[发明专利]一种单晶硅光学复杂表面的超精密加工工具及加工方法

权利要求书

1.一种单晶硅光学复杂表面的超精密加工工具，其特征在于，所述加工工具为碟片形，其半径为R₂；加工工具的侧面圆周为180°的圆角，圆角半径为R₁；所述加工工具圆心处设有通孔，所述通孔用于将该加工工具安装到加工机床旋转轴上，R₁小于单晶硅光学复杂表面元件的表面结构最小曲率半径r₁；R₂小于单晶硅光学复杂表面元件上与最小曲率半径r₁所在方向垂直的另一方向上的最小曲率半径r₂；所述加工工具的圆弧表面设有均匀分布的微刃阵列；所述微刃阵列的前角为45°，倾角为45°；所述微刃阵列的相邻每排微刃间的间距为W，刃高为H；所述微刃阵列的间距W和刃高为H满足公式(1)和公式(2)的函数关系：

其中，d_c为单晶硅的脆塑转变临界深度，N为加工工具的转速，D为加工工具的直径，f为进给率，a_p为加工深度。

2.根据权利要求1所述一种单晶硅光学复杂表面的超精密加工工具，其特征在于，所述加工工具的侧面圆周表面设有CVD或PVD金刚石薄膜镀层，镀层厚度为3-5μm；所述CVD表示化学气相沉积，所述PVD表示物理气象沉积。

3.一种采用权利要求1或2所述单晶硅光学复杂表面的超精密加工工具的加工方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一、将加工工具安装在加工机床旋转轴上；将试加工件水平安装在工作台上；利用加工工具对试加工件进行试加工，分别采用径向进给方式及轴向进给方式在试加工件表面上加工出十字交叉的两条圆弧凹槽；所述轴向指的是加工机床旋转轴的方向，所述径向指的是与加工机床旋转轴的方向垂直且平行于水平面的方向；试加工后分别对试加工件表面上的两条十字交叉圆弧凹槽面形精度进行检测，进而获得准确的R₂和R₁值；

步骤二、将待加工的单晶硅光学复杂表面元件与试加工件水平安装在工作台上；使单晶硅光学复杂表面元件的表面结构最小曲率半径r处在径向的方向；

步骤三、对用以描述单晶硅光学复杂表面元件的多项式或离散点云进行数据计算，获得机床坐标系XYZ下的三维矩形数据[x，y，z]，然后再根据此三维矩形数据、R₂、R₁进行加工轨迹规划，获得加工轨迹的坐标数据；

步骤四、按加工轨迹进行单晶硅光学复杂表面元件的加工。

4.根据权利要求3所述一种单晶硅光学复杂表面的超精密加工工具的加工方法，其特征在于，步骤一中其中所述R₂为轴向圆弧凹槽深度的10倍；所述R₁为径向圆弧凹槽深度的3倍。

5.根据权利要求4所述一种单晶硅光学复杂表面的超精密加工工具的加工方法，其特征在于，步骤三中所述进行加工轨迹规划，获得加工轨迹的坐标数据的具体过程包括：

所述加工轨迹的坐标数据点与单晶硅光学复杂表面元件在机床坐标系下的三维矩形数据点重合，加工轨迹为格栅扫描式轨迹；所述三维矩形数据[x，y，z]中与加工工具轴向方向对应的数列间隔为0.005-0.02mm；所述三维矩形数据[x，y，z]中与加工工具径向方向对应的数列间隔为d。

6.根据权利要求5所述一种单晶硅光学复杂表面的超精密加工工具的加工方法，其特征在于，所述数列间隔d由单晶硅光学复杂表面元件的表面粗糙度加工目标值确定，能够由公式(3)求得：

其中，R_z为加工后的理论粗糙度目标值。

7.根据权利要求3～6任意一项所述一种单晶硅光学复杂表面的超精密加工工具的加工方法，其特征在于，步骤四中所述进行单晶硅光学复杂表面元件的加工为轴向进给加工。

8.根据权利要求7所述一种单晶硅光学复杂表面的超精密加工工具的加工方法，其特征在于，步骤四中所述单晶硅光学复杂表面元件的加工，具体加工参数为：

加工工具的转速为7200rpm，粗加工轴向进给率为9mm/min，精加工轴向进给率为1mm/min，粗加工深度为10μm，精加工深度为1μm，粗加工径向进给间隔为8mm，精加工径向进给间隔为2mm，加工后沿加工工具径向方向偏移1mm后进行光加工一次。