石英薄板加工的数控技术

　　在高功率固体激光装置要求的所有平面透射光学元件中,熔石英材料的屏蔽片是光学冷加工难度最高的元件之一,加工要求为单次透射波前畸变为λ/6(λ=632·8 nm)。其外形尺寸径厚比大于30:1,远远超出普通光学元件径厚比小于10:1的要求。由于径厚比大,所以光学元件在加工和测量的过程中很容易受到重力、装夹力等的影响而变形,影响加工和检测的精度。介绍了采用新兴的数控加工技术有效的避免了加工过程中各种装夹力、重力对面型的影响;通过优化参数,加工效率也得到了有效的提高。

1 引　言

　　在ICF装置中使用了成千上万的光学元件,这些光学元件尺寸大,所要求的加工精度高。薄型光学元件的种种优点使其在此领域得到越来越广泛的应用。在高功率固体激光装置上,熔石英材料的屏蔽片就是典型的薄型光学元件,例如外形尺寸为320 mm×320 mm×10 mm,加工要求为单次透射波前畸变λ/6(λ=632·8 nm)。由外形尺寸可知,其径厚比为45∶1,远远大于普通光学元件径厚比小于10∶1的要求。由于径厚比大,所以光学元件在加工和测量的过程中很容易由于重力、装夹力而变形,影响加工和检测的精度。如何在加工和检测过程中避免外力的影响,提高加工效率是笔者研究的目标。

2 加工过程中装夹变形的影响

　　不论是在传统冷加工过程还是在数控加工过程中,元件的装夹定位都将导致光学元件不同程度的弹性变形。传统加工的加工方式决定了它是将装夹变形后的元件表面面型向绝对平面或球面的趋势加工。这样在光学元件加工完成后,从装夹中取出时,因装夹引起的弹性变形得到恢复,面型又发生了变化,其过程如图1所示。

　　图1(a)表示光学元件在装夹前,其右侧有一处面型误差。图1(b)表示在加工的装夹过程中,由于装夹力的影响,在光学元件的左侧形成了一处弹性变形。图1(c)表示在加工完成后,还没有将光学元件从装夹装置中取出前将上表面加工为平面。图1(d)表示了光学元件从装夹装置上取下后,元件的弹性变形恢复后的状态。在实际加工过程中,元件在装夹时受到多方面因素的影响,受力和变形情况都相当复杂,图1(b)只是举例说明。

　　由上面的分析可知,传统的加工方式即使在理想的加工去除下,也不能克服由装夹而产生的元件变形带来的影响。传统的加工方式若要得到好的加工结果,必须在元件加工的装夹方面作重大改进,使装夹不产生弹性形变,而这对于径厚比为45∶1的光学元件来说是相当困难的。

　　上面只考虑了装夹力对加工的影响,而加工本身由于工具与工件之间的作用也将产生动态的加工应力。综合定量地考虑这些受力情况是相当复杂的。

　　数控加工方式与传统加工方式有本质的不同。数控加工是用小磨头对光学元件的局部进行修磨,修磨的范围大小和深度多少可以方便地控制。由于用小磨头加工,加工时的加工应力也只影响加工的局部,所以对面型的影响是相当有限的。

3 数控实验装置简介

　　实验所使用的数控机床是从俄罗斯引进的AD1000型数控抛光机。AD-1000采用龙门式结构,可使工具主轴(Z轴)沿X、Y坐标移动,工具可沿Z轴移动。工具在X、Y、Z三个坐标方向上的移动速度和距离可通过计算机来控制。工件固定在工作台上,不可转动。

　　该机床的工具绕Z轴作圆环摆动(公转),同时在摩擦力的作用下,工具又有自转运动。工具的自转中心到Z轴的距离(偏心距)手动可调,圆环摆动速度(工具主轴转速)可通过计算机控制。

　　机床加在工具上的压力采用气动加压,压力的大小可视工件材料、尺寸及去除量手动调节(在一个加工循环中,压力是恒定的)。

　　数控抛光的工作流程如图2所示。

　　试验件外形尺寸为320 mm×320 mm×10 mm的熔石英玻璃。