一種光學(xué)零件高精度平面的修形加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)零件加工技術(shù)領(lǐng)域，具體來說是一種光學(xué)零件高精度平面的修形 加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 平面光學(xué)元件是光學(xué)系統(tǒng)的重要組成部分，比如望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中的平面反射鏡、拋 物面鏡檢驗(yàn)系統(tǒng)中的平面標(biāo)準(zhǔn)鏡等。在這些系統(tǒng)中，平面光學(xué)元件的精度影響著系統(tǒng)的成 像質(zhì)量和檢測結(jié)果。近年來，隨著光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)系統(tǒng)中的光學(xué)元件不斷呈現(xiàn)出數(shù) 量多和口徑大的趨勢，如大型天文望遠(yuǎn)鏡、高功率激光裝置等。以美國國家點(diǎn)火裝置（NIF) 為例，是一項(xiàng)龐大而又復(fù)雜的巨型光學(xué)工程，其對光學(xué)元件的要求無論是質(zhì)量上還是數(shù)量 上都是空前的，192路光束共需約7500件42cmX42cm以上尺寸的大口徑光學(xué)元件，再加上 備份元件和小口徑元件總計(jì)共需約30000件光學(xué)元件，這其中就包含了大量的平面光學(xué)元 件。隨著平面光學(xué)元件口徑的不斷增大，其加工難度和成本也在不斷提升。
[0003] 以碳化硅陶瓷為代表的顆粒復(fù)合材料因具有密度低、比剛度高、膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱 性能好、線膨脹系數(shù)均勻、熱性能和機(jī)械性能各向同性等諸多方面的優(yōu)點(diǎn)，使其在光學(xué)系統(tǒng) 中有著很好的應(yīng)用前景，以該類材料制作的反射鏡具有高強(qiáng)度的機(jī)械性能，能夠做成高度 輕量化的輕型結(jié)構(gòu)鏡，從而大幅降低系統(tǒng)的質(zhì)量。碳化娃陶瓷材料也有自身的缺陷，一方 面，碳化硅表面致密程度遠(yuǎn)不如玻璃材料，殘留的氣孔等缺陷會使拋光后的碳化硅表面粗 糙度僅能達(dá)到3~4nm(RMS)，不能滿足高精度反射鏡所需的表面粗糙度優(yōu)于lnm(RMS)的技 術(shù)指標(biāo)要求。另一方面，由于碳化硅的硬度和化學(xué)穩(wěn)定性都很高，加工效率較低。為了獲得 高精度的反射鏡，一般先將碳化硅基底加工到一定精度后，再對其表面進(jìn)行改性，即在碳化 硅表面鍍制一層致密的改性層用以覆蓋碳化硅表面缺陷及改善其可加工性，最后，對碳化 硅表面改性層加工得到高精度反射鏡。
[0004] 傳統(tǒng)加工方法采用瀝青盤環(huán)拋方式獲得高精度平面，在加工過程中需要對表面不 斷進(jìn)行測量并調(diào)整工藝參數(shù)，是一種基于人工經(jīng)驗(yàn)的不確定加工方法。由于去除余量的不 確定，表面的改性層要鍍制的足夠厚，以防止在表面加工到指定精度時改性層過薄甚至完 全被拋掉。而較厚的鍍層厚度不僅增加鍍制的時間和成本，而且會在改性層內(nèi)部產(chǎn)生較大 的殘余應(yīng)力，影響到改性層的力學(xué)穩(wěn)定性。
[0005] 為了克服傳統(tǒng)光學(xué)平面加工存在的非確定加工問題，目前高端光學(xué)元件采用以計(jì) 算機(jī)控制拋光技術(shù)為代表的局部修形加工技術(shù)。該類技術(shù)不僅可以進(jìn)行高精度平面零件的 確定性修形加工，而且也能勝任曲面零件的修形加工。但由于采用局部修形加工的方式，該 類技術(shù)存在以下問題：加工效率較低，最終加工零件表面存在中高頻誤差，會對光學(xué)性能產(chǎn) 生影響，需要額外的光順工藝去除中高頻誤差。除計(jì)算機(jī)控制拋光之外，從原理出發(fā)對傳 統(tǒng)的拋光技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，誕生了磁流變拋光和離子束拋光等技術(shù)，特別適合于光學(xué)零件表 面的超高精度加工。磁流變拋光技術(shù)產(chǎn)生于上世紀(jì)90年代初，它是使用強(qiáng)磁場對磁流變液 進(jìn)行控制，使其形成能夠起到磨削作用的"磨頭"，磨頭的形狀和硬度都是由磁場根據(jù)被加 工的元件做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。在拋光時，通過計(jì)算機(jī)來控制拋光的軌跡和駐留時間從而使得 磨頭與工件之間可以進(jìn)行準(zhǔn)確、有效的磨削。但是，磁流變拋光的材料去除量較小，對被拋 光表面的面形精度具有較高的要求，多應(yīng)用于工件的后期拋光，在使用它之前需應(yīng)用傳統(tǒng) 的拋光技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)拋光處理。離子束拋光是利用具有一定能量的惰性氣體離子束流 轟擊工件表面，通過離子和工件表面的原子碰撞，傳遞動量和能量，使得一部分原子被剝 離工件表面，形成對工件表面材料的去除。與磁流變拋光一樣，在使用離子束拋光前也要進(jìn) 行相應(yīng)的預(yù)拋光處理，而且對加工環(huán)境要求比較嚴(yán)格，它需要在高真空的環(huán)境下工作，使得 相關(guān)設(shè)備的價格昂貴，成本尚。
[0006] 相對于基于逐點(diǎn)去除的局部修形技術(shù)，全局修形技術(shù)具有相對較高的材料去除 率，而且可以避免在工件表面產(chǎn)生高頻誤差。集成電路制造領(lǐng)域，在銅互連層的制作過程 中，為了實(shí)現(xiàn)表面多余銅材料的均勻一致去除，采用一種基于分區(qū)背壓調(diào)整材料去除率分 布的控制方法--多區(qū)壓力平坦化。這一方法實(shí)現(xiàn)了全局材料去除率的控制，理論上可用 于平面的全局修形加工，但是，該方法存在問題是：只適用于超薄零件的加工，此外，去除函 數(shù)受薄板彎曲特性限制，修形能力有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對上述問題，為解決現(xiàn)有光學(xué)零件加工方法的不足，本發(fā)明的主要目的是提供 一種光學(xué)零件高精度平面的修形加工方法，該方法主要針對平面光學(xué)零件加工，既能夠?qū)?現(xiàn)光學(xué)零件表面的確定性全局修形加工，減小去除余量，提高加工效率，避免表面高頻誤差 并降低加工成本，又可以適用于任意厚度零件的加工。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種光學(xué)零件高精度平面的修形加工方法，該方 法包括：在傳統(tǒng)化學(xué)機(jī)械拋光或機(jī)械拋光的基礎(chǔ)上，通過去除位于拋光盤上不同徑向位置 環(huán)形區(qū)域的拋光墊，并結(jié)合工藝條件控制，獲得不同的材料去除率分布曲線，根據(jù)工件表面 初始輪廓偏差，優(yōu)化各種材料去除率函數(shù)對應(yīng)工藝條件的加工時間，實(shí)現(xiàn)工件表面的修形 加工。
[0009] -種光學(xué)零件高精度平面的修形加工方法，具體包括以下步驟：
[0010] A、用修形專用拋光盤替換現(xiàn)有研磨拋光機(jī)上的整體拋光盤，所述的修形專用拋光 盤包括底座、拋光盤上盤和拋光墊，所述的底座通過銷孔連接固定在研磨拋光機(jī)的下盤上； 所述的拋光盤上盤由多個同心環(huán)組成，所述的同心環(huán)均位于底座上方，所述的同心環(huán)的徑 向?qū)挾刃∮诖庸すぜ霃降?/2 ;所述的拋光盤上盤的每一個同心環(huán)均具有獨(dú)立升降功 能，并且當(dāng)所有同心環(huán)升起后，其上表面處于同一平面；所述的拋光墊由多個同心環(huán)墊組 成，與多個同心環(huán)具有相同的形狀，通過背膠分別粘貼在每個同心環(huán)上面；
[0011] B、使修形專用拋光盤上所有同心環(huán)都處于升起狀態(tài)，通過自動或手動的方式使 其中的一個同心環(huán)下降，開始進(jìn)行拋光加工，測量對應(yīng)的材料去除函數(shù)，依次下降不同位置 的同心環(huán)進(jìn)行去除函數(shù)測量，并保存數(shù)據(jù)。材料去除函數(shù)的具體測量方式包括以下步驟：在 待加工工件表面加工三個不同徑向位置和周向位置的5-50微米深度點(diǎn)坑，以這三個點(diǎn)坑 底面構(gòu)成的平面為基準(zhǔn)面，用表面輪廓測量儀測量拋光前待加工工件表面輪廓形貌，給定 拋光壓力、上盤轉(zhuǎn)速、下盤轉(zhuǎn)速和偏心距進(jìn)行拋光加工，加工后再次以三個點(diǎn)坑底面構(gòu)成的 平面為基準(zhǔn)面測量工件表面輪廓形貌。拋光前后兩個工件表面輪廓形貌作差即為材料去除 函數(shù)，除以拋光時間得到材料去除率函數(shù)。保存不同條件下測得的材料去除率函數(shù)％ (r)， 下標(biāo)i表示不同條件下測得的值，r是待加工工件半徑方向坐標(biāo)。
[0012] C、制定全局修形加工方案，通過優(yōu)化模型計(jì)算待加工工件在不同材料去除率函數(shù) Mjr)對應(yīng)工藝條件下的加工時間^得出全局修形加工方案。所述優(yōu)化模型的優(yōu)化變量為 各材料去除率函數(shù)對應(yīng)工藝條件下的加工時間h，目標(biāo)函數(shù)為修形加工材料總?cè)コ枯喞?與待加工工件表面待加工余量輪廓的相對形狀偏差最小化，約束條件為所述加工時間^均 為正數(shù)，以及總加工時間不超過給定時間T。
[0013] 所述的優(yōu)化模型計(jì)算的方法包括以下步驟：測量待加工工件表面初始形貌函數(shù) hjr)，計(jì)算加工余量hjr)為初始表面輪廓形貌函數(shù)hjr)和目標(biāo)面表面輪廓形貌函數(shù)ht(r)的差，選擇與加工余量曲線11|11(1·)具有相似分布趨勢的材料去除率函數(shù)％(!)，在徑向 方向均勻取5-50個點(diǎn)，以這些點(diǎn)的偏差量最小化為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，偏差量以幾何平均值計(jì) 算。數(shù)學(xué)優(yōu)化模型如下：
[0018] 上述優(yōu)化模型中，4是用于計(jì)算偏差量的徑向坐標(biāo)位置，J是偏差量，約束條件中 要求對應(yīng)每一種材料去除率函數(shù)的工藝條件下，加工時間h要大于0,總加工時間不超過 To
[0019] D、利用上述算法得出的全局修形加工方案對待加工工件進(jìn)行實(shí)際修形加工。加工 后測量待加工工件表面輪廓形貌，若不滿足加工需求，重復(fù)步驟C，對該工件表面再次進(jìn)行 修形加工，直到待加工工件符合加工要求。
[0020] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0021] 1、由于本發(fā)明的拋光盤上盤由