一种确定性抛光Wolter-I型光学芯轴的方法技术

本发明专利技术公开了一种确定性抛光Wolter‑I型光学芯轴的方法，所述方法包括如下步骤：(1)确定去除高度和抛光球的球径；(2)确定接触区域半径并计算出接触压力；(3)确定Preston系数；(4)计算抛光球球心的运动轨迹和各个抛光点处的驻留时间；(5)编写数控加工程序，实现弹性球体抛光工具运动轨迹的控制，并通过数控延时指令对弹性球体抛光工具在抛光点处的驻留时间t进行控制；(6)在弹性球体抛光工具表面贴附抛光布，选择合适的抛光液按照预先计算的抛光参数进行芯轴表面抛光。本发明专利技术的抛光方法可将球形抛光工具集成到车削加工设备中，实现芯轴车削和抛光加工的一次完成，提高芯轴加工精度和加工效率。

A deterministic polishing method for Wolter-I optical mandrel

The invention discloses a method for determining a deterministic polishing Wolter I optical core axis. The method comprises the following steps: (1) determining the ball diameter of the removal height and the polished ball; (2) determining the radius of the contact area and calculating the contact pressure; (3) determining the Preston coefficient; (4) counting the trajectory of the ball center of the polished ball and the stationing of each polishing point. 5. (5) write the NC program to control the trajectory of the elastic ball polishing tool and control the standing time of the elastic ball polishing tool at the polishing point through the numerical control delay instruction; (6) attach the polishing cloth to the surface of the elastic ball polishing tool and select the suitable polishing liquid for the beforehand calculation. The optical parameters are polished on the surface of the core axis. The polishing method of the invention can integrate the spherical polishing tool into the turning equipment, realize the completion of the core axle turning and polishing processing, and improve the machining precision and the processing efficiency of the core shaft.

【技术实现步骤摘要】
一种确定性抛光Wolter-I型光学芯轴的方法
本专利技术属于光学和精密制造
，涉及一种Wolter-I型光学芯轴的抛光方法，尤其涉及一种采用弹性球形抛光工具确定性抛光Wolter-I型光学芯轴的方法。
技术介绍
下一代光刻机中将使用优选波长13.5nm的极紫外光(EUV：ExtremeUltraviolet)作为光源，这种短波长的光需要使用专用的高效光学反射镜进行收集，反射镜的结构通常采用基于X射线掠入射光学设计的Wolter-Ⅰ型设计形式。Wolter-Ⅰ型反射镜是由两个同轴共焦的轴对称非球面组合而成，通常非球面的陡度(或长径比)较大。由于直接加工内凹陡峭轴对称非球面的技术难度较大，因此，目前国际上常采用复制方法制造高精度Wolter-Ⅰ型反射镜。复制制造的主要工艺流程包括：制造Wolter-Ⅰ型原始芯轴、检验芯轴尺寸、芯轴表面化学镀镍磷合金、金刚石精密车削芯轴、检验芯轴尺寸和表面轮廓形状、抛光芯轴、检验芯轴表面粗糙度、使用芯轴复制反光膜层、电铸工艺制造镜壳、分离芯轴与镜壳等多道工艺环节。其中芯轴的精密车削加工和精密抛光加工是决定芯轴制造质量的关键工艺环节，通常需要在超精密车削设备和超精密抛光设备上分别进行，一是增加了芯轴的制造成本，二是多次装夹芯轴会引入装夹误差。显然，芯轴表面的加工质量对反射镜的复制至关重要，尤其是抛光后的芯轴表面粗糙度会增加EUV光线的反射损耗，降低反射率。目前的超精密抛光技术主要是指计算机控制光学表面(CCOS：ComputerControlledOpticalSurfacing)成形技术，包括应力盘抛光(StressLapPolishing)、离子束抛光(IBF：IonBeamFiguring)、磁流变抛光(MRF：MagnetorheologicalFinishing)、磁射流抛光(MRJet：MagnetorheologicalJet)、磨料喷射抛光(AJP：AbrasiveJetPolishing)、流体喷射抛光(FJP：FluidJetPolishing)、气囊抛光(BonnetToolPolishing))和进动气囊抛光(PrecessedBonnetPolishing)等技术，其中：应力盘抛光技术主要针对大口径非球面镜的制造，应力盘的直径一般为镜面口径的1/4，易于修改被加工表面产生的低频偏差，并能有效减少或避免计算机控制小工具抛光引起的中、高频误差。离子束抛光技术虽然能够提供更高的材料去除率和非常好的重复性，不存在刀具磨损和边缘效应等问题，可以很好的校正长空间波长误差，并产生超好的表面，但是它对抛光材料具有很强的选择性，且离子束源须在真空中操作，可能在工件表面产生高温，因此常用的金刚石车削材料，如包括化学镀镍磷合金在内的有色金属和塑料并不适用于离子束抛光。磁流变和磁射流抛光技术的优点是确定性和较高的材料去除率，主要用于抛光玻璃或晶体材料等折射光学元件，而且磁射流抛光技术可以解决陡峭凹面和深腔的高精度精加工问题，然而市售的抛光液主要用于抛光光学玻璃，对于化学镀镍磷合金表面抛光后的粗糙度难以达到优异的值。流体喷射抛光技术可以根据不同的抛光对象合理的选择适合的磨料及混合液体的配比，而且不存在刀具磨损和边缘效应，在去除金刚石车削痕迹的同时不会损坏表面轮廓形状，可以抛光玻璃和镍等多种材料，但是抛光效率较低，而且有可能导致晶粒从基材中无意脱落以及磨料颗粒嵌入到基材中而污染表面等问题。进动气囊抛光技术是一种主动控制，不同于传统气囊抛光的“简单旋动”，在该方法中，用于计算球形刀具旋动平面的表面切线方向允许围绕抛光点的中心旋转，具有较高的去除效率和良好的抛光效果，但是气囊除了自转之外，还要做进动旋转，而且抛光点的接触压力需要通过控制气囊内的气压来调节，抛光的控制过程较为复杂。另外，气囊抛光系统的结构较为复杂，有时会发生气囊失稳现象以及出现工具姿态与模具表面干涉问题，不便于集成在超精密车削机床上，以实现超精密车削和抛光工艺过程的一次完成。综上所述，Wolter-Ⅰ型化学镀镍磷合金芯轴表面的高精度抛光是困难的，专用的超精密确定性抛光设备十分昂贵，而且适合化学镀镍磷合金表面高精度抛光的方法较少。
技术实现思路
本专利技术针对降低金刚石车削之后的Wolter-Ⅰ型光学芯轴表面粗糙度的问题，提供了一种确定性抛光Wolter-I型光学芯轴的方法，其目的在于降低抛光成本，以及在Wolter-Ⅰ型芯轴装夹后车削和抛光一次完成，提高芯轴制造精度和效率。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种确定性抛光Wolter-I型光学芯轴的方法，包括如下步骤：(1)采用弹性球体作为抛光工具，根据金刚石车削后芯轴表面粗糙度的检验结果确定去除高度h，参考车削加工参数和抛光后的表面粗糙度要求由以下公式确定抛光球的球径rq：式中：σ为抛光后芯轴表面粗糙度，ζ为最大去除材料的区域半径；(2)根据弹性球体的形变确定接触区域半径a(a≥ζ)，并通过以下公式计算出接触压力F：式中：rq为球体半径(mm)，μ1为球体材料的泊松比，E1为球体材料的弹性模量(N/mm2)，μ2为平面材料的泊松比，E2为平面材料的弹性模量(N/mm2)；(3)选择一个固定的抛光点P，在n、Yp、F、a恒定的情况下，根据不同的抛光时间t和去除高度h由以下公式通过实验确定Preston系数K：式中，t为抛光时间，n为芯轴转速(rpm)，Yp为芯轴上P点对应的径向截面圆的半径，h(x,y)为抛光t时间后，点(x,y)处被去除的材料高度，F为接触正压力(N)；(4)通过以下公式计算抛光球球心的运动轨迹：式中：m为抛光点的个数，θi为轴对称非球面子午轮廓线上第i个抛光点对应的法线与非球面对称轴的夹角，Xi、Yi为轴对称非球面子午轮廓线上第i个抛光点处的横纵坐标值；通过以下公式计算各个抛光点处的驻留时间tp：(5)编写数控加工程序，实现弹性球体抛光工具运动轨迹的控制，并通过数控延时指令对弹性球体抛光工具在抛光点处的驻留时间t进行控制；(6)在弹性球体抛光工具表面贴附抛光布，选择合适的抛光液按照预先计算的抛光参数进行芯轴表面抛光。本专利技术具有如下优点：1、目前Wolter-I型复制用芯轴的制造工艺主要包括：芯轴的粗加工、芯轴表面化学镀镍磷合金、芯轴的精密车削加工、芯轴的检验和精密抛光加工，其中芯轴的精密车削加工和精密抛光加工是决定芯轴制造质量的关键工艺环节，通常需要在超精密车削设备和超精密抛光设备上分别进行，一是增加了芯轴的制造成本，二是多次装夹芯轴会引入装夹误差。因此，相比于现有方法，本专利技术的抛光方法可将球形抛光工具集成到车削加工设备中，实现芯轴车削和抛光加工的一次完成，提高芯轴加工精度和加工效率。如图5所示，具体过程如下：(1)金刚石精密车削Wolter-I型芯轴表面；(2)在位检测车削后芯轴表面加工质量；(3)将车削刀具更换为球形抛光工具，根据表面粗糙度检验结果对芯轴表面进行确定性抛光；(4)在位检测抛光后芯轴表面粗糙度，如果合格则芯轴制造完成。2、本专利技术的方法可用于复制制造Wolter-I型极紫外光学收集镜的芯轴的精密抛光，以及高陡度光学元件的精密抛光和Wolter-I型掠入射光学元件表面的精密抛光。附图说明图1为球形工具抛光芯轴原理；图2为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种确定性抛光Wolter‑I型光学芯轴的方法，其特征在于所述方法步骤如下：(1)采用弹性球体作为抛光工具，根据金刚石车削后芯轴表面粗糙度的检验结果确定去除高度h，参考车削加工参数和抛光后的表面粗糙度要求由以下公式确定抛光球的球径rq：

【技术特征摘要】
1.一种确定性抛光Wolter-I型光学芯轴的方法，其特征在于所述方法步骤如下：(1)采用弹性球体作为抛光工具，根据金刚石车削后芯轴表面粗糙度的检验结果确定去除高度h，参考车削加工参数和抛光后的表面粗糙度要求由以下公式确定抛光球的球径rq：式中：σ为抛光后芯轴表面粗糙度，ζ为最大去除材料的区域半径；(2)根据弹性球体的形变确定接触区域半径a，并通过以下公式计算出接触压力F：式中：rq为球体半径，μ1为球体材料的泊松比，E1为球体材料的弹性模量，μ2为平面材料的泊松比，E2为平面材料的弹性模量；(3)选择一个固定的抛光点P，在n、Yp、F、a恒定的情况下，根据不同的抛光时间t和去除高度h由以下公式通过实验确定Preston系数K：式中，t为抛光时间，n为芯轴转速，Yp为芯轴上P点对应的径向截面圆的半径，h(x,y)为抛光t时间后，点(x,y)处被去除的材料高度，F为接触正压力；(4)通过以下公...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔繁星，孙涛，王骐，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23