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/6(=6328 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 mm320 mm10 mm,加工要求为单次透射波前畸变/6(;=6328 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。
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)。
试验件外形尺寸为320 mm320 mm10 mm的熔石英玻璃。
4 实验过程、结果和收敛效率
此元件的初抛光采用传统单轴机进行,在经过一个多月的抛光后,面型达到两次透射波前4302。由于传统加工的装夹和加工时的受力情况影响,所以使元件面型变化剧烈。用样板观察反射面型,需要数小时的时间面型才能稳定下来。而工件在传统中的装夹方式决定了它在一次加工中不方便在干涉仪上检测透射面型。因此此时传统加工方式已不能有效地加工以提高精度了。
在这种情况下采用了数控加工。直接以透射波前畸变为加工目标,指导加工过程。由于透射波前畸变对受力产生的面型弯曲变化不敏感,因此测量不需要很长的平衡时间,测量的可重复性也很高。
经过19次数控加工,面型稳定地收敛,最后达到单次透射波前畸变0180。每次数控加工的时间根据面型的实际情况由几十分钟到数小时不等。
在加工过程中,通过加工参数的优化,在加工的不同时期相应地采用不同的加工参数,以便在提高效率的同时降低小磨头加工所容易引起的局部误差。实践证明加工效果较好。整个加工只用了8天的时间。
5 实验分析
由面型的收敛效率曲线可见,数控加工参数优化后,面型的收敛是相当稳定的,基本上不产生面型的反复跳动。数控加工基本克服了薄板由于装夹和加工时受力所带来的对面型的影响。面型收敛效率相当可观。在面型误差较大时,面型每次收敛的量也较大;在加工结果接近最终要求时,面型的收敛约为每次005。
在形成的最终面型上可以看出:数控加工产生的少量局部面型突变是小磨头加工的固有缺陷,在本次实验中通过参数的优化,已使这种局部面型的突变得到了很大程度的抑制。
(审核编辑: 智汇张瑜)
