采用夾模上盤技術(shù)拋光鍺窗

謝啟明，耿朝紅，尹國(guó)良，應(yīng)常宇，李林濤，李祥芬

(1.云南北方馳宏光電有限公司，云南 昆明 650217；2.昆明物理研究所，云南 昆明 650223)

近年來發(fā)展的磁流變拋光、液體射流拋光、氣囊進(jìn)動(dòng)拋光、大氣等離子體拋光和離子束拋光等技術(shù)，極大地提高了光學(xué)元件的面形精度[4]。然而，這些技術(shù)所依賴的設(shè)備價(jià)格不菲，運(yùn)行維護(hù)成本也較高，更適合于加工單件或小批量的昂貴高價(jià)值產(chǎn)品。受成本限制，在批量化產(chǎn)品中使用的鍺窗更適合采用傳統(tǒng)拋光工藝加工。影響拋光的主要工藝因素包括環(huán)境溫度、拋光粉濃度、拋光盤轉(zhuǎn)速和壓力、拋光液酸堿度等[5]。研究發(fā)現(xiàn)，除上述因素外，上盤也對(duì)拋光的面形精度有很大影響。在傳統(tǒng)古典拋光工藝中，上盤被認(rèn)為是一道輔助工序[6]，但它直接決定著光學(xué)元件下盤后的面形變化程度。一般地，上盤分為膠盤和機(jī)械夾持兩大類，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)普遍采用的膠盤方法為松香蜂蠟?zāi)z上盤法、點(diǎn)膠上盤法、浮膠上盤法和光膠上盤法[7]，通常也用瀝青代替松香蜂蠟粘接零件；而機(jī)械夾持就是本文所說的夾模上盤。

鍺單晶是典型的脆性材料，硬度小于常用可見光K9玻璃等材料，不宜采用浮膠和光膠上盤。在瀝青和點(diǎn)膠上盤中所使用的瀝青和火漆需要先加熱軟化，然后才將鍺窗和粘接模粘接在一起；下盤時(shí)同樣要加熱或冷凍，操作相對(duì)復(fù)雜，耗時(shí)較長(zhǎng)。另外，瀝青或火漆等粘接劑對(duì)鍺窗會(huì)施加垂直于零件表面的應(yīng)力，造成鍺窗變形，對(duì)徑厚比超過15的薄型鍺窗，變形效應(yīng)更大。而夾模上盤是將零件直接鑲嵌在夾具中，該方法廣泛應(yīng)用于高效拋光和下擺機(jī)拋光。夾模上盤不使用任何粘接劑，既簡(jiǎn)化了上、下盤操作，又保證了光學(xué)零件盤上、盤下面形的一致性。隨著光電系統(tǒng)對(duì)鍺窗面形精度要求的不斷提高，拋光后零件下盤的面形變化已經(jīng)成為影響拋光面形精度的一個(gè)重要因素，有必要探索和研究夾模上盤的鍺窗拋光工藝，解決鍺窗拋光過程中因上盤導(dǎo)致的面形變化問題。

1 研究過程

1.1 鍺窗拋光常用的上盤方法

鍺窗拋光常用的上盤方法主要有火漆點(diǎn)膠上盤和瀝青環(huán)形上盤(見圖1)。

1)火漆點(diǎn)膠上盤。

將鍺窗加熱到接近火漆點(diǎn)軟化溫度，把火漆點(diǎn)按一定的規(guī)律排列到鍺窗粘接面(見圖1a)，再把粘接模加熱到同樣溫度，使粘接模中心對(duì)準(zhǔn)鍺窗中心蓋到火漆點(diǎn)上，壓平，將粘接模旋到拋光機(jī)主軸上，啟動(dòng)拋光機(jī)，趁火漆點(diǎn)尚未冷卻，將鍺窗中心和拋光機(jī)主軸校至同軸，待火漆點(diǎn)、粘接模和鍺窗冷卻至室溫，完成鍺窗上盤。

2)瀝青環(huán)形上盤。

根據(jù)鍺窗尺寸選擇合適的粘接模，將瀝青置于粘接模上，加熱至瀝青軟化，做成圖1b所示的形狀，再將鍺窗適當(dāng)加熱，中心對(duì)準(zhǔn)粘接模中心壓到環(huán)形瀝青上。將粘接模旋到拋光機(jī)主軸上，啟動(dòng)拋光機(jī)，趁瀝青尚未冷卻，將鍺窗中心和拋光機(jī)主軸校至同軸，待瀝青、粘接模和鍺窗冷卻至室溫，完成鍺窗上盤。

在綠道慢行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，可以從諸多方面實(shí)現(xiàn)低碳綠色，如廢棄材料的再生利用、慢行道路面的材料選擇、因地制宜的道路設(shè)計(jì)等，通過合適的設(shè)計(jì)手段，將綠道打造成低碳綠色之道。

a) 火漆點(diǎn)膠上盤

b) 瀝青環(huán)形上盤圖1 鍺窗拋光常見的上盤方法

可見，無論是火漆點(diǎn)膠上盤還是瀝青環(huán)形上盤，都存在一個(gè)加溫和冷卻的過程，鍺窗都會(huì)受到火漆點(diǎn)或?yàn)r青的拉力。對(duì)于火漆點(diǎn)膠上盤，如果火漆點(diǎn)尺寸誤差過大，分布形狀不當(dāng)，將導(dǎo)致鍺窗受力不均；對(duì)瀝青環(huán)形上盤，如果瀝青環(huán)口徑尺寸不當(dāng)，厚薄不一致或圓環(huán)寬窄不一致，同樣會(huì)造成鍺窗受力不均。

當(dāng)鍺窗上盤受力不均時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其面形發(fā)生微小變化，拋光完工，盤上檢驗(yàn)鍺窗面形滿足技術(shù)要求，然而，下盤后粘接力消失，鍺窗恢復(fù)形變，就可能導(dǎo)致面形不能滿足要求。

1.2 夾模上盤

夾模上盤是依靠機(jī)械限位的原理，將鍺窗鑲嵌到夾模中，夾模示意圖如圖2a所示，鍺窗鑲嵌到夾模時(shí)的狀態(tài)如圖2b所示，夾模拋光示意圖如圖3所示。夾模上盤不需要任何粘接劑，從根本上避免了粘接上盤時(shí)零件所受的粘接力影響，使鍺窗拋光下盤后的面形變化小于火漆點(diǎn)膠上盤和瀝青環(huán)形上盤時(shí)的情況。

a) 夾模

b) 夾模及鑲嵌在其中的鍺窗圖2 夾模上盤

圖3 夾模拋光示意圖

為防止在上盤、拋光和下盤時(shí)鍺窗和夾模碰撞而損壞，在鍺窗和夾模內(nèi)徑之間需要一個(gè)尼龍或聚甲醛材料的彈性內(nèi)襯，在夾模底面還要鋪墊一層拋光布起保護(hù)作用。

另外，上盤時(shí)只要把夾模平放，將鍺窗對(duì)準(zhǔn)夾模垂直放入即可。下盤時(shí)從夾模背面的開孔中用手指輕頂鍺窗，即可將鍺窗取出。整個(gè)過程無加溫和冷卻環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了鍺窗上下盤的操作，提高了加工效率。

1.3 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)用鍺窗口徑為φ90mm，厚度為5mm，一面鍍DLC膜，一面鍍AR膜。要求面形精度PV≤0.5λ(λ=632.8nm)，表面光潔度B為Ⅴ級(jí)。為避免鍺窗下盤后因面形變化較大而導(dǎo)致面形精度超差的情況發(fā)生，嘗試采用夾模上盤的技術(shù)拋光鍺窗，工藝流程如圖4所示。

圖4 夾模拋光鍺窗工藝流程圖

為了掌握夾模上盤時(shí)鍺窗拋光完工下盤后的面形變化規(guī)律，對(duì)8件樣件采用夾模上盤進(jìn)行拋光，下盤前用樣板測(cè)量鍺窗面形，下盤后再次用樣板測(cè)量鍺窗面形，經(jīng)過多輪試驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 夾模上盤法盤上、盤下光圈N變化表 (光圈)

從表1可知，在14次有效數(shù)據(jù)中，盤上、盤下光圈數(shù)一致的有12次，占86%，只有2次光圈出現(xiàn)變化，且無方向性，可以認(rèn)為是偶然情況。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證夾模上盤技術(shù)的穩(wěn)定性，課題組再次對(duì)8個(gè)樣件進(jìn)行了拋光試驗(yàn)，結(jié)果見表2。和之前不同的是，這次面形檢測(cè)采用Zygo激光干涉儀，面形指標(biāo)取PV值，分析時(shí)不移出光焦度。對(duì)5組有效數(shù)據(jù)ΔPV的絕對(duì)值取平均，即：

ΔPV(平均)=(|ΔPV1|+|ΔPV3|+…+|ΔPV8|)/5=0.076 (光圈)

表2 夾模上盤法盤上、盤下面形PV變化表 (光圈)

表2的結(jié)果說明，對(duì)本案例中的鍺窗，采用夾模法上盤，鍺窗下盤后面形的平均變化量小于0.1光圈，其結(jié)果和表1基本一致。需要說明的是，表1的數(shù)據(jù)是用對(duì)樣板測(cè)量而得，小數(shù)部分的數(shù)值依賴于檢驗(yàn)員靠經(jīng)驗(yàn)估讀，所以測(cè)量精度無法和干涉儀相比，但測(cè)量結(jié)果仍具有參考價(jià)值。

作為參照，課題組將同樣8件樣件采用瀝青環(huán)形上盤法進(jìn)行了多輪拋光試驗(yàn)，面形用對(duì)樣板測(cè)量，結(jié)果見表3。

表3 瀝青環(huán)形粘接法盤上、盤下光圈N變化表 (光圈)

從表3可知，采用環(huán)形法上盤，在24次有效數(shù)據(jù)中，盤上、盤下光圈數(shù)不變的有5次，占21%，其余18次光圈數(shù)的變化范圍都在0.5～1光圈之間，1次變化范圍為1.5光圈。除G-2有1次光圈降低外，其余18次光圈都是上升。由此發(fā)現(xiàn)，采用傳統(tǒng)的瀝青環(huán)形法上盤拋光鍺窗，下盤后光圈升高，變化范圍大概率在0.5～1光圈之間。

綜合表1～表3的結(jié)果，對(duì)本案例中的鍺窗，采用夾模上盤法，鍺窗下盤后的面形變化小于傳統(tǒng)瀝青環(huán)形上盤法。

2 原因分析

夾模上盤法完全依靠機(jī)械定位來固定鍺窗，避免了采用粘接劑上盤時(shí)，鍺窗在粘接劑作用下產(chǎn)生的變形。而采用瀝青環(huán)形上盤法拋光鍺窗，下盤后鍺窗面形光圈普遍升高，變化范圍多數(shù)在0.5～1光圈之間。同時(shí)相比瀝青環(huán)形上盤法，夾模法上盤還有簡(jiǎn)化工序、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)中，夾模上盤法也暴露出一些問題，主要有：1)夾持鍺窗的可靠性有待提高，試驗(yàn)中數(shù)次出現(xiàn)拋光時(shí)零件脫離夾具的情況；2)少數(shù)情況下，拋光完工后，鍺窗不易下盤；3)部分操作者反映，拋光時(shí)面形的局部光圈N不易控制。

針對(duì)問題1：首先，為避免加工中碰壞鍺窗，內(nèi)襯選用的是具有一定彈性的軟質(zhì)材料，加工中其口徑的尺寸精度和圓度精度都很難達(dá)到較高的要求；其次，鍺窗外徑的尺寸在公差范圍內(nèi)也存在一定的分布，當(dāng)鍺窗口徑偏小，而內(nèi)襯口徑偏大時(shí)，鍺窗和內(nèi)襯間隙過大，拋光時(shí)鍺窗容易脫離夾具。而反過來，間隙過小，甚至內(nèi)襯口徑小于鍺窗外徑，即出現(xiàn)過盈配合的情況，上盤時(shí)可以用力把鍺窗壓進(jìn)夾具，而下盤時(shí)就會(huì)出現(xiàn)問題2的情形。

另外，如果內(nèi)襯和夾模配合不當(dāng)，特別是內(nèi)襯和夾模出現(xiàn)過盈配合時(shí)，內(nèi)襯被用力壓進(jìn)夾模，也會(huì)因?yàn)樽冃味趶阶冃?，?dǎo)致內(nèi)襯與鍺窗出現(xiàn)過盈配合的情況。

因此采用夾模上盤，需要嚴(yán)格控制夾模和內(nèi)襯口徑的尺寸和圓度精度，還要盡可能地提高鍺窗本身外圓尺寸的一致性，其中內(nèi)襯加工成為難點(diǎn)和關(guān)鍵控制點(diǎn)。

針對(duì)問題2：除上述內(nèi)襯和鍺窗過盈配合是一個(gè)原因外，在拋光過程中，難免有拋光液和拋光劑滲入鍺窗和內(nèi)襯的間隙中，使鍺窗不易下盤。還有一種可能，就是內(nèi)襯、夾模和鍺窗都存在圓柱度誤差，即存在俗稱的橢圓度，上盤時(shí)鍺窗和內(nèi)襯剛好匹配，即長(zhǎng)軸對(duì)長(zhǎng)軸，短軸對(duì)短軸，但在拋光過程中，鍺窗和內(nèi)襯發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，將鍺窗卡死，導(dǎo)致鍺窗不易下盤。

針對(duì)問題3：首先可能與夾模內(nèi)表面的平面度有關(guān)，如果夾模內(nèi)表面平面度誤差過大，在拋光時(shí)鍺窗和夾模內(nèi)表面之間存在一定的局部間隙，由于鍺窗和夾模內(nèi)表面沒有粘接劑填充，間隙部分不能對(duì)鍺窗提供足夠的支撐，導(dǎo)致鍺窗拋光時(shí)受力不均，產(chǎn)生局部誤差。其次也可能有主觀上的原因，畢竟對(duì)一種新的上盤技術(shù)，操作者存在一個(gè)適應(yīng)和熟練的過程，對(duì)傳統(tǒng)工藝有慣性心理。

3 結(jié)語

針對(duì)熱成像技術(shù)對(duì)鍺窗面形精度日益提高的要求，以及制造業(yè)提高效率、降低成本的需求，嘗試將可見光玻璃高效拋光中的夾模上盤技術(shù)用于紅外鍺窗的拋光加工。通過對(duì)比火漆點(diǎn)膠上盤、瀝青環(huán)形上盤和夾模上盤3種上盤方法，分析了夾模上盤對(duì)于保持鍺窗盤上、盤下面形一致的原因，以及開展夾模上盤技術(shù)研究的現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)外形尺寸φ90 mm×5 mm，鍍膜完工面形精度PV≤0.5λ(λ=632.8 nm)的鍺窗，采用夾模上盤，拋光完工鍺窗盤上、盤下的面形變化可忽略不計(jì)，具體為：1)采用夾模上盤，鍺窗下盤后面形PV值平均變化量小于0.1光圈，且變化無方向性；2)采用瀝青環(huán)形上盤，鍺窗下盤后光圈升高，變化范圍大概率在0.5～1光圈之間。

最后，對(duì)夾模上盤存在的問題進(jìn)行了分析，指出夾模內(nèi)襯和鍺窗的配合是該技術(shù)的關(guān)鍵，而夾模內(nèi)襯的加工精度是該技術(shù)的難點(diǎn)。針對(duì)夾模拋光面形局部誤差不易控制的問題，分析了可能存在的主、客觀原因。夾模上盤技術(shù)要真正進(jìn)入實(shí)用階段，還需要在提高內(nèi)襯加工精度、弄清夾模底面面形誤差和鍺窗面形局部誤差之間的關(guān)系等方面開展更深入的研究。