[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

说明书

本发明提供一种单晶硅光学复杂表面的超精密加工工具及加工方法，属于超精密加工技术领域。本发明首先利用加工工具对试加工件进行试加工，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；然后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，获得机床坐标系下的三维矩形数据，然后再根据此三维矩形数据、R₂、R₁进行加工轨迹规划；最后按加工轨迹进行单晶硅光学复杂表面元件的加工。本发明解决了现有单晶硅光学复杂表面的超精密加工技术加工效率较低、精度不高的问题。本发明可用于玻璃、陶瓷、晶体等多种硬脆难加工材料表面的超精密加工。

技术领域

本发明涉及一种硬脆材料光学复杂表面的超精密加工工具及加工方法，属于超精密加工技术领域。

背景技术

受红外成像技术应用需求的驱动，单晶硅光学复杂表面(包括离轴非球面、自由曲面及结构表面)的超精密加工需求在不断增加。目前，针对单晶硅光学复杂表面的传统制造加工工艺，需要经历铣磨、精磨、研磨、抛光等一系列的工艺过程。然而，由于加工工艺过程的工序多，需要反复安装加工工具或者工件，不仅增加了成形加工的辅助时间，而且带来了较大的安装误差，大大降低了加工效率和制造精度。而且，研抛的加工效率较低、工人技术依赖性强，而且研抛过程中反复交替的加工与检测工艺过程增加了工件的加工周期。此外，随着表面复杂性的不断增加，传统加工工艺已越来越难以适用。

针对以上问题，许多学者研究了基于超精密加工技术的单晶硅复杂表面光学元件成形加工方法来提高其加工效率和制造精度，减少后续抛光加工时间，如采用单点金刚石刀具的超精密车削加工技术和采用金刚石磨粒砂轮的超精密磨削加工技术以代替铣磨、精磨、研磨三步加工工序，甚至代替抛光工序。然而，超精密车削加工技术虽然可以显著提高加工精度，但由于在加工大尺寸或者硬度较高的毛坯材料时，单点金刚石车刀磨损较快，导致其加工范围受限、成本较高。超精密磨削技术能够适用于晶体、金属、玻璃、陶瓷等多种不同物理性能的硬脆材料，是目前单晶硅红外光学元件最常用的超精密加工方法，但加工时传统烧结金刚石砂轮极易磨损导致面形精度损失，金刚石砂轮需要不断迭代修整，这极大降低了加工效率，而且影响加工精度。此外，对于单晶硅光学复杂表面，由于其表面结构的特殊性，无法采用传统球面或非球面的描述方法，设计时多采用多项式或离散点云数据来描述光学表面结构。当利用CAM(Computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造)软件进行加工轨迹规划时，通常根据多项式或离散点云数据所近似拟合的表面来进行轨迹生成，因此在轨迹生成时会产生由于数据转换而带来的原始误差，极大降低了加工精度。因此，针对单晶硅光学复杂表面，需要一种新的超精密加工工艺方法以解决上述问题。

发明内容

本发明为解决现有单晶硅光学复杂表面的超精密加工技术加工效率较低、精度不高的问题，提供了一种单晶硅光学复杂表面的超精密加工工具及加工方法。

本发明所述一种单晶硅光学复杂表面的超精密加工工具，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：