米量級光學元件的超高精度加工方法
【專利摘要】一種米量級光學元件的超高精度加工方法，該方法利用環(huán)形拋光技術和磁流變拋光技術相結合，通過對不同加工工藝參數的優(yōu)化組合，實現(xiàn)了對米量級光學元件的超高精度加工，該方法加工出面形精度的PV值達到1/8波長，RMS值達到1/50波長的米量級光學元件。
【專利說明】米量級光學元件的超高精度加工方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于米量級光學元件加工，特別是一種米量級光學元件的超高精度加工方法。
技術背景
[0002]隨著現(xiàn)代科學技術的快速發(fā)展，對應用于各種光學系統(tǒng)中的米量級光學元件提出了越來越高的要求。通常情況下要求最終生產的米量級光學元件具有高的面形精度。高的面形精度可以保證好的成像質量，減少散射，可以避免米量級光學元件在高能應用中的破壞。因而米量級光學元件的性能在很大程度上取決于制造過程。已經研究出多種加工方法可以獲得高精度的加工表面，其中典型的加工方法有塑性研磨、化學拋光、浮法拋光、彈性發(fā)射加工、離子束拋光等等，以上這些加工方法都是針對小口徑米量級光學元件，而對于大尺寸米量級光學元件，這些加工方法或者拋光效率較低，或者拋光不易控制，各自存在一定的缺陷。對于米量級光學元件，當前現(xiàn)有的方法主要是使用環(huán)形拋光技術，而環(huán)形拋光技術在加工中會存在像散較大，加工精度不高的情況。
[0003]磁流變拋光，是利用磁流變拋光液在磁場中的流變性對工件進行局部修形和拋光的技術。磁流變液由載液(如水，硅油等)、離散的可極化的微米量級磁敏微粒、表面活性劑、拋光顆粒和具有其他功能的添加劑組成。磁流變液由拋光盤循環(huán)帶入工件與拋光盤之間形成的微小間距的拋光區(qū)中，在該區(qū)域里，磁流變液在高梯度磁場的作用下，發(fā)生流變效應而變硬、黏度增大，其中的磁性顆粒沿著磁場強度的方向排列成鏈，形成具有一定形狀的凸起緞帶，而其中的拋光粉顆粒不具有磁性，因此會被擠壓而浮向磁場強度弱的上方，這樣上面浮著一層拋光顆粒的凸起緞帶就構成了一個“柔性拋光?！?，當該柔性拋光模在運動盤的帶動下流經工件與運動盤形成的小間隙時，會對工件表面產生很大的剪切力，對工件表面材料實現(xiàn)去除。
[0004]國內外對磁流變拋光方法進行了大量的研究，國內主要是長春光學精密機械研究所、哈爾濱工業(yè)大學和國防科技大學等單位對磁流變拋光進行了研究，但只可使用在較小的光學元件上，并沒有針對大口徑平面米量級光學元件的加工方法。而如果使用加工小工件的方式加工米量級光學元件，因其加工時間過長，磁流變液性質將出現(xiàn)不穩(wěn)定，極容易導致大口徑米量級光學元件表面出現(xiàn)意想不到的缺陷，很難實現(xiàn)對米量級光學元件的超高精度加工。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明提供一種米量級光學元件的超高精度加工方法，將環(huán)形拋光技術與磁流變拋光技術相結合，該方法可以制造出面形精度的PV值達到1/8波長，RMS值達到1/50波長的米量級光學元件。
[0006]本發(fā)明的技術解決方案如下:
[0007]一種米量級光學元件的超高精度加工方法，其特征在于該方法包括下列步驟:[0008]I)環(huán)形拋光:
[0009]使用環(huán)形拋光機對米量級光學元件進行預加工，在加工過程中使用Φ300πιπι干涉儀測量所述的米量級光學元件的面形精度的PV值，直至該米量級光學元件的面形精度小于I個波長；
[0010]2)磁流變加工:
[0011]①設定磁流變機床的拋光參數:拋光輪的轉速為170-180r/min，磁場電流為
6.5~7A，磁流變液的粘度為190~195Pa *s，流量為110~120L/h，拋光輪底部與所述的米量級光學元件的上表面距離為I~1.1mm ;
[0012]②標定磁流變液去除效率:
[0013]a)用Φ IOOmm干涉儀測出Φ IOOmm的圓鏡的原始面形,存入工藝電腦中；
[0014]b)將所述的ΦΙΟΟπιπι的圓鏡放置在磁流變機床的轉臺的調整架上，調節(jié)所述的調整架，配合百分表使所述的Φ?οο_的圓鏡保持水平；
[0015]c)在Φ IOOmm的圓鏡上四個正交位置定點拋光T秒，利用干涉儀測出加工后的面形，存入工藝電腦中；
[0016]d)工藝電腦用加工后的面形減去原始面形，得到所述的四個正交定點拋光區(qū)域的去除深度，四個定點區(qū)域的去除深度分別記作L1、L2、L3、L4，求平均得磁流變液的平均去除深度L=(Ll+L2+L3+L4) /4，四個定點區(qū)域的去除體積記作V1、V2、V3、V4，并且根據加工時間T，求平均得磁流變液的平均去除效率n = (Vl+V2+V3+V4)/4T ；
[0017]③米量級光學元件定位:將所述的米量級光學元件固定在磁流變機床的轉臺中央，利用百分表確定所述的米量級光學元件的中心在轉臺上的X軸和y軸位置(X1、Y1)，通過對刀系統(tǒng)確定所述的米量級光學元件的上表面的位置(Ζ1)，利用墊在所述的米量級光學元件下的紙片配合百分表使所述的米量級光學元件保持水平，整個所述的米量級光學元件的上表面的高度差不超過I μ m ;
[0018]④數控加工代碼生成:首先使用干涉儀對所述的米量級光學元件進行面形測量，以確定所述的米量級光學元件表面的材料去除量V，然后設定加工步距為0.5~2_，將所述的米量級光學元件劃分成η個加工區(qū)域，根據表面的材料去除量V與磁流變液的去除深度L和去除效率Π，使用脈沖迭代法得出每個加工區(qū)域的駐留時間，生成數控加工代碼，存入工藝電腦中；
[0019]⑤將數控加工代碼從所述的工藝電腦拷貝至機床數控電腦中，待磁流變液的粘度與流量顯示穩(wěn)定后，對米量級光學元件進行加工；
[0020]⑥加工完成后使用干涉儀進行測量，當面形精度PV值達到1/8波長，RMS值達到1/50波長，則完成了超高精度加工；否則進入步驟⑦；
[0021]⑦重復步驟②~⑤，進行再次加工，直至達到超高精度加工所需指標。
[0022]本發(fā)明的技術效果:
[0023]經測量表明，本發(fā)明可以實現(xiàn)對米量級光學元件的加工精度，達到面形精度PV值達到1/8波長，RMS值達到1/50波長以上。
【具體實施方式】
[0024]下面結合實施例對本發(fā)明做詳細說明。[0025]實施例1
[0026]—種米量級光學元件的超高精度加工方法，其加工步驟如下:
[0027]I)環(huán)形拋光:
[0028]使用環(huán)形拋光機對米量級光學元件進行預加工，在加工過程中使用Φ300_干涉儀測出米量級光學元件的面形精度的PV值，直至米量級光學元件的面形精度小于I個波長;
[0029]2)磁流變加工:
[0030]①設定磁流變機床的拋光參數:拋光輪的轉速為180r/min，磁場電流為7A，磁流變液的粘度為193.0Pa.S，流量為120L/h，拋光輪底部與米量級光學元件的上表面距離為
1.05mm ；
[0031]②標定磁流變液去除效率:
[0032]a)用ΦΙΟΟπιπι干涉儀測出Φ IOOmm的圓鏡的原始面形,存入工藝電腦中；
[0033]b)將所述的ΦΙΟΟπιπι的圓鏡放置在磁流變機床的轉臺的調整架上，調節(jié)所述的調整架，配合百分表使Φ?οο_的圓鏡保持水平；
[0034]c)在Φ IOOmm的圓鏡上四個正交位置定點拋光T秒，利用干涉儀測出加工后的面形，存入工藝電腦中；
[0035]d)工藝電腦用加工`后的面形減去原始面形，得到所述的四個正交定點拋光區(qū)域的面形，四個定點區(qū)域的深度分別記作L1、L2、L3、L4，求平均得磁流變液的平均去除深度L(L=(Ll+L2+L3+L4)/4)，四個定點區(qū)域的體積記作V1、V2、V3、V4，并且根據加工時間T，求平均得磁流變液的平均去除效率η (n = (Vl+V2+V3+V4)/4T) 米量級光學元件定位:將米量級光學元件固定在磁流變機床的轉臺中央，利用百分表確定米量級光學元件的中心在轉臺上的X軸和y軸位置(X1、Y1)，通過對刀系統(tǒng)確定米量級光學元件的上表面的位置(Z1)，利用墊在工件下的紙片配合百分表使工件保持水平，整個工件的上表面的高度差不超過I μ m ；
[0036]④數控加工代碼生成:首先使用干涉儀對所需加工的米量級光學元件進行面形測量，以確定米量級光學元件表面的材料去除量V，然后設定加工步距為1mm，將米量級光學元件劃分成n個加工區(qū)域，根據表面的材料去除量V與磁流變液的去除深度L和去除效率H，使用脈沖迭代法得出每個加工區(qū)域的駐留時間，生成數控加工代碼，存入工藝電腦中；
[0037]⑤將數控加工代碼從所述的工藝電腦拷貝至機床數控電腦中，待磁流變液的粘度與流量顯示穩(wěn)定后，對米量級光學元件進行加工；
[0038]⑥加工完成后使用干涉儀進行測量，當面形精度PV值達到1/8波長，RMS值達到1/50波長，則完成了超高精度加工；否則進入步驟⑦；
[0039]⑦重復步驟②~⑤，進行第二次加工，直至達到超高精度加工所需指標。
[0040]經測試，實施例1加工的米量級光學元件的面形精度的PV值為0.127個波長，RMS值為0.022個波長。
[0041]實施例2至實施例13的加工參數如表1所示。
[0042]實施例2~13主要考察米量級光學元件在加工過程中，拋光輪的轉速、磁場電流、磁流變液粘度、磁流變液流量、拋光輪底部與米量級光學元件的上表面距離和加工步距對米量級光學元件的面形精度的PV值和RMS值的影響。具體實施過程同實施例1，區(qū)別在于分別改變拋光輪的轉速、磁場電流、磁流變液粘度、磁流變液流量、拋光輪底部與米量級光學元件的上表面距離和加工步距。由實驗結果得出，最優(yōu)加工參數為:拋光輪轉速為180r/min，磁場電流為7A，磁流變液粘度為193Pa *s，磁流變液流量為120L/h，拋光輪底部與米量級光學元件的上表面的距離為1.05mm，加工步距為1mm。對米量級光學元件的加工精度，達到面形精度PV值達到1/8波長，RMS值達到1/50波長以上。
[0043]表1為本發(fā)明實施例的加工條件:
[0044]
【權利要求】
1.一種米量級光學元件的超高精度加工方法，其特征在于該方法包括下列步驟: 1)環(huán)形拋光: 使用環(huán)形拋光機對米量級光學元件進行預加工，在加工過程中使用Φ300_干涉儀測量所述的米量級光學元件的面形精度的PV值，直至該米量級光學元件的面形精度小于I個波長; 2)磁流變加工: ①設定磁流變機床的拋光參數:拋光輪的轉速為170-180r/min，磁場電流為6.5?7A，磁流變液的粘度為190?195Pa.s，流量為110?120L/h，拋光輪底部與所述的米量級光學元件的上表面距離為I?1.1mm ; ②標定磁流變液去除效率: a)用ΦΙΟΟι?πι干涉儀測出ΦIOOmm的圓鏡的原始面形,存入工藝電腦中； b)將所述的ΦΙΟΟπιπι的圓鏡放置在磁流變機床的轉臺的調整架上，調節(jié)所述的調整架，配合百分表使所述的Φ100_的圓鏡保持水平； c)在ΦΙΟΟπιπι的圓鏡上四個正交位置定點拋光T秒，利用干涉儀測出加工后的面形，存入工藝電腦中； d)工藝電腦用加工后的面形減去原始面形，得到所述的四個正交定點拋光區(qū)域的去除深度，四個定點區(qū)域的去除深度分別記作L1、L2、L3、L4，求平均得磁流變液的平均去除深度L=(Ll+L2+L3+L4)/4,四個定點區(qū)域的去除體積記作V1、V2、V3、V4，并且根據加工時間T，求平均得磁流變液的平均去除效率n = (Vl+V2+V3+V4)/4T ； ③米量級光學元件定位:將所述的米量級光學元件固定在磁流變機床的轉臺中央，利用百分表確定所述的米量級光學元件的中心在轉臺上的X軸和y軸位置(X1、Y1 )，通過對刀系統(tǒng)確定所述的米量級光學元件的上表面的位置(Z1)，利用墊在所述的米量級光學元件下的紙片配合百分表使所述的米量級光學元件保持水平，整個所述的米量級光學元件的上表面的高度差不超過Iym; ④數控加工代碼生成:首先使用干涉儀對所述的米量級光學元件進行面形測量，以確定所述的米量級光學元件表面的材料去除量V，然后設定加工步距為0.5?2_，將所述的米量級光學元件劃分成η個加工區(qū)域，根據表面的材料去除量V與磁流變液的去除深度L和去除效率Π，使用脈沖迭代法得出每個加工區(qū)域的駐留時間，生成數控加工代碼，存入工藝電腦中； ⑤將數控加工代碼從所述的工藝電腦拷貝至機床數控電腦中，待磁流變液的粘度與流量顯示穩(wěn)定后，對米量級光學元件進行加工； ⑥加工完成后使用干涉儀進行測量，當面形精度PV值達到1/8波長，RMS值達到1/50波長，則完成了超高精度加工；否則進入步驟⑦； ⑦重復步驟②?⑤，進行再次加工，直至達到超高精度加工所需指標。
【文檔編號】B24B1/00GK103692294SQ201310554717
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年11月11日 優(yōu)先權日:2013年11月11日
【發(fā)明者】魏朝陽, 顧昊金, 程鑫, 易葵, 邵建達 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所