专利名称：大面积平面光学零件加工装置及加工方法
技术领域：
本发明涉及一种大面积平面光学零件加工装置及加工方法。
背景技术：
近年来，对于大型精密光学零件的需求越来越多，采用传统方法加工光学元件，导致光学元件表面损伤和亚表面损伤，因此需要后续的抛光，比如气囊抛光、化学抛光或磁流变抛光等，上述抛光方法存在的主要问题是加工周期长，即目前大型光学零件的精加工所面临的主要问题是效率低。等离子体化学抛光是使反应气体处于活跃的等离子体中，激发了化学反应的进行，等离子体抛光属于非接触抛光，避免了表面和亚表面损伤产生的同时，由于化学反应的进行去除效率更高。
等离子体化学抛光已经得到人们广泛的应用，但现有的等离子体抛光装置是在真空环境下进行的，导致现有的光学零件加工装置成本高；现有的点接触式放电方法和小口径同轴放电方法对于大型超精密光学零件的加工，依然存在效率低的问题。
发明内容
本发明为解决现有的等离子体抛光装置成本高以及现有的等离子体抛光方法效率低的问题，进而提出一种大面积平面光学零件加工装置及加工方法。本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是本发明的一种大面积平面光学零件加工装置包括射频电源、接地线、内电极、导流板、冷却管、水箱、流量控制器、氦气瓶、四氟化碳瓶、氧气瓶、两个外电极和两个隔离板，所述射频电源、接地线、内电极、两个外电极和两个隔离板构成等离子体平板放电结构，两个外电极对称设置，两个外电极与两个隔离板两两相对形成封闭结构，所述导流板设置在两个外电极的上部且位于两个外电极之间，内电极的下端穿过导流板且内电极位于两个外电极之间，所述导流板上沿长度方向加工有两个第一通孔，两个第一通孔关于内电极对称设置，所述导流板上沿长度方向加工有两排第二通孔，每个第一通孔与对应的一排第二通孔相互连通，所述射频电源与内电极连接，所述两个外电极通过接地线接地，两个外电极、两个隔离板和内电极之间形成两个等离子体产生腔室，所述氦气瓶、四氟化碳瓶和氧气瓶通过流量控制器与两个第一通孔连通，所述内电极上加工有第一冷却通道，每个外电极上加工有第二冷却通道，第一冷却通道与第二冷却通道均通过冷却管与水箱连通，流量控制器上设置有氦气控制阀、四氟化碳控制阀和氧气控制阀，氦气控制阀用于控制氦气的流量，四氟化碳控制阀用于控制四氟化碳的流量，氧气控制阀用于控制氧气的流量。本发明的大面积平面光学零件加工方法是按着以下步骤实现的步骤一、通过水泵将水箱内的冷却水通入内电极和两个外电极的第一冷却通道和第二冷却通道；步骤二、打开流量控制器开关，同时打开射频电源与匹配器电源，对流量控制器和射频电源预热10 15分钟；步骤三、打开氦气瓶、四氟化碳瓶和氧气瓶，其中氦气瓶为等离子体气体瓶，四氟化碳瓶为反应气体瓶，通过流量控制器调节氦气和四氟化碳的气体流量，氦气的流量为2L/min 5L/min,四氟化碳的气体流量为20ml/min 90ml/min ；步骤四、将待加工工件放置在工作台面的电极之上，使待加工工件逆时针旋转；步骤五、打开氦气控制阀，对射频电源逐步增加功率，控制功率范围200W 400W，同时控制反射功率为0 ;步骤六、将工件与射流下方气体出口对齐，控制稳定的等离子体放电，控制炬在等离子体区域的驻留时间为5min 20min ；步骤七、关闭射频电源，关闭等离子体气体瓶，关闭反应气体瓶，和氧气，关闭第一流量控制器和第二流量控制器和第三流量器，取出待加工工件。 本发明的有益效果是本发明的大面积平面光学零件加工装置在外电极和内电极的内部均加工有冷却通道，实现了加工过程中的电极冷却，降低了加工过程中的电极温度，从而可以进行长时间的加工，使得反应离子的活性相对较高，同时本发明的加工装置具有两个等离子体产生腔室，与现有的单等离子体腔室相比，大大提高了去除率，即大大提高了加工效率，加工效率提闻了十倍左右；本发明的大面积平面光学零件加工装置在非真空环境下进行，与现有的等离子体抛光装置是在真空环境下进行相比，大大降低了成本，装置成本仅为现有的等离子体抛光装置的十分之一；本发明的大面积平面光学零件加工方法可以采用射流和接触式放电加工共同作用，可以提高大型光学零件的加工效率，对于球面和非球面光学零件，可以通过改变电极端部的形状达到符合待加工工件表面面型，因而加工应用范围更为广泛；同时本发明可以对于已经产生表面变质层的工件进行表面变质层的去除；本发明的大面积平面光学零件加工方法采用等离子体平板放电加工，在产生高密度等离子体的同时，采用射流加工方法，与现有的接触式加工方法相比，反应产物能够及时排出，避免了反应产物堆积和沉积的现象的发生。本发明的大面积平面光学零件加工方法使待加工工件逆时针旋转，大面积平面光学零件可以达到均匀的高速加工。
图I是本发明的大面积平面光学零件加工装置的整体结构主视图，图2是等离子体平板放电结构的俯视图，图3是导流板的纵向剖视图，图4是内电极的第一冷却通道的剖视图，图5是外电极的第二冷却通道的剖视图。
具体实施例方式具体实施方式
一如图I 5所示，本实施方式的大面积平面光学零件加工装置包括射频电源I、接地线2、内电极4、导流板5、冷却管7、水箱8、流量控制器17、氦气瓶10、四氟化碳瓶11、氧气瓶12、两个外电极3和两个隔离板6，所述射频电源I、接地线2、内电极4、两个外电极3和两个隔离板6构成等离子体平板放电结构，两个外电极3对称设置，两个外电极3与两个隔离板6两两相对形成封闭结构，所述导流板5设置在两个外电极3的上部且位于两个外电极3之间，内电极4的下端穿过导流板5且内电极4位于两个外电极3之间，所述导流板5上沿长度方向加工有两个第一通孔5-1，两个第一通孔5-1关于内电极对称设置，所述导流板5上沿长度方向加工有两排第二通孔5-2，每个第一通孔5-1与对应的一排第二通孔5-2相互连通，所述射频电源I与内电极4连接，所述两个外电极3通过接地线2接地，两个外电极3、两个隔离板6和内电极4之间形成两个等离子体产生腔室18，所述氦气瓶10、四氟化碳瓶11和氧气瓶12通过流量控制器17与两个第一通孔5-1连通，所述内电极4上加工有第一冷却通道4-1,每个外电极3上加工有第二冷却通道3-1,第一冷却通道4-1与第二冷却通道3-1均通过冷却管7与水箱8连通，流量控制器17上设置有氦气控制阀13、四氟化碳控制阀14和氧气控制阀15，氦气控制阀13用于控制氦气的流量，四氟化碳控制阀14用于控制四氟化碳的流量，氧气控制阀15用于控制氧气的流量。大面积是的范围为400X400平方毫米 500X500平方毫米。
具体实施方式
二 如图4所示，本实施方式所述第一冷却通道4-1呈U字形。如此 设计，可以降低内电极的温度。其它组成及连接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三如图I所示，本实施方式所述加工装置还包括混气阀9,流量控制器17通过混气阀9与两个第一通孔5-1连通。如此设计，可以对流量控制器17内的气体进行充分混合。其它组成及连接关系与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
四如图I 5所示，本实施方式的大面积平面光学零件加工方法步骤如下步骤一、通过水泵将水箱8内的冷却水通入内电极4和两个外电极3的第一冷却通道4-1和第二冷却通道4-2 ；步骤二、打开流量控制器17开关，同时打开射频电源I与匹配器电源，对流量控制器17和射频电源I预热10 15分钟；步骤三、打开氦气瓶10、四氟化碳瓶11和氧气瓶12，其中氦气瓶10为等离子体气体瓶，四氟化碳瓶11为反应气体瓶，通过流量控制器17调节氦气和四氟化碳的气体流量，氦气的流量为2L/min 5L/min,四氟化碳的气体流量为20ml/min 90ml/min ；步骤四、将待加工工件16放置在工作台面的电极之上，使待加工工件16逆时针旋转；步骤五、打开氦气控制阀13，对射频电源I逐步增加功率，控制功率范围200W 400W,同时控制反射功率为0 ;步骤六、将工件与射流下方气体出口对齐，控制稳定的等离子体放电，控制炬在等离子体区域的驻留时间为5min 20min ；步骤七、关闭射频电源1，关闭等离子体气体瓶10，关闭反应气体瓶11，和氧气12，关闭第一流量控制器13和第二流量控制器14和第三流量器15，取出待加工工件16。如图I所示，加工采用射流的方式对光学零件进行加工和表面变质层去除。加工过程中将电极表面与待加工工件16表面平行且保持适当距离，即气流方向垂直于待加工工件16表面。放电时，产生的等离子体作用于待加工工件16表面，由于待加工工件16表面离电极距离很近，所以端面的直线刃处放电产生的等离子体会直接作用到待加工工件表面处，有利于反应的进行；还可以将工件置于地电极之上，此时由于内电极的端面与待加工工件16下的地 电极之间又形成了电容区间，从而扩大射流范围，同时还进行了接触式放电加工，可以满足大距离的加工要求。
权利要求
1.一种大面积平面光学零件加工装置，其特征在于所述加工装置包括射频电源(I)、接地线(2)、内电极(4)、导流板(5)、冷却管(7)、水箱(8)、流量控制器(17)、氦气瓶(10)、四氟化碳瓶(11)、氧气瓶(12)、两个外电极(3)和两个隔离板(6)，所述射频电源(I)、接地线(2)、内电极(4)、两个外电极(3)和两个隔离板(6)构成等离子体平板放电结构，两个外电极(3)对称设置，两个外电极(3)与两个隔离板(6)两两相对形成封闭结构，所述导流板(5)设置在两个外电极(3)的上部且位于两个外电极(3)之间，内电极(4)的下端穿过导流板(5)且内电极(4)位于两个外电极(3)之间，所述导流板(5)上沿长度方向加工有两个第一通孔(5-1)，两个第一通孔(5-1)关于内电极对称设置，所述导流板(5)上沿长度方向加工有两排第二通孔(5-2)，每个第一通孔(5-1)与对应的一排第二通孔(5-2)相互连通，所述射频电源(I)与内电极(4)连接，所述两个外电极(3)通过接地线(2)接地，两个外电极(3)、两个隔离板(6)和内电极(4)之间形成两个等离子体产生腔室(18)，所述氦气瓶(10)、四氟化碳瓶(11)和氧气瓶(12)通过流量控制器(17)与两个第一通孔(5-1)连通，所述内电极(4)上加工有第一冷却通道(4-1)，每个外电极(3)上加工有第二冷却通道(3-1)，第一冷却通道(4-1)与第二冷却通道(3-1)均通过冷却管(7)与水箱⑶连通，流 量控制器(17)上设置有氦气控制阀(13)、四氟化碳控制阀(14)和氧气控制阀(15)，氦气控制阀(13)用于控制氦气的流量，四氟化碳控制阀(14)用于控制四氟化碳的流量，氧气控制阀(15)用于控制氧气的流量。
2.根据权利要求I所述的大面积平面光学零件加工装置，其特征在于所述第一冷却通道(4-1)呈U字形。
3.根据权利要求I或2所述的大面积平面光学零件加工装置，其特征在于所述加工装置还包括混气阀(9)，流量控制器(17)通过混气阀(9)与两个第一通孔(5-1)连通。
4.一种利用权利要求I 3中任一权利要求所述的大面积平面光学零件加工方法，其特征在于平面光学零件加工方法步骤如下 步骤一、通过水泵将水箱(8)内的冷却水通入内电极(4)和两个外电极(3)的第一冷却通道(4-1)和第二冷却通道(4-2)； 步骤二、打开流量控制器(17)开关，同时打开射频电源(I)与匹配器电源，对流量控制器(17)和射频电源(I)预热10 15分钟； 步骤三、打开氦气瓶(10)、四氟化碳瓶(11)和氧气瓶(12)，其中氦气瓶(10)为等离子体气体瓶，四氟化碳瓶(11)为反应气体瓶，通过流量控制器(17)调节氦气和四氟化碳的气体流量，氦气的流量为2L/min 5L/min,四氟化碳的气体流量为20ml/min 90ml/min ； 步骤四、将待加工工件(16)放置在工作台面的电极之上，使待加工工件(16)逆时针旋转； 步骤五、打开氦气控制阀(13)，对射频电源(I)逐步增加功率，控制功率范围200W 400W,同时控制反射功率为O ; 步骤六、将工件与射流下方气体出口对齐，控制稳定的等离子体放电，控制炬在等离子体区域的驻留时间为5min 20min ； 步骤七、关闭射频电源(1)，关闭等离子体气体瓶(10)，关闭反应气体瓶(11)，和氧气(12)，关闭第一流量控制器(13)和第二流量控制器(14)和第三流量器(15)，取出待加工工件(16)。
全文摘要
大面积平面光学零件加工装置及加工方法，它涉及一种平面光学零件加工装置及方法。本发明为解决现有的等离子体抛光装置成本高以及抛光方法效率低的问题。两个外电极与两个隔离板两两相对形成封闭结构，内电极位于两个外电极，两个外电极、两个隔离板和内电极之间形成两个等离子体产生腔室，所述氦气瓶、四氟化碳瓶和氧气瓶通过流量控制器与两个第一通孔连通；方法向电极加冷却水；对流量控制器预热；通过流量控制器调节氦气和四氟化碳的气体流量；将待加工工件放置在工作台面的电极之上，使待加工工件逆时针旋转；对射频电源逐步增加功率；控制稳定的等离子体放电；关闭射频电源和阀门，取出待加工工件。本发明用于大面积平面光学零件加工。
文档编号B24B1/00GK102744652SQ20121025099
公开日2012年10月24日 申请日期2012年7月19日 优先权日2012年7月19日
发明者姚英学, 李娜, 王波, 赵玺, 金会良 申请人:哈尔滨工业大学