专利名称：单点金刚石铣削法加工大尺寸光学元件的表面波纹度控制方法
技术领域：
本发明涉及单点金刚石铣削法加工大尺寸光学元件的表面波纹度控制方法，属于大尺寸脆性光学元件超精密加工领域。
背景技术：
人类文明历史的进步，能源功不可没。从柴薪到煤炭，石油、天然气等“化石燃料” 的应用，使人类社会经济建设、生活文明大步前进。但是，人类对亿万年沉积形成的“化石燃料”的依赖，在促使社会高速发展的同时，已经造成了能源难以为继的危机。“化石燃料”燃烧，就是大气污染、酸雨、温室效应等破坏生态和污染环境的罪魁祸首，寻找新能源已是人类生存发展的当务之急。聚变能源清洁、无污染且几乎取之不尽，利用激光控制核聚变来获取能源是未来解决能源问题的理想途径，目前各发达国家对其均给予高度重视。激光驱动器所输出的激光要求具有很好的光束质量、足够高的激光能量和功率密度，为满足该要求需配合使用大量的电光、非线性光学材料元件，如KDP (磷酸二氢钾)晶体、钕玻璃、K9玻璃、石英玻璃等。激光约束核聚变装置对这些元件的共同要求是高精度面形、超光滑表面，大尺寸以及大的批量，其中，针对KDP晶体不仅要求高的面形精度面且对表面波纹度及频域指标也有很苛刻的要求。表面波纹度及频域指标PSDl不合格会导致光束的自聚焦，损伤KDP晶体的材料性能，威胁整套系统安全。由于KDP晶体为软脆材料，且为典型的非线性晶体，目前国内外普遍采用大刀盘飞刀单点金刚石车削(SroT)的方法对该材料进行加工。然面，由于主轴轴线与工件始终垂直，主轴在竖直方向的周期性运动反应在工件的表面上就形成了周期性的纵向条纹，该条纹如果落在PSDl的评价区间(2. 5mm-33mm)，极易导致PSDl评价指标的不合格，导致KDP晶体的损伤，甚至整套系统的崩溃性破坏，是必须控制的加工误差。
发明内容
本发明目的是为了解决现有的SPDT法在加工大尺寸光学元件时波纹度误差、频域评价指标PSDl难以保证的问题，提供了一种单点金刚石铣削法加工大尺寸光学元件的表面波纹度控制方法。本发明所述单点金刚石铣削法加工大尺寸光学元件的表面波纹度控制方法，该方法是基于加工机床实现的，所述加工机床包括机座、横梁、联接螺栓、主轴、两个立柱和三个调平垫体，左侧立柱和横梁之间设置两个调平垫体，右侧立柱和横梁之间设置一个调平垫体，每个调平垫体具有三个楔形球面支撑体，所述三个楔形球面支撑体的上表面与横梁的下表面相接触，调平垫体和横梁之间通过联接螺栓固定，该方法包括以下步骤步骤一利用加工机床对大尺寸光学元件U进行第一次粗加工；步骤二 利用干涉仪检测加工后的大尺寸光学元件的纵条纹数目及PSDl值，根据大尺寸光学元件的纵条纹数目获取纵向条纹的空间周期T ；
步骤三通过纵向条纹的空间周期T及PSDl值判断加工机床的刚度是过高还是过低，决定调整方向，当T彡33mm,且PSDl > 15nm2 · mm时,表明加工机床的刚度过低,执行步骤四；当T < 33mm,且PSDl > 15nm2 · mm时,表明加工机床的刚度过高,执行步骤五；当PSDl ( 15nm2 · mm时，满足频域指标加工要求，表明加机床的刚度正常，完成单点金刚石铣削法加工大尺寸光学元件U的波纹度误差及频域指标PSDl的控制；步骤四增大横梁与调平垫体的三个楔形球面支撑体之间的平均压力，然后执行步骤六；步骤五减小横梁与调平垫体的三个楔形球面支撑体之间的平均压力或接触刚 度，然后执行步骤六；步骤六对大尺寸光学元件U进行二次超精密加工，步骤七再利用干涉仪重新检测所述大尺寸光学元件U的PSDl值，步骤八判断步骤七检测获得的PSDl是否满足聚变系统要求PSDl ( 15nm2 · mm ；如果不满足，返回步骤二，进行再次调整加工；如果满足，完成单点金刚石铣削法加工大尺寸光学元件U的波纹度误差及频域指标PSDl的控制。本发明的优点本发明能够实现单点金刚石车削光学元件波纹度的精确检测与控制；本发明通过调整支撑体与横梁之间的接触刚度，通过改变机床的固有频率达到对工件波纹度(纵向条纹)控制的目的，与干涉仪配合使用实现了被加工的大尺寸光学元件的波纹度误差及频域指标PSDl控制在聚变系统要求的范围内；本发明的方法实现了波纹度误差的控制，该控制原理简单，操作安全，结果可靠，对ICF工程具有重要意义。
图I是本发明所述单点金刚石铣削法加工大尺寸光学元件的表面波纹度控制方法的流程图；图2是本发明方法利用的现有加工机床的结构示意图；图3是本发明中检测到的大尺寸光学元件纵向条纹的示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一下面结合图I至图3说明本实施方式，本实施方式所述单点金刚石铣削法加工大尺寸光学元件的表面波纹度控制方法，该方法是基于加工机床实现的，所述加工机床包括机座I、横梁2、联接螺栓3、主轴4、两个立柱5和三个调平垫体6，左侧立柱5和横梁2之间设置两个调平垫体，右侧立柱5和横梁2之间设置一个调平垫体6，每个调平垫体6具有三个楔形球面支撑体，所述三个楔形球面支撑体的上表面与横梁2的下表面相接触，调平垫体6和横梁2之间通过联接螺栓3固定，该方法包括以下步骤步骤一利用加工机床对大尺寸光学元件U进行第一次粗加工；步骤二 利用干涉仪检测加工后的大尺寸光学元件的纵条纹数目及PSDl值，根据大尺寸光学元件的纵条纹数目获取纵向条纹的空间周期T ；步骤三通过纵向条纹的空间周期T及PSDl值判断加工机床的刚度是过高还是过低，决定调整方向，当T彡33mm,且PSDl > 15nm2 · mm时,表明加工机床的刚度过低,执行步骤四；当T < 33mm,且PSDl > 15nm2 · mm时,表明加工机床的刚度过高,执行步骤五；当PSDl ( 15nm2 · mm时，满足频域指标加工要求，表明加机床的刚度正常，完成单点金刚石铣削法加工大尺寸光学元件U的波纹度误差及频域指标PSDl的控制；步骤四增大横梁2与调平垫体6的三个楔形球面支撑体之间的平均压力，然后执行步骤六；步骤五减小横梁2与调平垫体6的三个楔形球面支撑体之间的平均压力或接触 刚度，然后执行步骤六；步骤六对大尺寸光学元件U进行二次超精密加工，步骤七再利用干涉仪重新检测所述大尺寸光学元件U的PSDl值，步骤八判断步骤七检测获得的PSDl是否满足聚变系统要求PSDl ( 15nm2 · mm ；如果不满足，返回步骤二，进行再次调整加工；如果满足，完成单点金刚石铣削法加工大尺寸光学元件U的波纹度误差及频域指标PSDl的控制。本实施方式中，用来测定元件纵向条纹及频域指标PSDl的干涉仪为美国Veeco公司生产的激光数字干涉仪，其利用干涉方法实时快速检测平面、球面面形，光学部分采用非索干涉原理，数字处理部分采用位相法和条纹法两种方法进行干涉图判读，重复精度可达1/100波长峰谷值。本实施方式中，所采用的Veeco干涉仪对震动非常敏感，实际测量时需采取相关隔震措施。本实施方式中的所才采用的垫片要求平面度良好，可采用研磨获得。
具体实施方式
二 本实施方式对实施方式一作进一步说明，步骤四中通过增加联接螺栓3的预紧力来增大横梁2与调平垫体6的三个楔形球面支撑体之间的平均压力，每次增加的预紧力为30牛顿 50牛顿。
具体实施方式
三本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，步骤五中通过减小联接螺栓3的预紧力来减少横梁2与调平垫体6的三个楔形球面支撑体之间的平均压力，每次减小的预紧力为30牛顿 50牛顿。
具体实施方式
四本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，步骤五中通过在横梁2与调平垫体6的三个楔形球面支撑体之间的接触面上放置小型垫片减小二者之间的接触面积，进而减少横梁2与调平垫体6的三个楔形球面支撑体之间的接触刚度，每次每个楔形球面支撑体与横梁2之间增加I 2个小型垫片，每个小型垫片的厚度为O. Icm
O.5cm。
权利要求
1.单点金刚石铣削法加工大尺寸光学元件的表面波纹度控制方法，该方法是基于加工机床实现的，所述加工机床包括机座(I)、横梁(2)、联接螺栓(3)、主轴(4)、两个立柱(5)和三个调平垫体￠)，左侧立柱(5)和横梁(2)之间设置两个调平垫体，右侧立柱(5)和横梁(2)之间设置ー个调平垫体￠)，每个调平垫体(6)具有三个楔形球面支撑体，所述三个楔形球面支撑体的上表面与横梁(2)的下表面相接触，调平垫体(6)和横梁(2)之间通过联接螺栓(3)固定，其特征在于，该方法包括以下步骤 步骤ー利用加工机床对大尺寸光学元件(U)进行第一次粗加工； 步骤ニ 利用干渉仪检测加工后的大尺寸光学元件的纵条纹数目及PSDl值，根据大尺寸光学元件的纵条纹数目获取纵向条纹的空间周期T ； 步骤三通过纵向条纹的空间周期T及PSDl值判断加工机床的刚度是过高还是过低，决定调整方向， 当T彡33mm，且PSDl > 15nm2 · mm时，表明加工机床的刚度过低，执行步骤四； 当T < 33mm,且PSDl > 15nm2 · mm时,表明加工机床的刚度过高,执行步骤五； 当PSDl ^ 15nm2 · mm吋，满足频域指标加工要求，表明加机床的刚度正常，完成单点金刚石铣削法加工大尺寸光学元件(U)的波纹度误差及频域指标PSDl的控制； 步骤四増大横梁(2)与调平垫体(6)的三个楔形球面支撑体之间的平均压力，然后执行步骤六； 步骤五减小横梁(2)与调平垫体￠)的三个楔形球面支撑体之间的平均压カ或接触刚度，然后执行步骤六； 步骤六对大尺寸光学元件(U)进行二次超精密加工， 步骤七再利用干涉仪重新检测所述大尺寸光学元件(U)的PSDl值， 步骤八判断步骤七检测获得的PSDl是否满足聚变系统要求PSDl ( 15nm2 · mm ； 如果不满足，返回步骤ニ，进行再次调整加工； 如果满足，完成单点金刚石铣削法加工大尺寸光学元件(U)的波纹度误差及频域指标PSDl的控制。
2.根据权利要求I所述单点金刚石铣削法加工大尺寸光学元件的表面波纹度控制方法，其特征在于，步骤四中通过增加联接螺栓(3)的预紧カ来増大横梁(2)与调平垫体(6)的三个楔形球面支撑体之间的平均压力，每次增加的预紧カ为30牛顿 50牛顿。
3.根据权利要求I所述单点金刚石铣削法加工大尺寸光学元件的表面波纹度控制方法，其特征在于，步骤五中通过减小联接螺栓(3)的预紧カ来減少横梁(2)与调平垫体(6)的三个楔形球面支撑体之间的平均压力，每次减小的预紧カ为30牛顿 50牛顿。
4.根据权利要求I所述单点金刚石铣削法加工大尺寸光学元件的表面波纹度控制方法，其特征在于，步骤五中通过在横梁(2)与调平垫体(6)的三个楔形球面支撑体之间的接触面上放置小型垫片减小二者之间的接触面积，进而減少横梁(2)与调平垫体￠)的三个楔形球面支撑体之间的接触刚度，毎次每个楔形球面支撑体与横梁(2)之间增加I 2个小型垫片，姆个小型垫片的厚度为O. Icm O. 5cm。
全文摘要
单点金刚石铣削法加工大尺寸光学元件的表面波纹度控制方法，属于大尺寸脆性光学元件超精密加工领域，本发明为解决现有的SPDT法在加工大尺寸光学元件时波纹度误差、频域评价指标PSD1难以保证的问题。本发明该方法包括一粗加工；二获取纵向条纹的空间周期T；三判断加工机床的刚度，刚度过低，执行四；刚度过高，执行五；四增大横梁与调平垫体之间的平均压力，然后执行六；五减小横梁与调平垫体之间的平均压力或接触刚度，然后执行六；六二次超精密加工，七重新检测PSD1值，八判断PSD1≤15nm2·mm是否成立；不成立，返回二；成立，完成单点金刚石铣削法加工大尺寸光学元件U的波纹度误差及频域指标PSD1的控制。
文档编号B28D1/18GK102837367SQ20121036141
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月25日 优先权日2012年9月25日
发明者梁迎春, 陈万群, 孙雅洲, 张强, 刘海涛, 孙阳, 陈国达, 苏浩 申请人:哈尔滨工业大学