在高功率固體激光裝置要求的所有平面透射光學元件中,熔石英材料的屏蔽片是光學冷加工難度最高的元件之一,加工要求為單次透射波前畸變為/6(=6328 nm)。其外形尺寸徑厚比大于30:1,遠遠超出普通光學元件徑厚比小于10:1的要求。由于徑厚比大,所以光學元件在加工和測量的過程中很容易受到重力、裝夾力等的影響而變形,影響加工和檢測的精度。介紹了采用新興的數控加工技術有效的避免了加工過程中各種裝夾力、重力對面型的影響;通過優化參數,加工效率也得到了有效的提高。

1 引　言

　　在ICF裝置中使用了成千上萬的光學元件,這些光學元件尺寸大,所要求的加工精度高。薄型光學元件的種種優點使其在此領域得到越來越廣泛的應用。在高功率固體激光裝置上,熔石英材料的屏蔽片就是典型的薄型光學元件,例如外形尺寸為320 mm320 mm10 mm,加工要求為單次透射波前畸變/6(;=6328 nm)。由外形尺寸可知,其徑厚比為45∶1,遠遠大于普通光學元件徑厚比小于10∶1的要求。由于徑厚比大,所以光學元件在加工和測量的過程中很容易由于重力、裝夾力而變形,影響加工和檢測的精度。如何在加工和檢測過程中避免外力的影響,提高加工效率是筆者研究的目標。

2 加工過程中裝夾變形的影響

　　不論是在傳統冷加工過程還是在數控加工過程中,元件的裝夾定位都將導致光學元件不同程度的彈性變形。傳統加工的加工方式決定了它是將裝夾變形后的元件表面面型向絕對平面或球面的趨勢加工。這樣在光學元件加工完成后,從裝夾中取出時,因裝夾引起的彈性變形得到恢復,面型又發生了變化。

　　由上面的分析可知,傳統的加工方式即使在理想的加工去除下,也不能克服由裝夾而產生的元件變形帶來的影響。傳統的加工方式若要得到好的加工結果,必須在元件加工的裝夾方面作重大改進,使裝夾不產生彈性形變,而這對于徑厚比為45∶1的光學元件來說是相當困難的。

　　上面只考慮了裝夾力對加工的影響,而加工本身由于工具與工件之間的作用也將產生動態的加工應力。綜合定量地考慮這些受力情況是相當復雜的。

　　數控加工方式與傳統加工方式有本質的不同。數控加工是用小磨頭對光學元件的局部進行修磨,修磨的范圍大小和深度多少可以方便地控制。由于用小磨頭加工,加工時的加工應力也只影響加工的局部,所以對面型的影響是相當有限的。

3 數控實驗裝置簡介

　　實驗所使用的數控機床是從俄羅斯引進的AD1000型數控拋光機。AD-1000采用龍門式結構,可使工具主軸(Z軸)沿X、Y坐標移動,工具可沿Z軸移動。工具在X、Y、Z三個坐標方向上的移動速度和距離可通過計算機來控制。工件固定在工作臺上,不可轉動。

　　該機床的工具繞Z軸作圓環擺動(公轉),同時在摩擦力的作用下,工具又有自轉運動。工具的自轉中心到Z軸的距離(偏心距)手動可調,圓環擺動速度(工具主軸轉速)可通過計算機控制。

　　機床加在工具上的壓力采用氣動加壓,壓力的大小可視工件材料、尺寸及去除量手動調節(在一個加工循環中,壓力是恒定的)。

　　試驗件外形尺寸為320 mm320 mm10 mm的熔石英玻璃。

4 實驗過程、結果和收斂效率

　　此元件的初拋光采用傳統單軸機進行,在經過一個多月的拋光后,面型達到兩次透射波前4302。由于傳統加工的裝夾和加工時的受力情況影響,所以使元件面型變化劇烈。用樣板觀察反射面型,需要數小時的時間面型才能穩定下來。而工件在傳統中的裝夾方式決定了它在一次加工中不方便在干涉儀上檢測透射面型。因此此時傳統加工方式已不能有效地加工以提高精度了。

　　在這種情況下采用了數控加工。直接以透射波前畸變為加工目標,指導加工過程。由于透射波前畸變對受力產生的面型彎曲變化不敏感,因此測量不需要很長的平衡時間,測量的可重復性也很高。

　　經過19次數控加工,面型穩定地收斂,最后達到單次透射波前畸變0180。每次數控加工的時間根據面型的實際情況由幾十分鐘到數小時不等。

　　在加工過程中,通過加工參數的優化,在加工的不同時期相應地采用不同的加工參數,以便在提高效率的同時降低小磨頭加工所容易引起的局部誤差。實踐證明加工效果較好。整個加工只用了8天的時間。

5 實驗分析

　　由面型的收斂效率曲線可見,數控加工參數優化后,面型的收斂是相當穩定的,基本上不產生面型的反復跳動。數控加工基本克服了薄板由于裝夾和加工時受力所帶來的對面型的影響。面型收斂效率相當可觀。在面型誤差較大時,面型每次收斂的量也較大;在加工結果接近最終要求時,面型的收斂約為每次005。

　　在形成的最終面型上可以看出:數控加工產生的少量局部面型突變是小磨頭加工的固有缺陷,在本次實驗中通過參數的優化,已使這種局部面型的突變得到了很大程度的抑制。