大口径平面光学元件的快速抛光横移式加工方法技术

大口径平面光学元件的快速抛光横移式加工方法，涉及一种大口径平面光学元件。提供一种大口径平面光学元件的快速抛光横移式加工方法。采用数控抛光机床，设有抛光盘、抛光垫、真空薄膜、工件旋转轴、修整轮、修整轮轴和工作横移轴。选择加工方式，设定加工参数，利用空间坐标变换和傅立叶级数计算工件相对抛光盘速度的步骤；利用压强分布表面模型计算工件横移过程中的压强分布，对工件一个横移加工周期进行线性切割，结合普林斯顿公式得到工件不同半径上点的材料去除率的步骤；计算工件上不同半径上点露出抛光盘和落入不同压强区域的几率，采用比值对所得材料去除率加权赋值，预测加工后工件面型变化趋势，加工后检测结果与预测相符合的步骤。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种大口径平面光学元件，尤其是涉及一种大口径平面光学元件的快速抛光 横移式加工方法。
技术介绍
目前大尺寸高精密光学元件的加工受到国内外的重视，如何使高精度大口径光学元件， 特别是大口径平面和非球面元件实现高效批量化加工，是摆在光学制造领域的一个重要课题， 也是对目前光学制造领域的一次严峻挑战。(参见文献1、朱海波，"大口径平面元件的数控抛光技术研究,".工学硕士学位论文，四川大学，2005; 2、 J. Luo and D. A. Dornfeld， "Material removal mechanism in chemical mechanical polishing: theory and modeling," . IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing, Vol. 14, No, 2, 112-123， 2001 )。大口径平面光学元件在经过粗磨、细磨或者精密磨削阶段后，要求经过抛光，以提高工 件表面面型精度、降低表面粗糙度和亚表面缺陷。传统的初抛和环形抛光都是机械化学抛光 (CMP)过程，可以满足工件加工要求，但是需要熟练工程师靠经验操作来得到所需的工件 面型，耗费较多时间，降低了生产效率。初抛和环形抛光这两个工序又都是承上启下的工序， 加工出来的结果对其后工序的加工效果和效率有极大的影响。因此有必要改进初抛和环形抛 光的加工工艺，提高加工效率和加工精度，预测和控制面型变化趋势，加工出对数控抛光有 利的表面形貌。快速抛光横移式加工方法可以极大的提高加工效率，材料去除率(Material Removal Rate, MRR)可达5 10um/h，是初抛的8 10倍，与环形抛光相比，又可以叫准确地预测和控制工 件面型的变化趋势。快速抛光横移式加工方法，利用在横移过程中工件和抛光盘接触区压强 分布的不均匀性，实现工件材料整体上的不均匀去除，从而得到所需的工件面型精度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对大口径平面光学元件抛光加工中效率低、较难预测和控制工件面 型变化趋势的缺点，提供一种。本专利技术采用大口径平面光学元件快速抛光系统(即数控抛光机床)，所述数控抛光机床设 有抛光盘、抛光垫、真空薄膜、工件旋转轴、修整轮、修整轮轴和工作横移轴。抛光盘设有 抛光盘旋转轴，抛光盘在抛光盘旋转轴带动下独立旋转，抛光垫设在抛光盘上，工件设在抛光垫的工件旋转轴上，真空薄膜设在工件表面，为了保持抛光垫具有一定表面粗糙度和平整 性，修整轮在修整轮轴带动下根据需要可对抛光垫表面进行修整。在抛光垫上注入抛光液。所述抛光垫可采用聚氨酯抛光垫。所述抛光盘可采用大理石抛光盘。所述抛光液可由氧化铈和去离子水混合组成。本专利技术包括以下步骤1) l个选择加工方式，设定加工参数，利用空间坐标变换和傅立叶级数计算工件相对抛 光盘的速度的步骤；2) 1个利用压强分布表面模型(skin model)计算工件横移过程中的压强分布，对工件 一个横移加工周期进行线性切割，结合普林斯顿(Preston)公式得到工件不同半径上点的材 料去除率(Material Removal Rate, MRR)的步骤；3) 1个计算工件上不同半径上点露出抛光盘和落入不同压强区域的几率，根据几率采用 比值对所得到的材料去除率MRR进行加权赋值，预测加工后工件面型变化趋势，加工后检 测结果与预测相符合的步骤。在步骤1)中，所述加工方式最好为横移式加工方式，所述加工参数为外界施加压力、 抛光盘转速、工件转速、普林斯顿(Preston)系数、抛光盘半径、工件半径、偏心距、横移 速度和工件最大露边距离。所述选择加工方式，设定加工参数，利用空间坐标变换和傅立叶 级数计算工件相对抛光盘的速度的步骤，可在工件中心建立相对运动和相对静止两个坐标系， 在抛光盘中心建立相对运动和相对静止两个坐标系，利用空间坐标变换和傅立叶级数计算工 件在横移过程中相对抛光盘速度。在步骤2)中，所述"利用压强分布表面模型(skinmodel)计算工件横移过程中的压强 分布，对工件一个横移加工周期进行线性切割，结合普林斯顿(Preston)公式得到工件不同 半径上点的材料去除率(Material Removal Rate, MRR)"，可利用压强分布表面模型计算工件 横移过程中的压强分布，对工件一个横移加工周期进行线性切割，建立切割点，利用压强分 布表面模型计算工件横移过程中各个切割点的压强分布；再结合普林斯顿(Preston)公式， 计算出工件不同半径上点在切割点处旋转一周的材料去除率MRR，最后，根据工件的移动距 离和每个切割点旋转一周的材料去除率，可以对整个横向移动过程的材料去除率进行积分， 计算出工件上不同半径上点总的材料去除率；所述普林斯顿(Preston)公式为MRR-k.p. v， 其中k为普林斯顿Preston系数，p为工件上某一点所受的压强，v为工件上某一点相对抛光 盘的速度。在步骤3)中，所述计算工件上不同半径上点露出抛光盘和落入不同压强区域的几率，根据几率采用比值对所得到的材料去除率MRR进行加权赋值，预测加工后工件面型变化趋 势，加工后检测结果与预测相符合的步骤是计算工件上不同半径上点露出抛光盘和落入不同 压强区域的机率，根据机率采用比值对积分所得到的工件上不同半径上点总的材料去除率 MRR进行加权赋值，预测加工后工件面型变化趋势，加工后检测结果与预测相符合。快速抛光的原理是采用聚合物材料—聚氨酯作为抛光垫，依据所施加的压强，结合较 快的相对速度和横移式加工方法对大口径平面光学元件进行快速抛光。以其他的抛光方式相 比，本专利技术采用的聚氨酯抛光垫，可以避免沥青抛光垫抛光工件产生的水合沉淀层、减少亚 表面缺陷、降低抛光中所产生的热量。较快的相对速度和横移式加工方法可以显著地提高抛 光效率，预测和控制工件面型变化趋势。本专利技术采用大口径平面光学元件快速抛光系统(即数控抛光机床)，包括3轴联动机床、 聚氨酯抛光垫、金刚石修整轮和抛光液供给系统。采用横移式加工方法快速抛光完成大口径 平面光学元件表面加工，并且预测加工后工件面型变化趋势，加工后检测结果与预测相符合， 因此可用于加工中控制工件面型变化趋势。 附图说明图1为本专利技术实施例采用的大口径平面光学元件快速抛光系统(即数控抛光机床)的结 构示意图。图2为图1的俯视结构示意图。图3为本专利技术实施例采用的预测和控制工件面型变化趋势流程图。图4为本专利技术实施例采用的计算工件上某点N相对速度的示意图。图5为本专利技术实施例采用的压强分布表面模型(skinmodel)示意图。图6为本专利技术实施例采用的工件上半径为lOOmmN点材料去除率随工件圆心行进距离变化关系图。在图6中，横坐标为工件圆心行进距离(m)，纵坐标为材料厚度平均去除率(m/s)。 图7为本专利技术实施例采用的横移式加工过程中工件上不同半径上N点的材料去除率随工件圆心行进距离变化关系图。在图7中，横坐标为工件圆心行进距离(m)，纵坐标为材料厚度平均去除率(m/s)。隱为0mm， *为20mm， A为40mm， V为60mm，众为80mm， O为100mm， 口为120mm，〇为140mm,図为160mm。图8为本专利技术实施例采用的本文档来自技高网...

【技术保护点】
大口径平面光学元件的快速抛光横移式加工方法，其特征在于采用数控抛光机床，所述数控抛光机床设有抛光盘、抛光垫、真空薄膜、工件旋转轴、修整轮、修整轮轴和工作横移轴，抛光盘设有抛光盘旋转轴，抛光盘在抛光盘旋转轴带动下独立旋转，抛光垫设在抛光盘上，工件设在抛光垫的工件旋转轴上，真空薄膜设在工件表面，在抛光垫上注入抛光液；所述加工方法包括以下步骤：１）１个选择加工方式，设定加工参数，利用空间坐标变换和傅立叶级数计算工件相对抛光盘的速度的步骤；２）１个利用压强分布表面模型（ｓｋｉｎ　ｍｏｄｅｌ）计算工件横移过程中的压强分布，对工件一个横移加工周期进行线性切割，结合普林斯顿（Ｐｒｅｓｔｏｎ）公式得到工件不同半径上点的材料去除率（Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｒｅｍｏｖａｌ　Ｒａｔｅ，ＭＲＲ）的步骤；３）１个计算工件上不同半径上点露出抛光盘和落入不同压强区域的几率，根据几率采用比值对所得到的材料去除率ＭＲＲ进行加权赋值，预测加工后工件面型变化趋势，加工后检测结果与预测相符合的步骤。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郭隐彪，林静，杨炜，柯晓龙，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：92[中国|厦门]