[发明专利]自由曲面光学零件的大气等离子体数控加工方法

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

大口径复杂曲面光学零件，例如连续位相板等的表面峰谷值较大并且表面空间周期变化也很大，若加工时选择尺寸较小的去除函数，可以保证较高的加工精度，但是去除率较低；而若选择尺寸较大的去除函数时, 可以获得较高的加工效率, 但加工后的残留误差较大。目前此类零件的制造一般采用磁流变抛光方法和数控化学抛光方法。磁流变抛光方法中，虽然以剪切力为主、压力为辅，几乎不产生亚表面损伤层，并且该方法可以获得1mm的最小空间分辨率，但是该方法对抛光距离(抛光模与镜面法向间隙)仍然比较敏感。而数控化学抛光方法虽然采用纯化学刻蚀机制，可以避免在加工过程中产生亚表面缺陷，但其加工的最小空间分辨率为5mm，根据采样定理，该加工方法只能实现对空间周期>10mm的表面的精确修形。

发明内容

本发明的目的是提供一种自由曲面光学零件的大气等离子体数控加工方法，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：所述的一种自由曲面光学零件的大气等离子体数控加工方法，它的步骤方法是：

步骤一：在五轴联动机床的绝缘工作架上安装有大口径的等离子体炬或中口径的等离子体炬或小口径的等离子体炬，大口径的等离子体炬或中口径的等离子体炬或小口径的等离子体炬可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地电极上，地电极固定在五轴联动机床的水平运动工作台上；将地电极接地作为大气等离子体放电的阴极；当绝缘工作架上安装有大口径的等离子体炬时，大口径的等离子体炬的进气端口可通过绝缘工作架上的导气孔、气管与混合等离子体气源导气连通；当绝缘工作架上安装有中口径的等离子体炬时，中口径的等离子体炬的进气端口可通过绝缘工作架上的导气孔、气管与混合等离子体气源导气连通；当绝缘工作架上安装有小口径的等离子体炬时，小口径的等离子体炬的进气端口可通过绝缘工作架上的导气孔、气管与混合等离子体气源导气连通；

步骤三：使大口径的等离子体炬的放电工作面或中口径的等离子体炬的放电工作面或小口径的等离子体炬的放电工作面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；

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0.5 L/min -5 L/min，反应气体流量为10 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：当大口径的等离子体炬的放电工作面或中口径的等离子体炬的放电工作面或小口径的等离子体炬的放电工作面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，使大口径的等离子体炬的放电工作面或中口径的等离子体炬的放电工作面或小口径的等离子体炬的放电工作面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待加工表面相应位置的期望去除量，使大口径的等离子体炬或中口径的等离子体炬或小口径的等离子体炬进行多自由度运动，并且控制其在待加工光学零件的待加工表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，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。

本发明采用三种不同口径的等离子体炬对大口径复杂曲面光学零件进行大气等离子体加工。大气等离子体加工是基于原子间的化学反应，可以避免接触应力造成的表层及亚表层损伤。本发明综合考虑加工效率和加工精度两个方面的因素，加工时先采用大口径的大面积等离子体炬进行大去除量的修形，然后采用中口径的同轴等离子体炬(单位去除函数是半高宽为6mm的高斯型)进行较大空间周期面形的修形，最后再采用小口径的微孔电极炬(单位去除函数是半高宽为0.5mm的高斯型)进行较小空间周期面形的修形，从而达到对大口径复杂曲面光学零件进行高效精确修形的目的。

本发明还具有的优点为：

1. 本发明采用大气等离子体加工，避免了传统接触式研抛方法造成的表面残余应力及亚表层损伤等问题；