[发明专利]水电极大气等离子体加工大口径非球面光学零件的方法

说明书

技术领域

本发明属于等离子体加工大口径非球面光学零件的技术领域。

背景技术

目前，对于大口径非球面光学零件的加工要求越来越高，不仅要求较高的面形精度、较低的表面粗糙度、无表层和亚表层损伤，而且要求提高加工效率。目前此类超光滑表面的获得方法主要是采用计算机控制小工具抛光的方法，如气囊抛光、磁流变抛光等，这些抛光技术虽然可以获得较高的面形精度和较低的表面粗糙度，但是加工周期长、效率低，而且可能会造成一定程度的表层和亚表层损伤。而大气等离子体加工是基于活性粒子与工件表面原子之间的化学反应，生成易于处理的挥发性物质，从而实现材料的无损伤去除。目前，大气等离子体加工主要采用基于CCOS原理的小孔径工具加工的方法，仍然存在加工效率较低的问题。作为一种解决方法，采用大面积成形电极的电容耦合式的大气等离子体加工方法可以实现较高的加工效率。然而，大面积成形电极放电比较容易产生放电不均匀的现象，从而导致对大口径光学零件的修形效果不甚理想。另外，大面积成形电极之间的相对运动难以实现，对工件的加工范围固定，因此加工灵活性较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种水电极大气等离子体加工大口径非球面光学零件的方法，为了解决高精度大口径非球面光学零件的加工效率和表面质量问题。

所述的目的是通过以下方案实现的：所述的一种水电极大气等离子体加工大口径非球面光学零件的方法，它的步骤方法是：

步骤一：将成形电极的上端面绝缘连接在升降装置的竖直运动工作架上，使成形电极与射频电源的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极；

步骤二：将待加工光学零件装卡在夹具上，在待加工零件的下方设置有直线排列的一排喷头，所有喷头都设置在多自由度运动工作台上，所有喷头的进水口都连接水泵的出水口，使待加工光学零件的下端面与所有喷头的喷嘴口之间有一定的间隙，间隙的距离为1mm-50mm；根据去除函数半高宽的要求，所有喷头的喷嘴口的直径可在0.5mm-50mm范围内调节；所有喷头喷出的水都通过喷头接地作为大气等离子体放电的阴极；

步骤三：使成形电极靠近待加工光学零件的待加工表面，并使它们之间保持一定的放电间隙，放电距离范围为2mm-5mm；放电间隙附近设置有出气管，出气管的进气端口与混合等离子体气源的出气端口导气连通；

步骤四：预热射频电源和混合等离子体气源中的气体质量流量控制器，预热时间为5-10分钟；然后打开混合等离子体气源，使离子体气体的流量为2 L/min -5 L/min，反应气体流量为20 ml/min- 90 ml/min，辅助气体与反应气体流量的比例为0%-50%；

步骤五：当成形电极和待加工光学零件的待加工表面之间的放电间隙内充满等离子体气体、反应气体与辅助气体的混合气体后，启动水泵，使喷头喷水，其水的电导率为125μs/cm-1250 μs/cm，水的压力为0.1MPa-0.5MPa，使所有喷头喷出的水都喷射到待加工光学零件的下端面上，启动射频电源，逐步增加射频电源的功率，使功率达到200W-400W，同时控制射频电源的反射功率为零，在射频电源工作的过程中持续稳定的通入混合气体，使成形电极和待加工光学零件的待加工表面之间的放电间隙产生稳定的等离子体放电；

步骤六：根据待加工光学零件的表面相应位置的期望去除量，使直线排列的所有喷头进行左右移动和前后移动，形成直线光栅式的扫描路径，并且控制所有喷头喷射出的水在待加工光学零件的下端面上不同位置的驻留时间；

步骤七：待加工完成后，关闭射频电源的电源，关闭混合等离子体气源，关闭水泵，停止喷头喷水，取出待加工光学零件，对加工去除深度进行测量，以判断是否达到加工要求。

本发明采用直线式排列的水射流作为电极来进行等离子体加工，水射流可以保证在每条直线上的放电特性相同，避免放电不均匀的问题。水射流的加工口径容易调节，可以实现不同曲率半径光学零件表面的加工，而且可以根据需要加工的范围选择水射流喷头的个数，需要大面积修形时选择多个喷头，需要局部修形时可以选择单个喷头，加工灵活性好。水射流可以进行多自由度运动，可以通过调节水射流的位置来控制放电的位置，通过控制相应位置水喷射的时间来控制加工去除量。另外，水射流不仅可以作为放电电极，而且可以起到冷却作用，能有效控制大气等离子体加工过程中的热效应、降低温度对去除率的影响，从而获得稳定的去除函数。因此，本发明采用直线式排列的水射流作为电极对大口径非球面光学零件表面进行修形，从而获得期望的面形。

本发明还具有的优点为：