一种平面光学元件磨削加工方法技术

一种平面光学元件磨削加工方法，步骤一、采用由旋转工作台和杯形砂轮组成的进给磨削模式完成工件的粗磨、半精磨和精磨加工；步骤二、亚表面损伤检测：采用定向磨料液体射流在精磨后的平面光学元件表面制作观测斜面；用氢氟酸溶液蚀刻所述观测斜面；得出水平面与该观测斜面之间的夹角值；确定最终裂纹消失时微动平台移动的总距离；结合最终裂纹消失时微动平台移动的总距离和水平面与该观测斜面之间的夹角值计算亚表面裂纹深度值；步骤三、采用与精磨时相同的磨削工艺参数对已检测完毕的平面光学元件表面进行加工，以去除观测斜面。本发明专利技术中的加工方法加工效率较高、可有效保证工件的表面精度和表面/亚表面质量。

【技术实现步骤摘要】
一种平面光学元件磨削加工方法
本专利技术涉及精密加工制造领域，尤其涉及的是一种平面光学元件磨削加工方法。
技术介绍
平面光学元件（如平面反射镜、平面标准镜）是大型光学望远系统、高能激光核聚变装置、精密光学测量装置等高新技术产品的核心部件。美国国家点火装置采用的192路光束系统中大约需要3000块尺寸为800mm×460mm×40mm的长方体激光玻璃平面光学元件，其中包括大量的偏振片、钕玻璃片、反射镜以及脉冲压缩光栅等。国内的神光III激光核聚变装置和0902点火工程项目也需要大量的平面光学元件。郭守敬望远镜（LAMOST）中的施密特反射镜由24个长边尺寸为1100mm、厚度为25mm的六边形平面反射镜组成。随着光学系统向着大型化、精密化的方向发展，光学系统所需的平面光学元件的数量将会急剧增长，对现有的光学加工能力提出了极大挑战。平面光学元件的传统加工工艺一般分为材料检测、粗磨成型、精细研磨、预抛光、精密抛光等工序，依靠熟练技师可进行单件小批量生产。其中，磨削工艺作为精密超精密光学制造工艺过程中的一个重要环节，人们希望在磨削阶段就能达到或更接近研磨和粗抛光加工表面的目标，实现研抛工序的高精度磨削化。但由于目前国内磨削装备以及工艺研究水平低下，对平面光学元件的加工机理、工艺以及相应的控制措施等缺乏系统的理解和掌握，磨削后不仅表面面型精度低，而且表面/亚表面损伤深度大。为了解决激光核聚变装置中平面光学元件的批量制造难题，国内的长春光机所、成都光电所、成都光学制造中心等单位进行了相关方面的研究。如杨福兴将先进制造技术和传统抛光技术相结合，提出了一种新的工艺方法，即使用ELID（在线电解）磨削代替传统的铣磨和初抛工序，然后利用数控抛光将工件抛光至最终的面形精度，最后将连续抛光作为最终加工工序，使加工工件的表面粗糙度和波纹度达到工程要求，整个工艺过程可以一定程度上提高生产效率，并减少边缘效应。但该方法所采用的ELID（在线电解）磨削技术需要选取微粉砂轮，材料去处率较低，属于延性方式磨削的一种，其加工效率仍然得不到有效的保障。因此，如何提高平面光学元件的加工效率并且保证较高的表面精度和表面/亚质量是当前光学精密加工制造领域亟需解决的工程问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于提供一种平面光学元件磨削加工方法，该加工方法既可有效保证最终得到的光学元件表面精度和表面及亚表面质量，又很好地兼顾了生产效率。为了解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种平面光学元件磨削加工方法，包括以下步骤：步骤一、采用由旋转工作台和杯形砂轮组成的进给磨削模式完成工件的粗磨、半精磨和精磨加工；磨削加工时，工件置于旋转工作台的中心，并采用真空吸盘吸附装夹，砂轮旋转中心相对旋转工作台的旋转中心偏离一段距离，使得砂轮磨料层的边缘正好经过工件表面的中心位置，磨削过程中，杯形砂轮和旋转工作台同时围绕各自中心轴旋转，杯形砂轮沿着砂轮旋转中心并朝向工件表面方向进给；步骤二、亚表面损伤检测：2-1、采用定向磨料液体射流在精磨后的平面光学元件表面制作观测斜面，所述观测斜面贯入平面光学元件的深度应当足以暴露亚表面裂纹；2-2、用氢氟酸溶液蚀刻所述观测斜面，使得所述平面光学元件沿观测斜面方向的亚表面裂纹层充分暴露以便观测；2-3、借助轮廓仪的扫描功能测量所述观测斜面的轮廓曲线，得出水平面与该观测斜面之间的夹角值；2-4、借助超景深光学显微镜的微动平台和清晰成像功能获取沿观测斜面方向的亚表面裂纹分布情况，确定最终裂纹消失时微动平台移动的总距离；2-5、结合2-4中得到的最终裂纹消失时微动平台移动的总距离和2-3中得出的水平面与该观测斜面之间的夹角值计算亚表面裂纹深度值；步骤三、对于检测结果合格的平面光学元件，采用与精磨时相同的磨削工艺参数对其表面进行加工，以去除观测斜面，使得该平面光学元件获得与亚表面损伤检测之前相同的表面和亚表面质量。步骤一中，粗磨完成毛坯工件的指定材料去除量后对工件进行在位测量，测量工件的中心厚度、矢高值、中心尖端大小、磨削刀痕尺寸四个指标与参考标准之间的误差；经测量，若工件符合粗磨加工精度要求，则可对其进行后续的半精磨加工；若工件不符合粗磨加工精度要求，则采用相同磨削工艺参数再次粗磨直至该工件符合粗磨加工精度要求。步骤一中，半精磨完成工件的指定材料去除量后，对工件进行在位测量，测量工件的中心厚度、矢高值、中心尖端大小、磨削刀痕尺寸四个指标与参考标准之间的误差；经测量，若工件符合半精磨加工精度要求，则可对其进行后续的精磨加工；若工件不符合半精磨加工精度要求，则采用相同磨削工艺参数再次半精磨直至该工件符合半精磨加工精度要求。步骤一中，精磨完成工件的指定材料去除量后，对工件进行在位测量，测量工件的中心厚度、矢高值、中心尖端大小、磨削刀痕尺寸四个指标与参考标准之间的误差；经测量，若工件符合精磨加工精度要求，则可对其进行后续的亚表面损伤检测；若工件不符合精磨加工精度要求，则采用相同磨削工艺参数再次精磨直至该工件符合精磨加工精度要求。测量所述观测斜面轮廓曲线的过程包括：以所述观测斜面的顶端和底端对应作为测量起始点和结束点，沿测量基准面测量所述观测斜面的纵向轮廓形面，从而得出水平面与该观测斜面之间的夹角值，前述测量基准面为观测斜面中线所在平面。获取沿观测斜面方向的亚表面裂纹分布情况的过程包括：从所述观测斜面的顶端开始沿测量基准面观测裂纹变化情况，并使用超景深光学显微镜的成像功能拍摄显微照片，记录每一个位置获得的每一张裂纹显微照片所对应的微动平台的移动距离，并确定最终裂纹消失时微动平台移动的总距离。在所述平面光学元件精磨后，先采用定向磨料液体射流在其表面试制作观测斜面，然后借助轮廓仪的扫描功能沿垂直于所述测量基准面的方向测量该试制作观测斜面的横向轮廓形面，根据所述测量基准面两侧的轮廓形面的对称性和贯入深度一致性优化定向磨料液体射流加工参数，之后于步骤二2-1采用优化后的加工参数在精磨后的平面光学元件表面正式制作观测斜面并进行后续步骤的操作。一种熔石英玻璃平面光学元件的磨削加工方法，包括以下步骤：将熔石英玻璃毛坯工件按照上述步骤一完成粗磨、半精磨和精磨；将精磨后的熔石英玻璃按照上述步骤二完成亚表面损伤检测；将亚表面损伤检测后的熔石英玻璃按照上述步骤三去除观测斜面；其中，步骤二2-1中采用定向磨料液体射流在精磨后的平面光学元件表面制作观测斜面的加工参数为：磨料种类：氧化铝；磨料粒度：1μm；磨料浓度：50%；喷嘴压力：0.6MPa；射流角度：45°；射流喷嘴加工路径采用顺序往返直线扫描方式，往返直线的间距与射流喷嘴的直径保持一致，所述观测斜面贯入平面光学元件的深度应当足以暴露亚表面裂纹。优选地，步骤二2-1先用橡胶泥包裹待测的平面光学元件的观测斜面周边，再滴入氢氟酸溶液对观测斜面进行蚀刻，使观测斜面的裂纹充分暴露出来，所述氢氟酸溶液的溶度为5%，蚀刻温度为24℃，蚀刻时间为15min，蚀刻完毕后，用清水冲洗观测斜面，去除残留在观测斜面上的氢氟酸溶液。粗磨中金刚石杯形砂轮的磨粒粒径为146-156μm、进给速度为1.4-1.6mm·min-1、驻留时间为38-40s；半精磨中金刚石杯形砂轮的磨粒粒径为86-96μm、进给速度为0.4-0.6mm·本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种平面光学元件磨削加工方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、采用由旋转工作台和杯形砂轮组成的进给磨削模式完成工件的粗磨、半精磨和精磨加工；磨削加工时，工件置于旋转工作台的中心，并采用真空吸盘吸附装夹，砂轮旋转中心相对旋转工作台的旋转中心偏离一段距离，使得砂轮磨料层的边缘正好经过工件表面的中心位置，磨削过程中，杯形砂轮和旋转工作台同时围绕各自中心轴旋转，杯形砂轮沿着砂轮旋转中心并朝向工件表面方向进给；步骤二、亚表面损伤检测：2‑1、采用定向磨料液体射流在精磨后的平面光学元件表面制作观测斜面，所述观测斜面贯入平面光学元件的深度应当足以暴露亚表面裂纹；2‑2、用氢氟酸溶液蚀刻所述观测斜面，使得所述平面光学元件沿观测斜面方向的亚表面裂纹层充分暴露以便观测；2‑3、借助轮廓仪的扫描功能测量所述观测斜面的轮廓曲线，得出水平面与该观测斜面之间的夹角值；2‑4、借助超景深光学显微镜的微动平台和清晰成像功能获取沿观测斜面方向的亚表面裂纹分布情况，确定最终裂纹消失时微动平台移动的总距离；2‑5、结合2‑4中得到的最终裂纹消失时微动平台移动的总距离和2‑3中得出的水平面与该观测斜面之间的夹角值计算亚表面裂纹深度值；步骤三、对于检测结果合格的平面光学元件，采用与精磨时相同的磨削工艺参数对其表面进行加工，以去除观测斜面，使得该平面光学元件获得与亚表面损伤检测之前相同的表面和亚表面质量。...

【技术特征摘要】
1.一种平面光学元件磨削加工方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、采用由旋转工作台和杯形砂轮组成的进给磨削模式完成工件的粗磨、半精磨和精磨加工；磨削加工时，工件置于旋转工作台的中心，并采用真空吸盘吸附装夹，砂轮旋转中心相对旋转工作台的旋转中心偏离一段距离，使得砂轮磨料层的边缘正好经过工件表面的中心位置，磨削过程中，杯形砂轮和旋转工作台同时围绕各自中心轴旋转，杯形砂轮沿着砂轮旋转中心并朝向工件表面方向进给；步骤二、亚表面损伤检测：2-1、采用定向磨料液体射流在精磨后的平面光学元件表面制作观测斜面，所述观测斜面贯入平面光学元件的深度应当足以暴露亚表面裂纹；2-2、用氢氟酸溶液蚀刻所述观测斜面，使得所述平面光学元件沿观测斜面方向的亚表面裂纹层充分暴露以便观测；2-3、借助轮廓仪的扫描功能测量所述观测斜面的轮廓曲线，得出水平面与该观测斜面之间的夹角值；2-4、借助超景深光学显微镜的微动平台和清晰成像功能获取沿观测斜面方向的亚表面裂纹分布情况，确定最终裂纹消失时微动平台移动的总距离；2-5、结合2-4中得到的最终裂纹消失时微动平台移动的总距离和2-3中得出的水平面与该观测斜面之间的夹角值计算亚表面裂纹深度值；步骤三、对于检测结果合格的平面光学元件，采用与精磨时相同的磨削工艺参数对其表面进行加工，以去除观测斜面，使得该平面光学元件获得与亚表面损伤检测之前相同的表面和亚表面质量。2.根据权利要求1所述的平面光学元件磨削加工方法，其特征在于，步骤一中，粗磨完成毛坯工件的指定材料去除量后对工件进行在位测量，测量工件的中心厚度、矢高值、中心尖端大小、磨削刀痕尺寸四个指标与参考标准之间的误差；经测量，若工件符合粗磨加工精度要求，则可对其进行后续的半精磨加工；若工件不符合粗磨加工精度要求，则采用相同磨削工艺参数再次粗磨直至该工件符合粗磨加工精度要求。3.根据权利要求1所述的平面光学元件磨削加工方法，其特征在于，步骤一中，半精磨完成工件的指定材料去除量后，对工件进行在位测量，测量工件的中心厚度、矢高值、中心尖端大小、磨削刀痕尺寸四个指标与参考标准之间的误差；经测量，若工件符合半精磨加工精度要求，则可对其进行后续的精磨加工；若工件不符合半精磨加工精度要求，则采用相同磨削工艺参数再次半精磨直至该工件符合半精磨加工精度要求。4.根据权利要求1所述的平面光学元件磨削加工方法，其特征在于，步骤一中，精磨完成工件的指定材料去除量后，对工件进行在位测量，测量工件的中心厚度、矢高值、中心尖端大小、磨削刀痕尺寸四个指标与参考标准之间的误差；经测量，若工件符合精磨加工精度要求，则可对其进行后续的亚表面损伤检测；若工件不符合精磨加工精度要求，则采用相同磨削工艺参数再次精磨直至该工件符合精磨加工精度要求。5.根据权利要求1所述的平面光学元件磨削加工方法，其特征在于，测量所述观测斜面轮廓曲线的过程包括：以所述观测斜面的顶端和底端对应作为测量起始点和结束点，沿测量基准面测量所述观测斜面的纵向轮廓形面，从而得出水平面与该观测斜面之间的夹角值，前述测量基准面为观测斜面中线所在平面。...

【专利技术属性】
技术研发人员：李平，金滩，刘安民，陈思羽，吴远志，
申请(专利权)人：湖南工学院，
类型：发明
国别省市：湖南,43