的轨迹规划方案以消除现有复杂表面生成数据转换所引入的面形误差；利用所述超精密加工工艺方法的优化工艺参数以提高加工后单晶硅的表面光洁度，从而实现单晶硅光学复杂表面的超精密加工。具体来说具有以下优点：

1)本发明所述的一种单晶硅光学复杂表面的超精密加工工具，由于加工工具采用金刚石镀层工具，耐磨性非常好，加工中不需进行修整。由于镀膜厚度易于控制，因此其制造精度高。此外由于其表面的微刃阵列排列规整，具有很好的一致性，因此在加工过程中更易于精确控制被加工材料的未变形切削厚度，有利于获得更好的加工表面质量。而由于在加工轨迹规划时，其坐标数据点与单晶硅光学复杂表面元件3在机床坐标系下的三维矩形数据点重合，因此避免了以往由数据转换所引入的误差，并减少了计算时间。实验结果表明，加工工具1的耐磨性可为传统树脂基砂轮的30倍以上，圆跳可小于2微米。相同精度下，加工轨迹规划计算时间减少了40％。加工后的单晶硅表明粗糙度可达8nm，面形精度可提高10％。

2)本发明所述的一种单晶硅光学复杂表面的超精密加工方法，由于采用“十字圆弧凹槽”试加工方法进行加工工具1的在位检测，因此可以在位一次获得非常准确的加工工具的多项几何尺寸，有利于提高后续加工轨迹的计算精度，从而获得较高的加工面型精度。实验结果表明，加工工具的在位检测精度可小于0.5微米。

3)本本发明所述的一种单晶硅光学复杂表面的超精密加工方法，具有较强的通用性。可用于离轴非球面、自由曲面及结构表面等多种复杂表面的超精密加工，材料除单晶硅以外还可适用于玻璃、陶瓷、晶体等多种硬脆难加工材料。

附图说明

图1是本发明所述的一种单晶硅光学复杂表面的超精密加工方法示意图；

图2是本发明所述加工工具的侧视图；

图3是本发明所述加工工具的结构示意图；

图4是本发明所述的试加工件表面上加工出十字交叉的两条圆弧凹槽示意图；

图5是本发明所述的加工轨迹示意图；

图6是加工轨迹径向进给间隔对理论表面粗糙度的影响示意图；

其中，1.加工工具，2.加工机床旋转轴，3.单晶硅光学复杂表面元件，4.试加工件，5.微刃阵列，5-1.微刃。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2、图3对本实施方式进行说明，本实施方式给出的一种单晶硅光学复杂表面的超精密加工工具，所述加工工具1为碟片形，碟片半径为R₂；加工工具的侧面圆周为180°的圆角，圆角半径为R₁，如图2所示；所述加工工具圆心处设有通孔，所述通孔用于将该加工工具1安装到加工机床旋转轴2上，R₁小于单晶硅光学复杂表面元件3的表面结构最小曲率半径r₁；R₂小于单晶硅光学复杂表面元件3上与最小曲率半径r₁所在方向垂直的另一方向上的最小曲率半径r₂；如图3所示，所述加工工具1的圆弧表面设有均布的微刃阵列5；所述微刃阵列5的前角为45°(图3中右上角的箭头表示加工工具转动方向)，根据单晶硅的单刃切削实验获得最佳前角为45°，有利于单晶硅的塑性域材料去除，倾角为45°，有利于加工过程中的排屑；所述微刃阵列5的相邻每排微刃5-1间的间距为W，刃高为H；

由于单晶硅为脆性材料，因此在加工过程中要想获得纳米级的表面光洁度，必须将材料去除过程控制在塑性域，即加工过程中的最大未变形厚度h_max应小于单晶硅的脆塑转变临界深度d_c。根据脆性材料塑性加工理论可得单晶硅的脆塑转变临界深度d_c：

其中E为材料的弹性模量，H′为材料的维氏硬度，K_c为材料的断裂韧性。

根据图3的几何关系可得最大未变形厚度h_max：

其中f_z为每刃进给量加工工具1的总切削刃数，可通过下式求得：

其中z为加工工具1的总切削刃数，可通过下式求得：

根据公式(4)-(7)，可求得所述微刃阵列5的间距W需满足以下函数关系：

而为了保证加工工具1具有足够的容屑空间，需要保证微刃高H大于最大未变形厚度h_max，同时为了保证加工工具1具有足够的微刃强度，需要同时保证微刃背部角度大于90°，结合45°前角的几何关系，及需要保证微刃高H小于

间距W，得：

其中，d_c为单晶硅的脆塑转变临界深度，N为加工工具1的转速，D为加工工具1的直径，f为进给率，a_p

为加工深度。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述加工工具的的侧面圆周表面设有CVD或PVD金刚石薄膜镀层，镀层厚度为3-5μm；所述CVD表示化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition)，所述PVD表示物理气象沉积(Physical VaporDeposition)。

其他步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1、图4、图5对本实施方式进行说明，本实施方式给出的一种单晶硅光学复杂表面的超精密加工方法，具体包括以下步骤：

步骤一、将加工工具安装在加工机床旋转轴上，安装误差小于1μm；将试加工件水平安装在工作台上；利用加工工具对试加工件进行试加工，分别采用径向进给方式及轴向进给方式在试加工件表面上加工出十字交叉的两条圆弧凹槽；所述轴向指的是加工机床旋转轴的方向，所述径向指的是与加工机床旋转轴的方向垂直且平行于水平面的方向；试加工后分别对试加工件表面上的两条十字交叉圆弧凹槽面形精度进行检测，进而精确获得精确地R₂和R₁值；由于加工工具的在加工前需要修整，修整过后的尺寸会发生变化，包括侧面倒角半径和径向半径(类似砂轮)，因此，这里采用试加工的方式获得精确的R₂和R₁值。

步骤二、将待加工的单晶硅光学复杂表面元件与试加工件水平安装在工作台上；使单晶硅光学复杂表面元件的表面结构最小曲率半径r处在径向的方向；

步骤三、对用以描述单晶硅光学复杂表面元件的多项式或离散点云进行数据计算，获得机床坐标系XYZ下的三维矩形数据[x，y，z]，然后再根据此三维矩形数据、R₂、R₁进行加工轨迹规划，获得加工轨迹的坐标数据；其中，机床坐标系的X轴指向轴向方向，Y轴指向径向方向，Z轴指向竖直方向；

步骤四、按加工轨迹进行单晶硅光学复杂表面元件的加工。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是，步骤一中其中所述加工工具的半径R₂为轴向圆弧凹槽深度的10倍；所述R₁为径向圆弧凹槽深度的3倍。

其他步骤及参数与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是，步骤三中所述进行加工轨迹规划，获得加工轨迹的坐标数据的具体过程包括：

所述加工轨迹的坐标数据点与单晶硅光学复杂表面元件在机床坐标系下的三维矩形数据点重合，加工轨迹为格栅扫描式轨迹；所述三维矩形数据[x，y，z]中与加工工具轴向方向对应的数列间隔为0.005-0.02mm；所述三维矩形数据[x，y，z]中与加工工具径向方向对应的数列间隔为d。

其他步骤及参数与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是，所述数列间隔d由单晶硅光学复杂表面元件的表面粗糙度加工目标值确定：

由图6中几何关系可求加工后表面的理论表面粗糙度值，如下：

因此可得根据加工表面的目标粗糙度值来反求，实际加工中需要设定的加工轨迹的径向进给间隔：

其中，R_z为加工后的理论粗糙度目标值。

其他步骤及参数与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式三至六不同的是，步骤四中所述进行单晶硅光学复杂表面元件的加工为轴向进给加工。

其他步骤及参数与具体实施方式三至六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是，步骤四中所述单晶硅光学复杂表面元件的加工，具体加工参数为：

加工工具的转速为7200rpm，粗加工轴向进给率为9mm/min，精加工轴向进给率为1mm/min，粗加工深度为10μm，精加工深度为1μm，粗加工径向进给间隔为8mm，精加工径向进给间隔为2mm，加工后沿加工工具径向方向偏移1mm后进行光加工一次。

其他步骤及参数与具体实施方式七相同。

实施例

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

本实施例所述一种单晶硅光学复杂表面的超精密加工方法，其加工参数通过单晶硅加工工艺实验获得，实验安排如下：

表1单晶硅材料工艺优化实验安排

由工艺实验结果分析获得最优结果，即加工工具1的转速为7200rpm，粗加工轴向进给率为9mm/min，精加工轴向进给率为1mm/min，粗加工深度为10μm，精加工深度为1μm，粗加工径向进给间隔为8mm，精加工径向进给间隔为2mm，加工后沿加工工具1径向方向偏移1mm后进行光加工一次。

然后按照本发明方法进行加工，并对加工后的工件进行测量；测量结果表明，本发明方法加工后的单晶硅表明粗糙度平均达到8nm，加工工具的在位检测精度可小于0.5微米。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种单晶硅光学复杂表面的超精密加工工具，其特征在于，所述加工工具为碟片形，其半径为R₂；加工工具的侧面圆周为180°的圆角，圆角半径为R₁；所述加工工具圆心处设有通孔，所述通孔用于将该加工工具安装到加工机床旋转轴上，R₁小于单晶硅光学复杂表面元件的表面结构最小曲率半径r₁；R₂小于单晶硅光学复杂表面元件上与最小曲率半径r₁所在方向垂直的另一方向上的最小曲率半径r₂；所述加工工具的圆弧表面设有均匀分布的微刃阵列；所述微刃阵列的前角为45°，倾角为45°；所述微刃阵列的相邻每排微刃间的间距为W，刃高为H；所述微刃阵列的间距W和刃高为H满足公式(1)和公式(2)的函数关系：

其中，d_c为单晶硅的脆塑转变临界深度，N为加工工具的转速，D为加工工具的直径，f为进给率，a_p为加工深度。

2.根据权利要求1所述一种单晶硅光学复杂表面的超精密加工工具，其特征在于，所述加工工具的侧面圆周表面设有CVD或PVD金刚石薄膜镀层，镀层厚度为3-5μm；所述CVD表示化学气相沉积，所述PVD表示物理气象沉积。

3.一种采用权利要求1或2所述单晶硅光学复杂表面的超精密加工工具的加工方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一、将加工工具安装在加工机床旋转轴上；将试加工件水平安装在工作台上；利用加工工具对试加工件进行试加工，分别采用径向进给方式及轴向进给方式在试加工件表面上加工出十字交叉的两条圆弧凹槽；所述轴向指的是加工机床旋转轴的方向，所述径向指的是与加工机床旋转轴的方向垂直且平行于水平面的方向；试加工后分别对试加工件表面上的两条十字交叉圆弧凹槽面形精度进行检测，进而获得准确的R₂和R₁值；

步骤二、将待加工的单晶硅光学复杂表面元件与试加工件水平安装在工作台上；使单晶硅光学复杂表面元件的表面结构最小曲率半径r处在径向的方向；

步骤三、对用以描述单晶硅光学复杂表面元件的多项式或离散点云进行数据计算，获得机床坐标系XYZ下的三维矩形数据[x，y，z]，然后再根据此三维矩形数据、R₂、R₁进行加工轨迹规划，获得加工轨迹的坐标数据；

步骤四、按加工轨迹进行单晶硅光学复杂表面元件的加工。

4.根据权利要求3所述一种单晶硅光学复杂表面的超精密加工工具的加工方法，其特征在于，步骤一中其中所述R₂为轴向圆弧凹槽深度的10倍；所述R₁为径向圆弧凹槽深度的3倍。

5.根据权利要求4所述一种单晶硅光学复杂表面的超精密加工工具的加工方法，其特征在于，步骤三中所述进行加工轨迹规划，获得加工轨迹的坐标数据的具体过程包括：

所述加工轨迹的坐标数据点与单晶硅光学复杂表面元件在机床坐标系下的三维矩形数据点重合，加工轨迹为格栅扫描式轨迹；所述三维矩形数据[x，y，z]中与加工工具轴向方向对应的数列间隔为0.005-0.02mm；所述三维矩形数据[x，y，z]中与加工工具径向方向对应的数列间隔为d。

6.根据权利要求5所述一种单晶硅光学复杂表面的超精密加工工具的加工方法，其特征在于，所述数列间隔d由单晶硅光学复杂表面元件的表面粗糙度加工目标值确定，能够由公式(3)求得：

其中，R_z为加工后的理论粗糙度目标值。

7.根据权利要求3～6任意一项所述一种单晶硅光学复杂表面的超精密加工工具的加工方法，其特征在于，步骤四中所述进行单晶硅光学复杂表面元件的加工为轴向进给加工。

8.根据权利要求7所述一种单晶硅光学复杂表面的超精密加工工具的加工方法，其特征在于，步骤四中所述单晶硅光学复杂表面元件的加工，具体加工参数为：

加工工具的转速为7200rpm，粗加工轴向进给率为9mm/min，精加工轴向进给率为1mm/min，粗加工深度为10μm，精加工深度为1μm，粗加工径向进给间隔为8mm，精加工径向进给间隔为2mm，加工后沿加工工具径向方向偏移1mm后进行光加工一次。

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