李世杰，田 榮，王守義，李 宏，劉衛(wèi)國

(西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院/陜西省薄膜技術(shù)與光學(xué)檢測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710021)

紅外技術(shù)對提高國家國防實(shí)力和推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著深遠(yuǎn)的意義，其中包括紅外成像技術(shù)、紅外對抗技術(shù)以及紅外隱身技術(shù)等，這些先進(jìn)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于軍用和民用的各個(gè)領(lǐng)域[1-6]。為滿足軍事上的高精需求，紅外技術(shù)已成為世界各國軍事研究的重點(diǎn)方向之一，其中包括紅外夜視技術(shù)、紅外探測技術(shù)、紅外點(diǎn)源、成像制導(dǎo)技術(shù)以及紅外對抗技術(shù)等[1-4]。民用領(lǐng)域的應(yīng)用主要表現(xiàn)在商業(yè)和民用安防監(jiān)控、消防配備、供電設(shè)備檢修、企業(yè)制程控制、醫(yī)療檢測設(shè)備、氣象預(yù)報(bào)、建筑外墻飾面層檢測、資源勘探和地球環(huán)境監(jiān)測等日常生活的各個(gè)方面，紅外技術(shù)因其自身具備的高靈敏性、寬譜段、低成本、模塊化和便攜式等特點(diǎn)，將為民用領(lǐng)域帶來更廣闊的前景[5-6]。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，隨著使用環(huán)境的復(fù)雜化，為了適應(yīng)惡劣的環(huán)境，還同時(shí)要求其具有很好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和溫度特性，這就需要不斷提高和發(fā)展紅外系統(tǒng)的性能[3-4]。各種紅外系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，性能高低不一，其中紅外光學(xué)系統(tǒng)是不可或缺的組成部分之一，并且整個(gè)系統(tǒng)的性能也會直接受它限制，而紅外光學(xué)元件對紅外系統(tǒng)性能的整體發(fā)揮同樣有著重要意義。

目前，國內(nèi)外對于紅外光學(xué)元件的加工方法主要包括傳統(tǒng)的研磨拋光技術(shù)和單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)(Single Point Diamond Turning，SPDT)，這兩種加工方法均有各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性[7-9]。傳統(tǒng)的研磨拋光加工方式主要用來制造平面和球面類紅外光學(xué)元件，而難以對非球面元件進(jìn)行加工。該方法存在成本高，加工步驟冗繁，生產(chǎn)周期長和加工元件一致性差等不可避免的缺點(diǎn)，特別是非球面光學(xué)元件，其加工難度大，產(chǎn)量有限和生產(chǎn)效率低下[9-10]。采用單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)加工紅外光學(xué)元件已得到廣泛應(yīng)用，可以加工平面、球面、非球面，甚至自由曲面光學(xué)元件，比傳統(tǒng)加工方法相比，SPDT技術(shù)具有成本低、污染小、效率高和一致性好等特點(diǎn)[11-14]。但由于加工過程中各種誤差的存在，其加工精度往往不能滿足高精度制造的要求。為此，本文提出采用補(bǔ)償加工技術(shù)，以檢測結(jié)果為基礎(chǔ)，對車削加工程序進(jìn)行修正，然后利用修正程序再次對紅外光學(xué)元件進(jìn)行加工，從而有效地提升其制造精度。

1 補(bǔ)償加工原理

1.1 SPDT加工紅外光學(xué)元件

以高精度運(yùn)動導(dǎo)軌與旋轉(zhuǎn)主軸為基礎(chǔ)，采用高精度天然金剛石刀具對工件表面進(jìn)行微量切削性加工的單點(diǎn)金剛石車削加工技術(shù)，已經(jīng)成為紅外材料光學(xué)元件加工的主要技術(shù)之一。常用的SPDT車床布局如圖1(a)所示，待加工工件安裝在主軸上隨主軸一起旋轉(zhuǎn)(C軸)，金剛石刀具安裝在刀架上并放置在工作臺上。隨著C軸的高速旋轉(zhuǎn)，以及X軸與Z軸的協(xié)同運(yùn)動，金剛石刀具在工件表面進(jìn)行螺旋線運(yùn)動(如圖1(b)所示)，對工件表面進(jìn)行微量去除[15]。該加工方式只能對旋轉(zhuǎn)對稱型表面進(jìn)行加工。因此，從理論上來說，該方式加工出來的工件表面應(yīng)具有旋轉(zhuǎn)對稱性，對應(yīng)的面形誤差類型也應(yīng)該具有旋轉(zhuǎn)對稱性[16]。

對于常見的紅外光學(xué)元件，其材料為硫化鋅(ZnS)、硒化鋅(ZnSe)和鍺(Ge)。該類材料屬于脆性材料，加工過程中容易發(fā)生脆性形變，從而影響表面質(zhì)量。結(jié)合前期研究成果，采用負(fù)前角的金剛石刀具，選擇合適的加工參數(shù)(包括主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速率和切削深度)，能夠有效抑制脆性形變，使加工過程一直處于塑性形變范圍內(nèi)，達(dá)到納米量級的表面粗糙度[13-14]。但是加工過程中，由于各種誤差的存在(包括刀具位置誤差、刀具波紋度誤差、車床運(yùn)動誤差和環(huán)境振動誤差等)，加工工件的面形往往與設(shè)計(jì)值有較大的偏差。這些誤差的存在使得加工的工件難以滿足高精度的應(yīng)用需求。因此，非常有必要使用合適的補(bǔ)償加工技術(shù)，有效地減小面形誤差。

圖1 常見SPDT車床布局與螺旋線加工軌跡示意圖

1.2 補(bǔ)償加工技術(shù)

在利用SPDT技術(shù)加工紅外光學(xué)元件的過程中，由于金剛石刀具存在刃口波紋度誤差、SPDT運(yùn)動誤差和環(huán)境振動誤差等因素，導(dǎo)致金剛石刀具與工件之間的切削點(diǎn)不再是理想點(diǎn)，這必定使被車削的工件表面產(chǎn)生面形誤差。由于每次待加工工件的面型參數(shù)不同，其對應(yīng)的加工路徑和使用的金剛石刀具也不同，使得在加工不同工件時(shí)，產(chǎn)生的工件表面面形誤差不同。但若待加工工件的面型參數(shù)(加工路徑)與金剛石刀具未改變，基于單點(diǎn)金剛石車床本身的高度穩(wěn)定性，其加工獲得的工件表面面形誤差具有高度的可重復(fù)性，這在以往的加工實(shí)驗(yàn)中已得到反復(fù)驗(yàn)證。也正因?yàn)樵撝貜?fù)性，為補(bǔ)償加工技術(shù)提供了可行性。

所謂補(bǔ)償加工技術(shù)，即以高精度檢測結(jié)果為基礎(chǔ)，對車削加工程序進(jìn)行修正，然后采用修正后的加工程序?qū)ぜM(jìn)行再次加工，即對誤差進(jìn)行補(bǔ)償，獲得高精度的加工結(jié)果。本文以平面元件加工為例，詳細(xì)闡述補(bǔ)償加工技術(shù)的原理與流程，如圖2所示。

圖2 補(bǔ)償加工技術(shù)原理流程圖(以平面光學(xué)元件為例)Fig.2 Schematic Principle Diagram of the compensation processing technology (with flat optical elements as an example)

如圖2所示的補(bǔ)償加工技術(shù)原理，采用SPDT加工平面光學(xué)元件，需要將工件裝夾于旋轉(zhuǎn)主軸中心，并隨主軸旋轉(zhuǎn)。對工件表面進(jìn)行微量去除，只需從工件邊緣運(yùn)動到工件中心(或從中心運(yùn)動到邊緣)，即可對整個(gè)工件表面進(jìn)行去除加工。加工完成后，采用輪廓儀或干涉儀對工件表面面形進(jìn)行檢測，獲得誤差曲線。若面形測量結(jié)果大于精度要求，則根據(jù)該誤差曲線，結(jié)合原始加工路徑，生成修正加工程序。然后再次對工件進(jìn)行加工，獲得高精度的加工結(jié)果。若面形檢測結(jié)果仍不滿足精度要求，則再次重復(fù)該流程，直至最終精度滿足要求為止。該誤差補(bǔ)償方法具有很好的彈性，可以依據(jù)實(shí)際加工情況而做出相應(yīng)調(diào)整。因此，根據(jù)面形測量結(jié)果，配備相應(yīng)的補(bǔ)償算法與程序，動態(tài)調(diào)控補(bǔ)償加工程序，實(shí)現(xiàn)對工件面形精度的快速提升。該方法是提高單點(diǎn)金剛石車削加工精度的一項(xiàng)重要舉措。但補(bǔ)償加工技術(shù)的應(yīng)用，也需滿足兩個(gè)條件：① 每次加工結(jié)果的可重復(fù)性，即采用相同的程序和參數(shù)，加工得到的面形結(jié)果應(yīng)該是一致的；② 檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，即面形檢測結(jié)果是工件的真實(shí)面形誤差。

2 實(shí)驗(yàn)研究及結(jié)果分析

本文以兩個(gè)不同材料、不同形狀的紅外光學(xué)元件的補(bǔ)償加工驗(yàn)證補(bǔ)償加工技術(shù)的有效性。

2.1 對ZnSe材料光學(xué)元件的補(bǔ)償加工實(shí)驗(yàn)

ZnSe材料作為常用的紅外光學(xué)材料，在短波紅外及中波紅外系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。本文以該材料為實(shí)驗(yàn)對象，其工件表面參數(shù)及精度要求見表1。

表1 ZnSe材料光學(xué)元件面型參數(shù)及精度要求 (λ=632.8 nm)

在ZnSe材料光學(xué)元件的加工過程中，由于該類材料的硬脆特性，需要采用負(fù)前角刀具加工，以便抑制脆性形變，保證加工表面的表面質(zhì)量。在Diffsys軟件中，根據(jù)表1所示的參數(shù)設(shè)計(jì)得到相應(yīng)的車削加工程序，其中所采用的金剛石刀具參數(shù)見表2。

表2 金剛石刀具參數(shù)

實(shí)際加工時(shí)，先采用粗加工參數(shù)，將工件表面的大量誤差與研磨造成的大量破壞層去掉，然后再用精加工參數(shù)加工，獲得良好的表面質(zhì)量。具體參數(shù)見表3。

表3 車削加工參數(shù)

加工完成后，采用Taylor Hobson PGI Optics接觸式輪廓儀對其面形進(jìn)行檢測，同時(shí)利用Aspherics Analysis Utility (AAU)軟件對檢測結(jié)果進(jìn)行分析，得到的面形誤差曲線如圖3所示。其面形誤差為PV=252.4 nm(約2/5λ)，RMS=67.28 nm(約1/10λ)，顯然不滿足精度要求，故需采用補(bǔ)償加工技術(shù)對其面形精度進(jìn)行提升。

圖3 ZnSe第一次加工得到的面形測量結(jié)果Fig.3 Shape measurement results obtained in the first processing of ZnSe

如圖3所示的面形檢測誤差曲線幾乎成對稱分布，符合SPDT加工的特點(diǎn)。該誤差類似“W”型。若要對該誤差進(jìn)行補(bǔ)償，則補(bǔ)償曲線應(yīng)該類似“M”型。圖4中的藍(lán)色曲線為面形檢測誤差曲線，根據(jù)該誤差曲線在Matlab程序中生成對應(yīng)的誤差補(bǔ)償曲線，如圖4中紅色曲線所示。

圖4 修正加工路徑

將圖4中的誤差補(bǔ)償曲線與初始加工路徑疊加，生成修正加工路徑，然后采用重新生成的修正加工程序，對ZnSe工件進(jìn)行第二次加工。同樣利用表2中的金剛石刀具與表3中的加工參數(shù)，加工結(jié)束后，再次對其面形進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如圖5所示。由圖5可見，其面形檢測結(jié)果得到了較大地提升，從第一次加工后的PV=252.4 nm(約2/5λ)和RMS=67.28 nm(約1/10λ)提升到第二次補(bǔ)償加工后的PV=58.26 nm(約1/11λ)和RMS=10.62 nm(約1/60λ)。僅通過一輪加工即可達(dá)到表1所示的精度要求，有效驗(yàn)證了補(bǔ)償加工技術(shù)的可行性與高效性。

圖5 ZnSe第二次補(bǔ)償加工得到的面形測量結(jié)果Fig.5 Shape measurement results obtained in the second processing of ZnSe

2.2 對Ge材料光學(xué)元件的補(bǔ)償加工實(shí)驗(yàn)

本文同樣采用補(bǔ)償加工技術(shù)對Ge材料的紅外光學(xué)元件進(jìn)行加工，驗(yàn)證該技術(shù)的有效性。表4為該光學(xué)元件的面型參數(shù)與精度要求。

表4 Ge材料光學(xué)元件面型參數(shù)及精度要求

由于Ge與ZnSe有著類似的材料特性(同屬于脆型材料)，故可以采用類似的金剛石刀具與加工參數(shù)對其進(jìn)行加工。因此，同樣選用表2的金剛石刀具與表3的加工參數(shù)對Ge材料光學(xué)元件進(jìn)行加工。然后同樣利用Taylor Hobson PGI Optics接觸式輪廓儀對其面形進(jìn)行檢測，第一次加工后面形檢測結(jié)果如圖6所示，Ge的PV=181.0 nm，RMS=44.04 nm。

圖6 Ge第一次加工得到的面形測量結(jié)果Fig.6 Shape measurement results obtained in the first processing of Ge

從圖6可以看出，該面形誤差為中間低，兩邊高的形狀，類似“V”形，對應(yīng)的誤差補(bǔ)償曲線則應(yīng)為“Λ”形。同樣采用補(bǔ)償加工技術(shù)對該元件進(jìn)行第二次加工，其修正加工程序生成方式和補(bǔ)償加工流程與加工ZnSe材料元件類似。重新加工后，獲得的第二次補(bǔ)償加工后的面形檢測結(jié)果如圖7所示,Ge的PV=60.0 nm，RMS=7.36 nm。

對比第一次加工的面形測量結(jié)果(圖6)與第二次補(bǔ)償加工后的面形測量結(jié)果(圖7)可見，Ge材料光學(xué)元件的面形誤差有了大幅度的提升，也是僅通過一輪補(bǔ)償加工，其加工精度就達(dá)到了高精度的制造要求。

圖7 Ge第二次補(bǔ)償加工得到的面形測量結(jié)果Fig.7 Shape measurement results obtained in the second processing of Ge

3 結(jié) 論

采用SPDT對紅外材料光學(xué)元件的加工，由于各種誤差的存在，導(dǎo)致加工的工件存在較大的面形誤差。為了有效地減小該誤差，文中提出了補(bǔ)償加工技術(shù)，并采用該技術(shù)對兩種常見的紅外材料光學(xué)元件進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論為：

1) 對于口徑為30mm的ZnSe材料二次非球面元件，通過一次補(bǔ)償加工，面形精度從PV=252.4 nm和RMS=67.28 nm提升到PV=58.26 nm和RMS=10.62 nm；對于口徑為40 mm的Ge材料高次非球面元件，也是通過一次補(bǔ)償加工，面形精度從PV=181.0 nm和RMS=44.04 nm提升到PV=60.0 nm和RMS=7.36 nm。這充分說明了該技術(shù)具有可靠性和有效性，為紅外材料光學(xué)元件的高精度加工提供了一種有效的途徑。

2) 基于SPDT的補(bǔ)償加工技術(shù)，是以車床加工的可重復(fù)性和檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性為基礎(chǔ)。由于SPDT的加工方式限制，默認(rèn)其面形誤差為旋轉(zhuǎn)對稱型誤差，故常用的補(bǔ)償曲線是以通過工件中心的一條曲線。但若面形誤差中存在由于裝夾方式、環(huán)境變化及材料應(yīng)力變形等原因引入的非旋轉(zhuǎn)對稱誤差，該補(bǔ)償加工技術(shù)則無效，這也是本文提出的補(bǔ)償加工技術(shù)的局限性。對于被加工工件的非旋轉(zhuǎn)對稱面形誤差，除了需要找出產(chǎn)生該類誤差的原因，并予以抑制或消除外，還需要研究其他補(bǔ)償加工技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)對該類誤差的補(bǔ)償加工。