一种数控小工具与环抛机相结合的大口径平面加工方法
【专利摘要】本发明涉及一种数控小工具与环抛机相结合的大口径平面加工方法，包括如下步骤：使用数控小工具对铣磨成形工件进行研磨和粗抛光，研磨去除工件的破坏层及控制面形,研磨完成后转入粗抛光阶段，粗抛光去除研磨产生的表面破坏层，粗抛光结束后再使用数控小工具与环抛机相结合进行精修面形，利用面形检测装置对光学镜面进行面形误差检测，使最后加工的镜面面形精度达到设计要求，本发明解决大口径平面镜加工工艺，提供了一种大口径平面镜加工工艺的新方法，为更大的大口径平面镜光学元件加工工艺奠定基础。
【专利说明】-种数控小工具与环抛机相结合的大口径平面加工方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及平面加工的【技术领域】，具体涉及一种数控小工具与环抛机相结合的大 口径平面加工方法。
【背景技术】
[0002] 随着激光核聚变装置的需求的增长，全世界各国家已经建立了超过20个大型的 激光设备，如美国的"国家点火装置"(NIF)和法国的兆焦耳激光器，中国也正在发展一种高 功率激光设备。在所有激光设备，需要大量的高精度、大口径的光学元件。例如，在美国国 家点火装置，约80 %的平面光学元件的光学构件中，仅第一阶段的项目，需要使用3000件 800mm X 460mm X 40mm的玻璃，这些质量要求的大口径光学元件，其控制的空间调制波长L 的被分为高频段、中频段、低频段三个部分；
[0003] -般从要求的技术指标中的激光平面光学元件的特征在于：大口径，高精密的表 面形状，超光滑表面，以及不规则的形状。
[0004] 就国内而目，加工1?精度大口径平面镜，尤其是较大口径的平面镜，加工水平仍是 相对薄弱的，受限于加工与检测设备等条件，加工大口径平面镜的主要手段，还停留在传统 古典法、连续环抛抛光等加工技术。
[0005]目前国内外研究光学元件大口径平面镜的加工技术主要有传统古典大盘加工、连 续环抛机抛光、CCOS、在线电解磨削、磁流变抛光、离子束抛光、射流抛光、单点金刚石飞切 光学平面等。
[0006] 数控小工具加工镜面会残留大量中高频误差，而连续慢速环形抛光机加工镜面 效率低、专家化和质量不稳定，连续慢速环形抛光机简称环抛机，Continuous Polishing Machine,它是一个重要的平面抛光技术，主要对异型、超薄平面镜窗口更突显其加工优势， 环抛加工过程是复杂的，受多种因素影响，环境要求高。
[0007] 数控小工具与环抛机相结合的大口径平面加工方法，工艺目的一是解决超薄大口 径平面镜加工工艺，数控小工具加工技术对镜面加工的后期面形精度提升较快，效率较高； 目的二是环抛机加工后的镜面基本没有的中高频误差，能抑制镜面绝大部分中高频误差。
[0008] -般口径超过φ4〇〇毫米的平面镜加工可以采用毛胚一粗磨成型一小工具研磨一 小工具抛光一环抛机一小工具与环抛机相结合精修一镀膜，这类先采用数控小工具子口径 加工工艺的方法，口径φ4〇〇-7〇〇毫米的大口径平面镜传统加工工艺：采用毛胚一粗磨成型 -古典法大盘研磨一古典法大盘粗抛光一环抛机一镀膜，这类大盘加工方法会造成诸多的 生产现实问题。
[0009] 第一，环抛机加工对加工者例如高级技师严重依赖；
[0010] 第二，环抛机加工效率低，多次反复；
[0011] 第三，环抛机加工质量不稳定；
[0012] 综上所述，传统大口径平面镜加工工艺会造成诸多的不足：专家化，进行大量地、 不连续稳步地工作，抛光效率很难上台阶，加工效率较低与加工质量不稳定。
[0013] 研究数控大口径平面加工工艺与检测的相关方法成为大口径平面光学加工的难 点和热点，尤其是径厚比超过20:1的大口径平面镜窗口。
【发明内容】
[0014] 鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种光学大口径平面镜加工方法， 本文仅涉及研磨、抛光部分。
[0015] 为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种数控小工具与环抛机相结合的大 口径平面加工方法，包括如下步骤：
[0016] 步骤1)、研磨：使用数控小工具硬质金属细磨盘与铣磨成形平面镜表面接触加 辅料金刚砂磨削加工，金刚砂颗粒由粗到细研磨，采用激光跟踪仪或者三坐标进行面形检 测；
[0017] 步骤2)、粗抛光：使用数控小工具磨盘与平面镜表面接触加辅料氧化铈磨削加 工，先进行抛亮，同时抛亮过程中使用样板控制镜面面形，保证粗抛光最终面形精度满足干 涉仪进行干涉检测；
[0018] 步骤3)、环抛机抛光：使用环抛机抛光，消除低频误差，采用样板过程检测或干涉 仪进行反复检测，监控镜面面形，尽量减小镜面面形误差；
[0019] 步骤4)、抛光精修：使用数控小工具磨盘与平面镜表面接触加辅料氧化铈抛光， 尽量消除环带误差和局部误差，再使用环抛机进行抛光，进一步提高镜面精度和抑制镜面 中高频误差，然后使用数控小工具进行精修，最后使用环抛机进行平滑加工，消除中高频误 差，采用干涉仪进行反复检测，面形达到镜面设计要求。
[0020] 进一步的，所述大口径平面镜是指口径为400-2000mm，厚度为10-200mm。
[0021] 进一步的，所述步骤1)加工后镜面表面面形精度PV值优于20 μ m，RMS值优于 5 μ m，镜面研磨细，表面没有表面疵病，在研磨加工过程中，使用三坐标或者激光跟踪仪对 光学元件的面形误差进行反复检测，注意加工前后面形变化，使用金刚砂颗粒由粗到细的 进行研磨加工去除研磨成型阶段的破坏层。
[0022] 进一步的，所述步骤2)数控小工具加工后镜面抛亮并控制面形，平面镜镜面面形 精度PV值优于10 μ m，RMS值优于1 μ m。
[0023] 进一步的，所述步骤3)环抛机抛光，大大减少镜面低频误差，进一步提高镜面精 度，平面镜镜面面形精度达到PV值优于1 λ，RMS值优于0. 2 λ，其中1 λ = 〇. 6328 μ m。
[0024] 进一步的，所述步骤4)使用数控小工具与环抛机相结合的加工工艺，光学平面元 件在环抛机加工后没有明显的碎带，即通常所说的中高频误差，面形达到PV值优于0. 2 λ， RMS值优于0. 04 λ，然后使用数控小工具进行加工，最后使用环抛机进行平滑加工，消除中 高频误差，达到镜面设计要求。
[0025] 本发明具有以下优点：
[0026] 1).数控小工具与环抛机相结合加工可以扬长避短，相互克服自己的缺点，从而提 高质量与效率，缩短加工周期；
[0027] 2).环抛机可以平滑数控小工具粗抛光和精修面形时产生的中高频误差；
[0028] 3).对于米级口径的平面镜，将镜面的面形从粗抛光后的RMS值5μπι提升到 0. 5μπι，数控小工具加工需要较长时间，而这个阶段采用环抛机可以大量缩短加工周期；
[0029] 4).对于米级超薄平面窗口，加工磨盘不可能做到整盘加工，考虑到支撑对镜面变 形的影响，磨盘要做到小型化，从而使用小工具磨盘加工光学元件。
【专利附图】
【附图说明】
[0030] 图1是本发明实施例中口径610mm平面微晶玻璃实验件加工方法流程图；
[0031] 图2是本发明实施例中口径610mm平面微晶玻璃实验件数控小工具抛光检测结 果；
[0032] 图3是本发明实施例中口径610mm平面微晶玻璃实验件抛光终检结果。
【具体实施方式】
[0033] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
[0034] 参考图1，一种数控小工具与环抛机相结合的大口径平面加工方法，主要包括如下 步骤：
[0035] 步骤1)、研磨：使用数控小工具硬质金属细磨盘与铣磨成形平面镜表面接触加 辅料金刚砂磨削加工，金刚砂颗粒由粗到细研磨，采用激光跟踪仪或者三坐标进行面形检 测；
[0036] 步骤2)、粗抛光：使用数控小工具磨盘与平面镜表面接触加辅料氧化铈磨削加 工，先进行抛亮，同时抛亮过程中使用样板控制镜面面形，保证粗抛光最终面形精度满足干 涉仪进行干涉检测；
[0037] 步骤3)、环抛机抛光：使用环抛机抛光，消除低频误差，进一步提高镜面面形精 度，大大减少低频误差和抑制镜面中高频误差，采用样板过程检测或干涉仪进行反复检测， 监控镜面面形，尽量减小镜面面形误差；
[0038] 步骤4)、抛光精修：使用数控小工具磨盘与平面镜表面接触加辅料氧化铈抛光， 尽量消除环带误差和局部误差，再使用环抛机进行抛光，进一步提高镜面精度和抑制镜面 中高频误差，然后使用数控小工具进行精修，最后使用环抛机进行平滑加工，消除中高频误 差，采用干涉仪进行反复检测，面形达到镜面设计要求。
[0039] 其中，所述大口径平面镜是指口径为400-2000mm，厚度为10-200mm。
[0040] 其中，所述步骤1)加工后镜面表面面形精度PV值优于20 μ m，RMS值优于5 μ m， 镜面研磨细，表面没有表面疵病，在研磨加工过程中，使用三坐标或者激光跟踪仪对光学元 件的面形误差进行反复检测，注意加工前后面形变化，使用金刚砂颗粒由粗到细的进行研 磨加工去除研磨成型阶段的破坏层。
[0041] 其中，所述步骤2)数控小工具加工后镜面抛亮并控制面形，平面镜镜面面形精度 PV值优于10 μ m，RMS值优于1 μ m，表面没有表面瑕疵。
[0042] 其中，所述步骤3)环抛机抛光，大大减少镜面低频误差，进一步提高镜面精度，平 面镜镜面面形精度达到PV值优于1 λ，RMS值优于0. 2 λ，其中1 λ = 〇. 6328 μ m，表面没有 表面瑕疵。
[0043] 其中，所述步骤4)使用数控小工具与环抛机相结合的加工工艺，光学平面元件在 环抛机加工后没有明显的碎带，即通常所说的中高频误差，面形达到PV值优于0. 2 λ，RMS 值优于0. 04 λ，然后使用数控小工具进行加工，最后使用环抛机进行平滑加工，消除中高频 误差，达到镜面设计要求。
[0044] 具体实例如下：
[0045] 一种数控小工具与环抛机相结合的大口径平面加工方法，包括如下步骤：
[0046] (1)研磨：使用小工具铜制细磨盘口径IlOmm与口径610mm厚61mm微晶的平面镜 表面接触加辅料金刚砂磨削加工，去除平面镜铣磨成形的破坏层，金刚砂颗粒由粗到细进 行研磨，使用金刚砂绿砂W40去除破坏层，去除量为0. 04-0. 08mm，使用金刚砂绿砂W20去除 破坏层，去除量为0. 02-0. 04mm，使用金刚砂绿砂W14去除破坏层，去除量为0. 015-0. 03mm， 采用API激光跟踪仪在线检测或三坐标进行检测，镜面面形达到PV值5.0 μ m，RMS值 L 2 μ m〇
[0047] (2)粗抛光：利用φ800研抛机和数控机械手设备，使用数控小工具浙青胶盘 与平面镜表面接触加辅料氧化铈磨削加工，先进行抛亮，同时用样板控制镜面面形， 镜面面形达到PV值0. 196 λ，RMS值0. 029 λ，其中1 λ = 〇. 6328 μ m，磨盘口径有 (pl50mm、(pl30mm、(pll0mm、（p9〇mm、φ70ηιηι、（p50mm、（p30mm,抛亮过程中保证粗抛光 最终面形精度，满足采用zyg〇24英寸干涉仪进行干涉检测。
[0048] (3)环抛机抛光：使用φ?.6米环抛机抛光，大大减少低频误差，进一步提高镜面面 形精度和抑制镜面中高频误差，采用样板过程检测或zyg〇24英寸干涉仪进行检测，监控镜 面面形精度，(pi.6米环抛机加工后的镜面面形达到PV值0.096 λ，RMS值0.016 λ ;
[0049] (4)精修：使用环抛机进行磨削加工，进一步提高镜面精度和抑制镜面中高频误 差，然后使用数控小工具进行精修，最后使用环抛机进行平滑加工，从而镜面面形精度达到 设计要求，采用zyg 〇24英寸干涉仪进行检测。
[0050] 成功完成(p610mm厚61mm微晶平面镜磨削加工，研磨镜面面形达到PV值5. 0 μ m， RMS值I. 2 μ m，最后抛光面形达到PV值0. 089 λ，RMS值0. 014 λ，zyg〇24英寸平面干涉仪实 际最大能获得口径为610mm，像素大于450X450的面形图，本文面形图的分辨率为1.36mm。
[0051] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与 修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
【权利要求】
1. 一种数控小工具与环抛机相结合的大口径平面加工方法，其特征在于，主要包括如 下步骤： 步骤1)、研磨：使用数控小工具硬质金属细磨盘与铣磨成形平面镜表面接触加辅料金 刚砂磨削加工，金刚砂颗粒由粗到细研磨，采用激光跟踪仪或者三坐标进行面形检测； 步骤2)、粗抛光：使用数控小工具磨盘与平面镜表面接触加辅料氧化铈磨削加工，先 进行抛亮，同时抛亮过程中使用样板控制镜面面形，保证粗抛光最终面形精度满足干涉仪 进行干涉检测； 步骤3)、环抛机抛光：使用环抛机抛光，消除低频误差，采用样板过程检测或干涉仪进 行反复检测，监控镜面面形，尽量减小镜面面形误差； 步骤4)、抛光精修：使用数控小工具磨盘与平面镜表面接触加辅料氧化铈抛光，尽量 消除环带误差和局部误差，再使用环抛机进行抛光，进一步提高镜面精度和抑制镜面中高 频误差，然后使用数控小工具进行精修，最后使用环抛机进行平滑加工，消除中高频误差， 采用干涉仪进行反复检测，面形达到镜面设计要求。
2. 根据权利要求1所述的一种数控小工具与环抛机相结合的大口径平面加工方法，其 特征在于，所述大口径平面镜是指口径为400-2000mm，厚度为10-200mm。
3. 根据权利要求1所述的一种数控小工具与环抛机相结合的大口径平面加工方法，其 特征在于，所述步骤1)加工后镜面表面面形精度PV值优于20 ii m，RMS值优于5 ii m，镜面 研磨细，表面没有表面疵病，在研磨加工过程中，使用三坐标或者激光跟踪仪对光学元件的 面形误差进行反复检测，注意加工前后面形变化，使用金刚砂颗粒由粗到细的进行研磨加 工去除研磨成型阶段的破坏层。
4. 根据权利要求1所述的一种数控小工具与环抛机相结合的大口径平面加工方法，其 特征在于，所述步骤2)数控小工具加工后镜面抛亮并控制面形，平面镜镜面面形精度PV值 优于10 y m，RMS值优于1 ii m。
5. 根据权利要求1所述的一种数控小工具与环抛机相结合的大口径平面加工方法，其 特征在于，所述步骤3)环抛机抛光，大大减少镜面低频误差，进一步提高镜面精度，平面镜 镜面面形精度达到PV值优于1入，RMS值优于0. 2入，其中1入=0. 6328 ii m。
6. 根据权利要求1所述的一种数控小工具与环抛机相结合的大口径平面加工方法， 其特征在于，所述步骤4)使用数控小工具与环抛机相结合的加工工艺，光学平面元件在环 抛机加工后没有明显的碎带，即通常所说的中高频误差，面形达到PV值优于0. 2 A，RMS值 优于0. 04 A，然后使用数控小工具进行加工，最后使用环抛机进行平滑加工，消除中高频误 差，达到镜面设计要求。
【文档编号】B24B1/00GK104385064SQ201410547326
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年10月14日 优先权日:2014年10月14日
【发明者】卓彬, 范斌, 万勇建, 王佳, 耿彦生, 高平起, 鲜林翰 申请人:中国科学院光电技术研究所