WC、SiC光学模压模具的大气等离子体化学加工方法 【技术领域】
本发明涉及一种WC、SiC光学模压模具的大气等离子体化学加工方法。
背景技术
与各种塑料镜片相比，玻璃材料的光学镜片由于具有高折射率、低热膨胀系数等光学性能而得到越来越广泛的应用。它可以用于制造军用和民用光学仪器中使用的各种透镜、棱镜以及滤光片；制造光通信用的光纤耦合器用透镜；制造光盘用的聚光非球面透镜；制造数码相机、数码摄像机、手机等的镜头；制造取景器用的各种非球面、甚至是衍射光学透镜等，全球每年对这一类光学零件的需求量达到上亿片，采用传统的磨削、抛光的工艺已无法满足如此大批量玻璃光学零件的生产加工。目前高精度光学元件的复制加工采用光学玻璃透镜模压成型技术，它是把软化的玻璃放入高精度的模具中，在加温加压和无氧的条件下，一次性直接模压成型出达到使用要求的光学零件。这对模压模具的制作提出了很高的要求，它要求模具材料具备如下特征：①、表面无疵病，能够研磨成无气孔、光滑的光学镜面；②、在高温环境条件下具有很高的耐氧化性能，表面质量稳定，而且结构不发生变化，面形精度和光洁度保持不变；③、不与玻璃发生反应、不会发生粘连现象，脱模性能好；④、高温条件下具有很高的硬度和强度等。综上所述，SiC(碳化硅)、WC(碳化钨)材料成为制作光学模具的首选材料。
SiC、WC材料由于硬脆很难加工，为保证加工模具的精密，目前采用高刚性、分辨率0.01μm以下的高分辨率超精密计算机数字控制加工机床进行加工，加工成型后用金刚石磨轮进行磨削以获得所期盼的形状精度，然后再抛光精加工成光学镜面；对微型透镜压型用模具的加工，要求更加严格，需进一步提高精度和减轻磨削的痕迹。由于目前WC、SiC光学模压模具加工成型后采用的磨削及抛光工艺加工效率低、表面质量差、粗糙度一般很难低于10nm，并且普遍存在加工中的亚表层损伤，使得模具的使用寿命降低。
【发明内容】
本发明的目的是为了解决目前SiC、WC材料的光学模压模具加工成型后，采用磨削及抛光工艺进行加工存在的加工效率低、表面质量差、会产生亚表层损伤使模具的使用寿命降低的问题，提供了一种WC、SiC光学模压模具的大气等离子体化学加工方法。
实现本发明方法的装置由等离子体发生器、射频电源、阻抗匹配器、冷却水泵、等离子体气体瓶、反应气体瓶、第一流量控制器、第二流量控制器、气体混合室、输气管、氧气瓶和第三流量控制器组成，
等离子体发生器包括相互平行或同轴套装的阴极和阳极，阴极和阳极的外表面分别镀有绝缘膜，阴极和阳极的内部空腔分别通过管路连通冷却水泵的一个出口，阴极和阳极分别对应连接经阻抗匹配器阻抗匹配后的射频电源的负极和正极，与气体混合室连通的输气管的出口端位于阴极和阳极相对所形成的区域内，等离子体气体瓶通过第二流量控制器连通气体混合室，反应气体瓶通过第一流量控制器连通气体混合室，氧气瓶通过第三流量控制器连通气体混合室；加工的步骤为：
步骤一、打开冷却水泵，使等离子体发生器的阴极和阳极的内部空腔通入循环冷却水；
步骤二、预热射频电源、第一流量控制器、第二流量控制器和第三流量控制器，预热时间为5-10分钟；
步骤三、完成预热后，打开等离子体气体瓶、反应气体瓶和氧气瓶，等离子体气体瓶中等离子体气体为He或Ar，反应气体瓶中反应气体为含氟气体，通过第一流量控制器、第二流量控制器和第三流量控制器分别调节等离子体气体、反应气体和氧气的流量，等离子体气体的流量为1升/分钟～40升/分钟，反应气体和氧气与等离子体气体的流量比为1∶10～1∶1000；
步骤四、当等离子体发生器的阴极和阳极之间充满等离子体气体、反应气体和氧气的混合气体后，启动射频电源，逐步增加射频电源的输出功率，使输出功率达到200W～800W，同时控制反射功率为零，在射频电源工作的过程中持续稳定地通入混合气体，使阴极和阳极之间有一个稳定的等离子体气体放电区域，呈放电状态的等离子体气体随着混合气体的通入，在等离子体发生器的出口处形成等离子体射流；
将WC或SiC光学模压模具的欲加工表面置于等离子体射流区域内让其发生化学反应，形成的模具表面具有准高斯曲面形状，截面曲线具有如下形式：
f(x)=-ae-x2/c]]>
单位时间加工出的模具的高斯曲面函数为：
f(x,y)=-ae-(x2+y2)/c]]>
式中x：模具加工截面最低点的垂线与模具原始平面的交点为原点的横坐标；
y：模具加工截面最低点的垂线与模具原始平面的交点为原点的纵坐标；
a、c：高斯曲面参数；
根据模具的初始形状及最终要达到的形状要求计算模具表面材料的去除量，依靠卷积定理解算驻留时间函数，模具表面材料的去除量满足以下公式1：
h(x,y)=f(x,y)*g(x,y)=∫∫-ae-(u2+v2)/cg(x-u,y-v)dudv---1]]>
式中g(x，y)：驻留时间函数；
u、v：是在数学中做卷积时引入的量；
将公式1进行傅里叶变换得到公式2：
H(ωx，ωy)＝F(ωx，ωy)·G(ωx，ωy)， 2
将公式2变形得到公式3：G(ωx，ωy)＝H(ωx，ωy)/F(ωx，ωy)，3
对公式3进行傅里叶逆变换，得到驻留时间函数g(x，y)；
由驻留时间函数g(x，y)确定WC或SiC光学模压模具在等离子体射流区域驻留的时间，由WC或SiC光学模压模具的粗成型加工、精密成型加工、超精密面型修整或超光滑面型加工的要求选择或阶梯式重复步骤三和步骤四完成对WC或SiC光学模压模具的面型加工。
本发明的优点是：
本发明以化学反应的方式实现对加工成型后的SiC、WC光学模压模具的表面的精加工，能够实现对模具表面材料的高效去除，由于为非接触式化学反应，能够实现各向同性的原子级的材料去除，形成超精密、超光滑的光学表面，使表面粗糙度达到1nm以下，并且不会造成表层及亚表层损伤，有效提高模具的耐用度；采用本发明可以实现对加工成型后的SiC、WC光学模压模具表面精加工的整个工艺过程，它能够同时取代超精密磨床和超精密研抛机床，并通过控制工艺参数实现对模具的高精度加工；本发明的加工方法为纯化学过程，没有加工力的作用，因此，大大降低了对机械系统的精度和刚度的要求，降低了系统成本；本发明在等离子体气体的作用下通过氧化反应的方法实现对SiC、WC光学模压模具的表面的精加工，使得原本需要在上千度的温度条件下才得以进行的化学反应在常温下就可以实现，反应过程稳定可控，并且等离子体在开放的大气条件下产生，避免了采用真空反应容器，大大降低了成本。
【附图说明】
图1是实现本发明方法的装置的整体结构示意图；图2是图1中A-A的剖视图；图3是实施方式八中采用的等离子体发生器的结构示意图；图4是图3中B-B的剖视图；图5是实施方式九中采用的等离子体发生器的结构示意图；图6是模具加工过程中表面材料去除的轮廓截面图，横坐标表示工件表面的位置，纵坐标表示加工去除深度；图7是本发明用于模具加工的工艺过程流程图。
【具体实施方式】
具体实施方式一：下面结合图1、图6说明本实施方式，实现本发明方法的装置由等离子体发生器1、射频电源2、阻抗匹配器3、冷却水泵4、等离子体气体瓶5、反应气体瓶6、第一流量控制器7、第二流量控制器8、气体混合室9、输气管10、氧气瓶11和第三流量控制器12组成，
等离子体发生器1包括相互平行或同轴套装的阴极1-1和阳极1-2，阴极1-1和阳极1-2的外表面分别镀有绝缘膜，阴极1-1和阳极1-2的内部空腔分别通过管路连通冷却水泵4的一个出口，阴极1-1和阳极1-2分别对应连接经阻抗匹配器3阻抗匹配后的射频电源2的负极和正极，与气体混合室9连通的输气管10的出口端位于阴极1-1和阳极1-2相对所形成的区域内，等离子体气体瓶5通过第二流量控制器8连通气体混合室9，反应气体瓶6通过第一流量控制器7连通气体混合室9，氧气瓶11通过第三流量控制器12连通气体混合室9；其特征在于加工的步骤为：
步骤一、打开冷却水泵4，使等离子体发生器1的阴极1-1和阳极1-2的内部空腔通入循环冷却水；
步骤二、预热射频电源2、第一流量控制器7、第二流量控制器8和第三流量控制器12，预热时间为5-10分钟；
步骤三、完成预热后，打开等离子体气体瓶5、反应气体瓶6和氧气瓶11，等离子体气体瓶5中等离子体气体为He或Ar，反应气体瓶6中反应气体为含氟气体，通过第一流量控制器7、第二流量控制器8和第三流量控制器12分别调节等离子体气体、反应气体和氧气的流量，等离子体气体的流量为1升/分钟～40升/分钟，反应气体和氧气与等离子体气体的流量比为1∶10～1∶1000；
步骤四、当等离子体发生器1的阴极1-1和阳极1-2之间充满等离子体气体、反应气体和氧气的混合气体后，启动射频电源2，逐步增加射频电源2的输出功率，使输出功率达到200W～800W，同时控制反射功率为零，在射频电源2工作的过程中持续稳定的通入混合气体，使阴极1-1和阳极1-2之间有一个稳定的等离子体气体放电区域，呈放电状态的等离子体气体随着混合气体的通入，在等离子体发生器1的出口处形成等离子体射流；
将WC或SiC光学模压模具的欲加工表面置于等离子体射流区域内让其发生化学反应，形成的模具表面具有准高斯曲面形状，截面曲线具有如下形式：
f(x)=-ae-x2/c]]>
单位时间加工出的模具的高斯曲面函数为：
f(x,y)=-ae-(x2+y2)/c]]>
式中x：模具加工截面最低点的垂线与模具原始平面的交点为原点的横坐标；
y：模具加工截面最低点的垂线与模具原始平面的交点为原点的纵坐标；
a、c：高斯曲面参数；
根据模具的初始形状及最终要达到的形状要求计算模具表面材料的去除量，依靠卷积定理解算驻留时间函数，模具表面材料的去除量满足以下公式1：
h(x,y)=f(x,y)*g(x,y)=∫∫-ae-(u2+v2)/cg(x-u,y-v)dudv---1]]>
式中g(x，y)：驻留时间函数；
u、v：是在数学中做卷积时引入的量；
将公式1进行傅里叶变换得到公式2：
H(ωx，ωy)＝F(ωx，ωy)·G(ωx，ωy)， 2
将公式2变形得到公式3：G(ωx，ωy)＝H(ωx，ωy)/F(ωx，ωy)，3
对公式3进行傅里叶逆变换，得到驻留时间函数g(x，y)；
由驻留时间函数g(x，y)确定WC或SiC光学模压模具在等离子体射流区域驻留的时间，由WC或SiC光学模压模具的粗成型加工、精密成型加工、超精密面型修整或超光滑面型加工的要求选择或阶梯式重复步骤三和步骤四完成对WC或SiC光学模压模具的面型加工。
模具加工完成后，关闭射频电源2、等离子体气体瓶5、反应气体瓶6、氧气瓶11、第一流量控制器7、第二流量控制器8和第三流量控制器12，然后取下已加工完成的模具。
本实施方式中氧气瓶11内的氧气纯度为99.9％，反应气体瓶6中反应气体可为CF4、NF3或SF6等含氟气体；高斯曲面函数中涉及的参数a、c可通过实验拟合给出的点加工参数运算得出。
工作原理：
本发明基于介质阻挡电容耦合射频等离子体放电原理，等离子体发生器1的电极外表面分别镀有绝缘膜，在其中通入适当的反应气体，如CF4、O2等，通过射频电源激发形成介质阻挡放电的方法得到稳定的等离子体射流，反应气体被等离子体电离，生成大量激发态氟原子。通过控制射流的形状、反应气体的流量、射流在模具表面的驻留时间等参数来加工模具，实现了对SiC、WC等材料的光学模压模具的高效、超精密、超光滑加工。
材料的去除主要基于等离子体射流中的激发态氟原子与工件表面原子发生化学反应，生成SiF4、WF4等在常温下呈气态的物质，并顺利地从工件表面去除。由于整个过程是在开放的大气环境中进行，等离子体中的电子、带电离子由于气体密度很高，其在电场加速下的动能很快就会被相互的碰撞抵消掉了。因此，该过程是一个各向同性的化学反应过程，从而保证了工件表面材料的均匀去除。
氧气在等离子体气体的作用下能够发生电离，产生激发态的氧原子，以反应气体SF6为例，SF6在等离子体气体的作用下，会被分解，产生激发态的F*原子，F*原子与WC和SiC材料的工件表面接触，产生如下化学反应：
02+e-＞O＊+O＊+e
SF6+e-＞F*++e
WC+F*+O＊--＞WF6↑+CO2↑
SiC+F*+O＊--＞SiF4↑+CO2↑
模具面型生成原理：
稳定的等离子射流与模具表面接触并发生化学反应，形成的工件表面具有准高斯曲面形状，截面曲线具有f(x)=-ae-x2/c]]>的形式，模具截面如图6所示。利用计算机控制等离子体发生器1，使其在不同位置停留不同时间，就能实现复杂表面形貌的加工。这个由平面点停留时间构成的数据块就是驻留函数，记作g(x，y)。
具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的不同之处在于步骤三中，选择等离子体气体的流量为20升/分钟，反应气体和氧气与等离子体气体的流量比为1∶10；步骤四中，使射频电源2的功率达到800W，对WC或SiC光学模压模具进行粗成型加工。其它组成及连接关系与实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与实施方式二的不同之处在于重复步骤三，选择等离子体气体的流量为20升/分钟，反应气体和氧气与等离子体气体的流量比为1∶20；步骤四中，使射频电源2的功率达到500W，对WC或SiC光学模压模具进行精密成型加工。其它组成及连接关系与实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式与实施方式三的不同之处在于再重复步骤三，选择等离子体气体的流量为10升/分钟，反应气体和氧气与等离子体气体的流量比为1∶40；步骤四中，使射频电源2的功率达到400W，对WC或SiC光学模压模具进行超精密面型修整。其它组成及连接关系与实施方式三相同。
具体实施方式五：下面结合图7说明本实施方式，本实施方式与实施方式四的不同之处在于再重复步骤三，选择等离子体气体的流量为5升/分钟，反应气体和氧气与等离子体气体的流量比为1∶100；步骤四中，使射频电源2的功率达到200W，控制等离子体射流在模具表面以2mm/s-6mm/s的速度匀速通过，对WC或SiC光学模压模具进行超光滑面型加工。其它组成及连接关系与实施方式四相同。
下面给出一个完整的模具加工的工艺过程：1、将模具毛坯装夹好；2、粗成型加工：根据毛坯的初始形状以及最终的形状要求，计算所需的材料去除量，确定工艺参数为：等离子体气体流量20升/分钟，反应气体、氧气与等离子体气体的流量比为1∶10，射频电源2的输出功率取800W，并根据驻留时间函数确定等离子体射流在模具表面的驻留时间，机床数控系统根据驻留时间函数控制机床上模具在等离子体射流区域驻留的时间并完成加工；3、精密成型加工：根据粗成型加工面型与最终形状要求之间的误差，计算所需的材料去除量，确定工艺参数为：等离子体气体流量20升/分钟，反应气体、氧气与等离子体气体的流量比为1∶20，射频电源2的输出功率取500W，并根据驻留时间函数确定等离子体射流在模具表面的驻留时间，机床数控系统根据驻留时间函数控制机床上模具在等离子体射流区域驻留的时间并完成加工；4、超精密面型修整：根据精密成型加工面型与最终形状要求之间的误差，计算所需的材料去除量，确定工艺参数为，等离子体气体的流量10升/分钟，反应气体、氧气与等离子体气体的流量比为1∶40，射频电源2的输出功率取400W，并根据驻留时间函数确定等离子体射流在模具表面的驻留时间，机床数控系统根据驻留时间函数控制机床上模具在等离子体射流区域驻留的时间并完成加工；然后检测面型精度，如不满足要求，则重复本阶段加工；5、超光滑面型加工：本阶段的工艺参数取：等离子体气体的流量5升/分钟，反应气体、氧气与等离子体气体的流量比为1∶100，射频电源2的输出功率取200W，等离子体射流在模具表面匀速通过；最后对面型精度和表面质量进行检测，包装。
具体实施方式六：本实施方式与实施方式五的不同之处在于等离子体射流在模具表面匀速通过的速度为4mm/s。其它组成及连接关系与实施方式五相同。
当等离子体射流以4mm/s的速度匀速通过模具表面时，加工去除速率相对较好，加工截面形状符合高斯曲面。
具体实施方式七：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式与实施方式一、二、三、四、五或六的不同之处在于所述等离子体发生器1的阴极1-1和阳极1-2为两个同轴套装的圆筒，内筒作为阳极1-2，外筒作为阴极1-1。其它组成及连接关系与实施方式一、二、三、四、五或六相同。
在本实施方式中，等离子体发生器1的阴极1-1和阳极1-2采用同轴方式，通过向同轴电极之间通入等离子体气体、氧气和反应气体的混合物，并在同轴电极上施加射频功率信号，等离子体放电即在同轴电极之间产生，等离子体随等离子体气体的流动被引出同轴电极，从而形成等离子体射流。
具体实施方式八：下面结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式与实施方式一、二、三、四、五或六的不同之处在于所述等离子体发生器1还包括绝缘介质1-3，阴极1-1和阳极1-2相互平行放置，阴极1-1和阳极1-2之间由绝缘介质1-3封闭形成密闭的空间，阴极1-1的中心处加工有直径为1mm～5mm的圆孔作为等离子体射流的出口。其它组成及连接关系与实施方式一、二、三、四、五或六相同。
在本实施方式中，通过向平行电极之间通入等离子体气体、氧气和反应气体的混合物，并在平行电极上施加射频功率信号，等离子体放电即在两个电极之间产生，等离子体随等离子体气体的流动，通过阴极1-1上的圆孔被引出放电区域，从而形成等离子体射流。
具体实施方式九：下面结合图5说明本实施方式，本实施方式与实施方式一、二、三、四、五或六的不同之处在于所述等离子体发生器1还包括绝缘陶瓷管1-4，阴极1-1和阳极1-2平行套接在绝缘陶瓷管1-4的外表面，阴极1-1和阳极1-2之间的距离为5mm～15mm。其它组成及连接关系与实施方式一、二、三、四、五或六相同。
在本实施方式中，等离子体发生器1的阴极1-1和阳极1-2为两个平行环状电极。将等离子体气体和反应气体的混合物通入绝缘陶瓷管1-4的入口端，同时在两个电极上施加射频信号，在绝缘陶瓷管1-4内产生含活性粒子的等离子体，其在绝缘陶瓷管1-4的出口端喷出后形成用于加工的等离子体射流。
实施方式七、八、九中采用三种不同的等离子体发生器1，它是结合放电原理和实际应用条件的不同而选择使用的。
具体实施方式十：本实施方式与实施方式九的不同之处在于所述阴极1-1和阳极1-2之间的距离为10mm。其它组成及连接关系与实施方式九相同。
本实施方式中两电极的距离为10mm，此距离会使等离子体放电稳定，经实验测定所加工工件的表面粗糙度值是提高最大的。