小口径大曲率超光滑表面光学元件的加工装置及使用方法

技术领域

本发明属于光学冷加工领域，具体涉及小口径大曲率超光滑表面光学元件的加工装置及使用方法。

背景技术

超稳腔是一种频率超级稳定的激光腔体，应用领域较为广泛，在激光测距、激光雷达、原子钟、高精度光谱、微波发生器、激光雷达、光纤传感、光纤时间传输、精密激光波长协调等方面均具有广泛应用。

制造超稳腔的核心技术之一为小口径大曲率超光滑表面光学元件的加工，只有该光学元件加工后表面粗糙度Ra优于0.1nm、曲率精度达到±50mm、球心精度优于0.1mm，才能制造出精度超高的超稳腔，因此该光学零件的加工难度极大。传统加工方法的合格率及加工效率极低，生产成本及产量无法满足市场需求。

发明内容

本发明的目的是解决小口径大曲率超光滑表面光学元件加工难度大、生产效率低无法满足市场需求的问题，提供小口径大曲率超光滑表面光学元件的加工装置及使用方法，提高加工合格率与加工效率，满足市场需求。

小口径大曲率超光滑表面光学元件的加工装置，包括球面底座，球面底座上设置若干球面工装，球面工装上设置限位环，限位环上悬置球面加工模，球面底座曲面的曲率与球面工装曲面的曲率相同。

限位环的外圈直径与球面工装的直径的差值＜0.01mm，限位环与球面工装的同心度＜0.04。

限位环的内壁上设有四处凹槽。

零件在限位环中，零件的非加工面和球面工装平面接触，球面工装与零件接触面的面形精度N＜0.5、表面面型精度误差△N＜0.2，接触面干涉条纹的数量小于四条。

当零件的被加工面为凸面且曲率要求为R时，球面工装曲面的曲率为R-H，H为零件厚度与球面工装厚度的和，球面底座为凸球面，球面工装为凹球面；当零件的被加工面为凹面且曲率要求为R时，球面工装曲面的曲率为R+H，球面底座为凹球面，球面工装为凸球面。

球面工装曲面与球面底座曲面的连接采用光胶工艺。

球面加工模包括研磨盘和抛光盘。

小口径大曲率超光滑表面光学元件的加工装置的使用方法，包括以下步骤：

调整限位环与球面工装的位置，形成限位环与球面工装的组合体；

重复上述步骤，制备若干个由限位环和球面工装组成的组合体；

将零件的非加工面用擦拭干净，并向下放入限位环中，调整零件与球面工装的接触面的干涉条纹的数量小于四条，形成零件盘；

将若干球面工装曲面与球面底座曲面擦拭干净，再将若干球面工装曲面与球面底座曲面连接，组成加工盘，进行成盘加工；

采用球面加工模和研磨液对零件加工面进行研磨；

采用球面加工模和抛光液对零件加工面进行抛光；

将零件与限位环和球面工装的组合体脱离。

制限位环与球面工装的组合体的具体方法如下：

将辅助环和平板的接触面擦拭干净，辅助环的平面从平板平面边缘推至中心，调整并观测接触面干涉条纹的数量小于四条，平板表面面形精度N＜0.5，表面面形精度误差△N＜0.2；

将限位环的两平面均擦拭干净，放入辅助环的内圈中，使得限位环的平面与平板的平面相接触，调整并观测接触面干涉条纹的数量小于四条，辅助环的内圈直径大于限位环的外圈直径和球面工装的直径0.03-0.04mm；

将球面工装的平面擦拭干净，并向下放入辅助环的内圈中，使得球面工装的平面与限位环的向上面连接；

将限位环和球面工装的组合体与辅助环和平板分离。

对零件研磨与抛光的具体方法如下：

用不同规格的氧化铝研磨粉与纯水混合配置研磨液，安装研磨盘，对零件进行研磨；

用不同规格的氧化铈抛光粉与纯水混合配置抛光液，并将研磨盘更换为抛光盘，对零件进行抛光。

与现有技术比，本发明的加工装置将球面底座和球面工装都设置了曲面，并且曲率相同，保证球心精度，设置限位环保证球面工装与零件连接的精度；球面加工模与球面底座曲率相同，且圆心在同一垂直轴线上，保证被抛光面的曲率精度。

进一步的，本发明通过辅助环和平板辅助限位环与球面工装形成组合体，保证限位环与球面工装组合的精确度；面形精度N＜0.5、△N＜0.2，限位环的外圈直径与球面工装的直径的差值小于0.01mm，辅助环的内圈直径大于限位环的外圈直径与球面工装的直径0.03-0.04mm，进而确保加工精度。

本发明的使用方法将若干件零件组成一个整体进行加工，将零件化零为整，并按照特定的研磨与抛光方法使得该类高精度零件的加工效率及合格率得到大幅提升，最终达到零件表面粗糙度Ra优于0.1nm、曲率精度达到±50mm、球心精度优于0.1mm的指标要求，解决该类光学元件生产成本及产量无法满足市场需求的问题。

附图说明

为了更清楚的说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描绘中所需要使用的附图作简单的介绍：

图1为本发明小口径大曲率超光滑表面光学元件的加工装置的示意图；

图2位本发明平板、辅助环、限位环与球面工装组合示意图；

图3为本发明限位环与球面工装组合示意图；

图4为本发明零件、限位环与球面工装组合示意图；

图5为本发明限位环的俯视图；

图6位本发明限位环的剖面图；

图7为本发明球面工装俯视图；

图8为本发明球面工装剖面图；

图9为本发明辅助环剖面图；

图10为本发明平板示意图；

图11为本发明球面底座示意图；

图中：1、球面加工模；2、零件；3、限位环；4、球面工装；5、球面底座；6、辅助环；7、平板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示，小口径大曲率超光滑表面光学元件的加工装置，包括球面底座5，球面底座5上设置球面工装4，球面工装4的曲面与球面底座5的曲面光胶，球面工装4上设置限位环3，球面工装4与限位环3通过瞬干胶粘接，限位环3上悬置球面加工模1，球面加工模1与球面底座5的曲率相同，且圆心在同一垂直轴线上，球面底座5曲面的曲率与球面工装4曲面的曲率相同。

小口径大曲率超光滑表面光学元件的加工装置的具体使用方法，步骤如下：

1.如图9和图10所示，将平板7的a面与辅助环6的b面用脱脂棉蘸酒精擦拭干净；

2.将辅助环6的b面，从平板7的a面边缘推至中心，调整并观测两接触面干涉条纹的数量小于4条；

3.如图6所示，将限位环3的c面与e面用脱脂棉蘸酒精擦拭干净，将c面向下，如图2从辅助环6的φC孔放入，使得限位环3的c面与平板7的a面相接触，调整并观测两接触面干涉条纹的数量小于4条；

4.如图7所示，将球面工装4的d面用脱脂棉蘸酒精擦拭干净，将瞬干胶滴在限位环3的e面上，要求均匀分布滴4处，如图2所示，将球面工装4的d面向下，从辅助环6的φC孔放入，使得球面工装4的d面与限位环3的e面通过瞬干胶连接；

5.将限位环3、球面工装4的组合体从辅助环6和平板7中取出，等待30分钟，瞬干胶完全固化，形成如图3所示的限位环3与球面工装4的组合体；

6.重复上述步骤1-5，制备若干个限位环3和球面工装4的组合体；

7.如图4所示，将零件2的非加工面用脱脂棉蘸酒精擦拭干净，零件2非加工面向下从限位环3的φD孔中放入，调整并观测两接触面干涉条纹的数量小于4条，如图5所示，将瞬干胶从限位环3的4处R槽滴入，使得零件2、限位环3与球面工装4形成零件盘；

8.如图8和图11所示，将球面工装4的R1面和球面底座5的R2面用脱脂棉蘸酒精擦拭干净，再用干净的脱脂棉布将以上两面擦拭干净，用松鼠毛刷将擦拭后表面刷去浮灰，按图1所示，采用光胶工艺将球面工装4的R1面与球面底座5的R2面连接，组成加工盘，进行成盘加工。

注：为了保证球心精度，上述工装与零件需要注意有以下特别要求：

平板7表面面形精度N＜0.5、表面面型精度误差△N＜0.2；

如图6和图8所示，限位环3的φA直径与球面工装4的φB直径的差值小于0.01mm；

限位环3和球面工装4后同心度优于0.04；

辅助环6的φC直径应大于φA与φB直径0.03-0.04mm；

零件2的被加工面为凸球面且曲率要求为R，此时球面工装4的曲率应设计为R-H(H为零件2厚度与球面工装4厚度的和，如图4所示)，球面底座5的曲率与球面工装4的曲率相同，球面底座5为凸球面，球面工装4为凹球面；零件2的被加工面为凹球面且曲率要求为R，此时球面工装4的曲率应设计为R+H，球面底座5的曲率与球面工装4的曲率相同，球面底座5为凹球面，球面工装4为凸球面；

球面工装4与零件2接触面的面形精度N＜0.5、表面面型精度误差△N＜0.2。

小口径大曲率超光滑表面光学元件的加工装置的具体加工零件方法，步骤如下：

1.使用研磨抛光机对零件球面进行研磨，要求使用铜制研磨盘，研磨盘曲率与被加工零件曲率值相同分别按如下方法进行研磨：

(1)使用W40规格氧化铝研磨粉与纯水1:1混合配置研磨液，使用研磨盘对零件球面进行加工，要求零件加工去除量为0.2mm，加工时主轴转速调整为40～60转/分钟，机床摆速调整为40～70转/分钟，机床压力为0.7～1bar，其中零件盘直径与研磨盘的直径比为1:1.3～1.5；

(2)使用W28规格氧化铝研磨粉与纯水1:1混合配置研磨液，使用研磨盘对零件球面进行加工，要求零件加工去除量为0.15mm，加工时主轴转速调整为35～50转/分钟，机床摆速调整为35～60转/分钟，机床压力为0.6～0.8bar，其中零件盘直径与研磨盘的直径比为1:1.3～1.5；

(3)使用W20规格氧化铝研磨粉与纯水1:1混合配置研磨液，使用研磨盘对零件球面进行加工，要求零件加工去除量为0.1mm，加工时主轴转速调整为35～50转/分钟，机床摆速调整为35～60转/分钟，机床压力为0.6～0.8bar，其中零件盘直径与研磨盘的直径比为1:1.3～1.5；

(4)使用W14规格氧化铝研磨粉与纯水1:1.5混合配置研磨液，使用研磨盘对零件球面进行加工，要求零件加工去除量为0.1mm，加工时主轴转速调整为30～50转/分钟，机床摆速调整为30～50转/分钟，机床压力为0.5～0..7bar，其中零件盘直径与研磨盘的直径比为1:1.3～1.5；

(5)使用W10规格氧化铝研磨粉与纯水1:1.5混合配置研磨液，使用研磨盘对零件球面进行加工，要求零件加工去除量为0.1mm，加工时主轴转速调整为30～50转/分钟，机床摆速调整为30～50转/分钟，机床压力为0.4～0.6bar，其中零件盘直径与研磨盘的直径比为1:1.3～1.5；

(6)使用W5规格氧化铝研磨粉与纯水1:2混合配置研磨液，使用研磨盘对零件球面进行加工，要求零件加工去除量为0.05mm，加工时主轴转速调整为30～40转/分钟，机床摆速调整为30～40转/分钟，机床压力为0.2～0.4bar，其中零件盘直径与研磨盘的直径比为1:1.2～1.3；

2.使用研磨抛光机对零件球面进行抛光，要求使用沥青抛光盘，抛光盘曲率与被加工零件曲率值相同分别按如下方法进行抛光：

(1)使用粒径1～1.5um氧化铈抛光粉与纯水1:10混合配置抛光液，配合沥青抛光盘对零件球面进行加工，要求零件加工去除量不小于0.05mm，加工时主轴转速调整为40～60转/分钟，机床摆速调整为40～70转/分钟，机床压力为0.7～1bar，其中零件盘直径与研磨盘的直径比为1:1.2～1.3；

(2)使用粒径0.3～0.5um氧化铈抛光粉与纯水1:15混合配置抛光液，配合沥青抛光盘对零件球面进行加工，要求零件加工去除量不小于0.015mm，加工时主轴转速调整为30～50转/分钟，机床摆速调整为30～55转/分钟，机床压力为0.4～0.5bar，其中零件盘直径与研磨盘的直径比为1:1.2～1.3；

(3)使用粒径50nm～80nm氧化铈抛光粉与纯水1:25混合配置抛光液，配合沥青抛光盘对零件球面进行加工，要求零件加工去除量不小于0.005mm，加工时主轴转速调整为15～30转/分钟，机床摆速调整为20～30转/分钟，机床压力为0.1～0.2bar，其中零件盘直径与研磨盘的直径比为1:1.2～1.3；

3.将加工完成的零件盘，放置在酒精溶液中进行浸泡，使得零件与工装脱离。

实施例：

本实施例以R5000的曲率，直径为φ10mm，厚度尺寸为5的凸球面零件为例具体包括以下步骤：

1.如图9和图10所示，将平板7的a面与辅助环6的b面用脱脂棉蘸酒精擦拭干净；

2.将辅助环6的b面，从平板7的a面边缘推至中心，调整并观测两接触面干涉条纹的数量小于4条；

3.如图6所示，将限位环3的c面与e面用脱脂棉蘸酒精擦拭干净，将c面向下，如图2从辅助环6的φC孔放入，使得限位环3的c面与平板7的a面相接触，调整并观测两接触面干涉条纹的数量小于4条；

4.如图7所示，将球面工装4的d面用脱脂棉蘸酒精擦拭干净，将瞬干胶滴在限位环3的e面上，要求均匀分布滴4处，如图2所示，将球面工装4的d面向下，从辅助环6的φC孔放入，使得球面工装4的d面与限位环3的e面通过瞬干胶连接；

5.将限位环3、球面工装4的组合体从辅助环6和平板7中取出，等待30分钟，瞬干胶完全固化，形成如图3所示的限位环3与球面工装4的组合体；

6.重复上述步骤1-5，制备若干个限位环3和球面工装4的组合体；

7.如图4所示，将零件2的非加工面用脱脂棉蘸酒精擦拭干净，零件2非加工面向下从限位环3的φD孔中放入，调整并观测两接触面干涉条纹的数量小于4条，如图5所示，将瞬干胶从限位环3的4处R槽滴入，使得零件2、限位环3与球面工装4形成零件盘；

8.如图8和图11所示，将球面工装4的R1面和球面底座5的R2面用脱脂棉蘸酒精擦拭干净，再用干净的脱脂棉布将以上两面擦拭干净，用松鼠毛刷将擦拭后表面刷去浮灰，按图1所示，采用光胶工艺将球面工装4的R1面与球面底座5的R2面连接，组成加工盘，进行成盘加工。

注：为了保证球心精度，上述工装与零件需要注意有以下特别要求。

平板7表面面形精度N＝0.3；表面面型精度误差△N＝0.1；

如图6和图8所示，限位环3的φA直径为φ15mm，球面工装4的直径为φ15.006mm；

限位环3和球面工装4后同心度优于0.04；

辅助环6的直径为15.042mm；

零件2的被加工面为凸球面且曲率要求为R5000，此时球面工装4的厚度设计为5时，曲率应设计为-R4990(R5000-零件厚度-工装厚度)，球面底座5的曲率为R4990，球面底座为凸球面，球面工装4为凹球面；

球面工装4与零件2接触面的面形精度N＜0.5；表面面型精度误差△N＜0.2。

小口径大曲率超光滑表面光学元件的加工装置的具体加工零件方法，步骤如下：

1.使用研磨抛光机对零件球面进行研磨，要求使用铜制研磨盘，研磨盘曲率与被加工零件曲率值相同分别按如下方法进行研磨：

(1)使用W40规格氧化铝研磨粉与纯水1:1混合配置研磨液，使用研磨盘对零件球面进行加工，要求零件加工去除量为0.2mm，加工时主轴转速调整为48转/分钟，机床摆速调整为60转/分钟，机床压力为0.75bar，其中零件盘直径与研磨盘的直径比为1:1.3；

(2)使用W28规格氧化铝研磨粉与纯水1:1混合配置研磨液，使用研磨盘对零件球面进行加工，要求零件加工去除量为0.15mm，加工时主轴转速调整为39转/分钟，机床摆速调整为48转/分钟，机床压力为0.65bar，其中零件盘直径与研磨盘的直径比为1:1.3

(3)使用W20规格氧化铝研磨粉与纯水1:1混合配置研磨液，使用研磨盘对零件球面进行加工，要求零件加工去除量为0.1mm，加工时主轴转速调整为35转/分钟，机床摆速调整为38转/分钟，机床压力为0.6，其中零件盘直径与研磨盘的直径比为1:1.3；

(4)使用W14规格氧化铝研磨粉与纯水1:1.5混合配置研磨液，使用研磨盘对零件球面进行加工，要求零件加工去除量为0.1mm，加工时主轴转速调整为30转/分钟，机床摆速调整为30转/分钟，机床压力为0.5bar，其中零件盘直径与研磨盘的直径比为1:1.3；

(5)使用W10规格氧化铝研磨粉与纯水1:1.5混合配置研磨液，使用研磨盘对零件球面进行加工，要求零件加工去除量为0.1mm，加工时主轴转速调整为30转/分钟，机床摆速调整为30转/分钟，机床压力为0.4bar，其中零件盘直径与研磨盘的直径比为1:1.3；

(6)使用W5规格氧化铝研磨粉与纯水1:2混合配置研磨液，使用研磨盘对零件球面进行加工，要求零件加工去除量为0.05mm，加工时主轴转速调整为30转/分钟，机床摆速调整为30转/分钟，机床压力为0.2bar，其中零件盘直径与研磨盘的直径比为1:1.2；

2.使用研磨抛光机对零件球面进行抛光，要求使用沥青抛光盘，抛光盘曲率与被加工零件曲率值相同分别按如下方法进行抛光：

(1)使用粒径1～1.5um氧化铈抛光粉与纯水1:10混合配置抛光液，配合沥青抛光盘对零件球面进行加工，要求零件加工去除量不小于0.05mm，加工时主轴转速调整为45转/分钟，机床摆速调整为55转/分钟，机床压力为0.7bar，其中零件盘直径与研磨盘的直径比为1:1.2；

(2)使用粒径0.3～0.5um氧化铈抛光粉与纯水1:15混合配置抛光液，配合沥青抛光盘对零件球面进行加工，要求零件加工去除量不小于0.015mm，加工时主轴转速调整为35转/分钟，机床摆速调整为35转/分钟，机床压力为0.4bar，其中零件盘直径与研磨盘的直径比为1:1.2；

(3)使用粒径50nm～80nm氧化铈抛光粉与纯水1:25混合配置抛光液，配合沥青抛光盘对零件球面进行加工，要求零件加工去除量不小于0.005mm，加工时主轴转速调整为18转/分钟，机床摆速调整为205转/分钟，机床压力为0.1～0.2bar，其中零件盘直径与研磨盘的直径比为1:1.2；

3.将加工完成的零件盘，放置在酒精溶液中进行浸泡，使得零件与工装脱离。

显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。