基于硫系玻璃非球面拋光工藝研究

韓侗睿，付秀華，賈宗合，張馨心

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

隨著紅外熱成像系統(tǒng)在軍事和醫(yī)療中需求的不斷擴大，硫系玻璃是全光開關(guān)的首選材料，廣泛用于無熱化設(shè)計、光導(dǎo)纖維、高功率CO2激光傳輸?shù)裙鈱W(xué)尖端科技領(lǐng)域［1］。目前，硫系玻璃是能夠代替單晶鍺，用于紅外光學(xué)系統(tǒng)的低成本材料之一，其原料成本是單晶鍺的1/3，具有良好的紅外透過率、極低的折射率溫度熱系數(shù)和色散性能。由表1可知，硫系玻璃熱膨脹系數(shù)大，導(dǎo)致材料受溫度梯度應(yīng)力影響大，面形隨溫度變化顯著，抗斷裂性能差，材料易炸裂；硬度低，導(dǎo)致材料去除速率大，面形調(diào)整變化快，拋光表面容易產(chǎn)生劃傷，這些特性都阻礙了紅外光學(xué)零件的普及發(fā)展，所以，光學(xué)零件硫系玻璃的加工制造工藝制約了其廣泛應(yīng)用，尤其是對于大于?50mm口徑硫系玻璃非球面透鏡而言更是如此。

硫系玻璃由元素周期表中第VIA族的S、Se、Te三種元素與其它如Ge、Ga、As、Sb等金屬元素形成的一種紅外透明玻璃，折射率較低（2.0～3.0），密度為4.41g/cm3，外觀顏色為黑灰色，硫系玻璃是低光子能量材料［2］，因此其在紅外波段1.5～14μm均有較高的透過率，其玻璃體系為Ge-As-Se、As-Se、Ge-Sb-Se、As-Se-Te。

硫系玻璃透鏡常用的加工方法包括：機械拋光技術(shù)、單點金剛石車削技術(shù)及模壓技術(shù)等［5，6］，單純機械拋光技術(shù)易劃傷玻璃表面，單點金剛石成本昂貴，并不適用于批量生產(chǎn)，而模壓技術(shù)常常加工?30mm口徑以下的硫系玻璃，非球面還需單獨制作模壓工具，而且表面疵病等級較高。所以本文以?50mm透鏡為例，提出用柔性氣囊式拋光方法，提高加工效率、降低透鏡表面疵病等級和表面粗糙度。

表1 硫系玻璃與其他典形光學(xué)材料物理特性對比

目前，模壓技術(shù)是加工小口徑硫系玻璃光學(xué)元件的一種較為成熟的工藝方法。美國學(xué)者Y.Guimond采用模壓高精度成型工藝，使硫系玻璃GASIR系列直接被制成高品質(zhì)球面、非球面和衍射光學(xué)元件。近年來，優(yōu)美科公司利用高精度模壓成型工藝批量生產(chǎn)了小口徑高精度硫系玻璃光學(xué)元件，表面粗糙度Ra值為10nm，表面疵病B為Ⅳ-Ⅴ級。但是對于中、大口徑硫系玻璃來說，采用模壓技術(shù)很難降低透鏡的表面粗糙度和表面疵病等級，因此本文以?50mm透鏡為例著重對降低硫系玻璃透鏡的表面粗糙度和表面疵病等級進行研究。

1 數(shù)控氣囊式拋光技術(shù)原理

由于硫系玻璃表面較軟，采用常規(guī)的加工方法很難提高其表面光潔度，本文采用柔性氣囊式拋光方法對透鏡的加工工藝進行研究。圖1顯示了氣囊式拋光模型，使用特制的柔性球冠狀氣囊作為拋光工具，并將其裝于旋轉(zhuǎn)的部件上，形成封閉的腔體，在腔內(nèi)充入壓力可控的低壓氣體。氣囊上粘貼聚氨酯拋光墊，氧化鈰為拋光液。

數(shù)控氣囊式拋光使用自適應(yīng)迭代（self-adaptive iterative，簡稱SAI）駐留時間算法［3］，其接觸面積的大小是由氣囊工具與工件之間的z-偏移量控制，使氣囊與工件表面接觸、壓縮，形成一個確定的拋光點。刀具旋轉(zhuǎn)軸線的傾斜角度（稱為“進動角”）為10°～25°。對于接觸區(qū)，刀具軸對工件表面的進動以離散步驟進行。數(shù)控氣囊式拋光的材料去除模型由著名的preston方程導(dǎo)出，如下式所示：

圖1 氣囊拋光模型

式中，Δh(x,y)是單位時間內(nèi)材料的去除率，K是preston常數(shù)，p(x,y)是氣囊與工件接觸區(qū)的壓力分布，V(x,y)是刀具和工件之間的相對速度。

氣囊式拋光是一種確定性拋光技術(shù)，氣囊式拋光中H(x,y)是去除的物質(zhì)量等于單位時間R(x,y)和駐留時間函數(shù)D(x,y)和運動軌跡之間的材料去除函數(shù)之間的二維卷積，?代表卷積，并且可以表示為：

因此，表面殘余誤差E(x,y)在氣囊式拋光過程可以表示為：

其中，H0(x,y)是所需的材料去除，H0(x,y)是離散為n×m矩陣，以D(x,y)，H(x,y)和E(x,y)。R(x,y)是在其中的一個停留點(xi,yi)，它會停留在預(yù)先計算每個時間點實施所需的材料去除。對于這個問題，引入一個修正系數(shù)使阻尼因子變得自適應(yīng)。在這駐留時間算法，對去除函數(shù)表示為VR是用來確定初始的駐留時間和校正的駐留時間的體積去除率，定義為：

最初的駐留時間矩陣D0可以表示：

和表面的殘余誤差矩陣E0后拋光過程中使用D0可表示為：

幾個計算迭代將使用以前計算的表面誤差陣列執(zhí)行，直到預(yù)測的剩余誤差足夠小。H0被處理為非負且可以確保所獲得的停留時間是非負的，并用表示。

表2 硫系玻璃非球面透鏡參數(shù)

2 硫系玻璃非球面透鏡氣囊式拋光的表面粗糙度實驗研究

以加工?50mm硫系玻璃非球面透鏡為例來研究氣囊式拋光的工藝技術(shù)，其面形方程、參數(shù)如表2，該透鏡材料為國產(chǎn)硫系玻璃IRG205［4］，組成成分為Ge28Se60Sb12，v10.6=97.3，n10600=2.6030，Tg=285℃，透過波段為0.5μm～17μm。要求表面粗糙度Ra小于15nm，PV值小于1μm、表面疵病B為Ⅲ級。

在GMS7.1軟件中觀測孔數(shù)據(jù)與軟件計算數(shù)據(jù)有如下關(guān)系，如果觀測值與計算值的差在校核置信范圍內(nèi)，誤差棒會顯示為綠色；如果超出校核置信范圍，但小于200%，誤差棒會顯示為黃色；如果超出200%以上，誤差棒會顯示為紅色(圖4)。

2.1 確定拋光工藝參數(shù)

工藝參數(shù)包括：氣囊拋光頭旋轉(zhuǎn)速度、氣囊充氣壓力值、拋光液的濃度和駐留時間，針對上述透鏡參數(shù)要求進行逐一優(yōu)化。具體研究方案如表3所示，拋光駐留時間設(shè)定為3s，對其余三個不同工藝參數(shù)分別相互組合，需要進行27組實驗，采用正交試驗可尋求最優(yōu)水平組合、減少試驗次數(shù)，是一種高效率試驗設(shè)計方法。因此，選用正交試驗法，從27組試驗中選出具有代表性的參數(shù)組合進行試驗。

表3 拋光影響因子的不同取值

根據(jù)正交試驗法特點：任意一列，不同數(shù)字出現(xiàn)的次數(shù)相等；任兩列，同一橫行所組成的數(shù)字對在試驗中只出現(xiàn)一次［7］。因此，可從27組中挑出9組進行代表性試驗，如表4所示。

試驗過程：將銑磨完成后的透鏡固定在設(shè)計好的工裝夾具上，調(diào)整好同軸度。然后進行表4中的9組試驗，拋光液主要成分為氧化鈰，每組各拋光60min，并記錄對應(yīng)的粗糙度值。

表4 硫系玻璃非球面透鏡正交試驗

圖2 三個工藝參數(shù)對表面粗糙度影響曲線

2.2 硫系玻璃非球面透鏡面形收斂對比分析實驗

利用上述3個工藝參數(shù)進行兩次氣囊式拋光，每次各50min，在圖3中給出了透鏡拋光前后對比圖。拋光后觀察工件表面，除少許麻點和邊緣銑磨痕跡外，大部分表面痕跡已經(jīng)被拋光去除。

圖3 透鏡拋光前后對比圖

拋光PV前值為6.2451μm，第二次拋光后的輪廓儀檢測面形如圖4所示，圖中Rt值即為PV值，其值為1.8351μm?？梢?，面形明顯收斂、PV值降低，表明透鏡表面粗糙度有了很大提高，但仍可見清晰表面疵病。

圖4 第二次拋光檢測圖

為了降低表面疵病等級和PV值，根據(jù)圖4的面形，以非球面透鏡頂點為中心的?15mm～?50mm環(huán)帶內(nèi)增加駐留時間至5s，繼續(xù)第三次拋光，時間為60min。拋光后經(jīng)輪廓儀檢測，面形收斂不明顯，PV值為1.5374μm。因此，考慮改用顆粒度更小的拋光粉進行精密拋光。

選用金剛石微粉、氧化鋁、氧化鈰三種不同拋光粉分別進行精密拋光實驗，在其他實驗參數(shù)不變的條件下，分別各拋光兩次，每次50min，其結(jié)果如表5所示。從實驗結(jié)果可以看出，使用5nm～20nm徑粒范圍的金剛石微粉進行拋光，其PV值最小。如圖5所示，經(jīng)檢測金剛石微粉拋光過后的面形精度PV為0.6097μm，Ra為9.28nm，表面疵病B為Ⅲ級。

表5 對比實驗拋光粉影響效果

由此可見，相比氧化鋁和氧化鈰，雖然金剛石微粉的徑粒范圍小、對表面去除率影響不大，但卻可以明顯改善表面粗糙度和表面疵病。因此，使用金剛石微粉對透鏡進行最后階段的精密拋光可以明顯改善拋光效果。

圖5 輪廓儀檢測面形圖及實物圖

3 結(jié)論

針對?50mm口徑硫系玻璃非球面透鏡難模壓、表面光潔度要求高等問題，本文采用了柔性數(shù)控氣囊式拋光方法，針對不同的拋光階段使用不同的工藝參數(shù)對透鏡進行拋光。

首先，通過對影響硫系玻璃氣囊式拋光的幾個重要的參數(shù)用正交實驗法進行對比，得出在氣囊轉(zhuǎn)速650r/min、氣囊充氣壓力20kPa、拋光液濃度15%的條件下進行100min拋光，其表面粗糙度、表面疵病明顯降低，PV達到1.8351μm。其次，通過分析對比實驗，選用2nm～20nm顆粒度范圍的金剛石微粉對透鏡進行精密拋光，得到硫系玻璃非球面透鏡的面形精度PV為0.6097μm，Ra為9.28nm，表面疵病B達到Ⅲ級。

采用參數(shù)優(yōu)化的數(shù)控氣囊式拋光工藝可以對硫系玻璃非球面透鏡進行拋光，其表面粗糙度、表面疵病等級都優(yōu)于模壓工藝的精度等級。

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