一种高精度低形变的锗窗抛光上盘装置及上盘方法与流程

本发明涉及光学元件加工的技术领域，尤其涉及一种高精度低形变的锗窗抛光上盘装置及上盘方法。

背景技术：

锗窗作为广泛应用于航天、航空、兵器等国防及民用科技工业系统等领域的重要光学元件，位于红外光学系统的最前端，起着保护红外光学系统和热像仪的作用。为了承受各种严酷的自然环境的侵蚀和破坏，锗窗外表面都要镀制一层既透红外辐射，又具有良好的化学稳定性，能抗湿热、盐雾、淋雨和沙尘等破坏的保护膜，常见的如dlc膜(类金刚石膜)。锗窗通常是光学系统中直径最大的元件，又由于锗单晶的价格每公斤在一万元以上，因此锗窗也常常是光学系统中价值最高的光学元件。

锗窗的结构如图1所示，有两个工作面，均为平面，一面镀dlc膜(类金刚石膜)，一面镀ar膜(高效增透膜)。一般情况下，锗窗的面形精度和表面质量要求为镀膜后：光圈n：4-6，局部光圈δn：0.5-1，表面光洁度b：v级。

从单晶材料到成品，锗窗要经过切片、成形、粗磨、精密、抛光和镀膜等工序，抛光是其中最重要的一道工序，决定锗窗的面形精度和表面质量。抛光需要将零件固定到模具上，即所谓上盘，常见的上盘方法有刚性和弹性上盘两大类。刚性上盘是将零件光胶在模具上，零件和模具直接接触，其间无粘接剂。弹性上盘是零件通过一层粘接剂固定到模具上，由于粘接剂都是硬度不大的物质，具有一定的形变，所以称弹性上盘，由于锗单晶相对较软，光胶时容易划伤零件表面，所以弹性上盘是锗窗最常用的上盘方式。

传统的弹性上盘法是采用柏油、火漆点等粘接剂对锗窗进行粘接，大致分为面粘接、点胶和环形粘接等形式。对易变形或精度要求高的零件，采用点胶和环形粘接，零件下盘后面形变化较小。锗窗在粘接时，粘接剂会在锗窗粘接面形成一定的拉力，即粘接力，使锗窗形成微小的形变，当去掉粘接剂后，应力得到释放，表面变形也得到释放，造成锗窗盘上和盘下面形不一致，增加抛光难度。锗窗在盘上、盘下的变形是由加工方法决定的，难以完全去除，只能设法尽量减小变形量，在保证固定可靠的前提下尽可能减小粘接力，并使粘接力分布均匀。如果粘接剂的厚度不一致，或者火漆点的大小和分布不均匀，亦或粘接环的宽窄不均、大小不合适、粘接偏心等，都会造成粘接力分布不均，使锗窗在下盘后面形发生无规律的变化。

当锗窗面形要求为光圈n：4-6时，即使零件在加工过程(包括上下盘)中发生4道圈的变形，最终零件仍然可能合格。但当面形要求提高到n：1光圈时，就必须严格控制锗窗在每道工序中的光圈变化，否则面形不可能合格，更谈不上批量生产。

在实际生产中发现，采用现有的环形弹性上盘法，锗窗在抛光完工下盘后，面形和盘上相比的变化量在(0.5-1)道圈，显然不能满足高精度锗窗的加工需要。

技术实现要素：

为解决现有技术中，锗窗抛光上盘方法存在的不能满足高精度锗窗的加工需要的技术问题，本发明的技术方案如下：

本发明中的一种高精度低形变的锗窗抛光上盘装置，包括粘接模、粘接剂、定位环及定位座；所述粘接剂为圆环结构，粘接于所述粘接模的一端面；所述定位环的周边具有翻边，中部开设有与粘接模形状相应的中心孔；所述定位座的表面设置限位环，所述限位环的形状与定位环的翻边形状相应，且与中心孔同轴；待抛光锗窗置于所述限位环内，所述定位环扣接于限位环的外部，所述粘接模具有粘接剂的一端依次穿过中心孔及限位环，通过所述粘接剂与锗窗固定。

进一步，所述粘接剂的圆环中心线直径d由待抛光锗窗的直径决定，并满足关系式：d＝kd，k为经验系数，取值范围0.4-0.5，d为锗窗的直径；所述粘接剂的圆环宽度w由待抛光锗窗的直径决定，锗窗的直径φ≤100mm时，w＝20±3mm，100mm＜锗窗的直径φ≤200mm时，w＝30±5mm；所述粘接剂的厚度t的范围为10±5mm。

进一步，所述粘接剂的制备方法为：柏油经加热融化后向其中添加毛毡碎片并搅拌均匀，待其冷却到半凝固状态时，做成圆环形状，置于粘接模圆周但不超出粘接模边缘。毛毡碎片的作用是适当降低粘接剂的作用力，毛毡添加的数量具体根据锗窗的结构尺寸来确定。

进一步，所述粘接剂的圆环截面为梯形，与所述粘接模接触的为梯形下边，与所述锗窗接触的为梯形上边。

进一步，所述定位座为圆形并与限位环同轴，所述定位环的翻边高度大于限位环的高度，所述定位环的翻边高度、限位环的高度均大于锗窗的厚度。

进一步，所述限位环开设多个开口，多个所述开口呈圆形阵列排布于限位环，通过所述开口放置和取出锗窗。

进一步，所述限位环内放置锗窗的底面铺垫一层软质材料，所述软质材料为绵纸或抛光布，用于避免锗窗在放置或取出时和金属夹具碰撞崩边。

进一步，所述定位环的中心孔直径大于粘接模直径1-2mm。

本发明还提供了一种高精度低形变的锗窗抛光上盘方法，包括如下步骤：

步骤一，根据锗窗外径计算粘接环的中心圆直径尺寸，根据中心圆尺寸加工相应的粘接模，准备适量柏油和毛毡碎片；

步骤二，将定位座平放在工作台上，将绵纸铺垫在限位环底面，用手指夹持锗窗，通过限位环侧壁的开口，置于限位环内；

步骤三，将定位环的内壁紧贴限位环的外圆，置于定位座上；

步骤四，将柏油加热融化，放入毛毡碎片，搅拌均匀，待柏油温度降低至可以用手接触操作的温度，取出含毛毡的柏油，手工捏成和粘接模外圆相近的圆环，沿粘接模外圆置于粘接模上，再按要求的宽度和厚度快速精修成形；

步骤五，将尚未完全固化的带粘接剂的粘接模，粘接剂面朝下对准定位环的中心孔，垂直置入并接触到锗窗，适当用力平压，使粘接剂和锗窗充分接触；

步骤六，待粘接剂冷却固化后，将定位环向上退出定位座；

步骤七，取出粘接模和其上固定的锗窗，完成上盘。

进一步，所述步骤二、三、四可调整顺序。

本发明中的一种高精度低形变的锗窗抛光上盘装置及上盘方法，与现有技术相比，其有益效果为：

一、本发明在总结大量加工实际的基础上，对环形粘接剂的制作进行了规范，优化出合理的结构尺寸，明确了掺入毛毡碎片的要求，克服了现有环形粘接剂制作过程的随意性，提高了零件的质量一致性。

二、粘接定位装置的使用，从根本上保证了环形粘接剂、粘接模和锗窗的同轴，也就保证了锗窗所受粘接力的均匀一致。

三、以定位装置代替现有的眼睛观察定位，降低了操作难度，生产效率得到明显提高，提高了同轴对准精度，更重要的是，人眼观察定位无法保证定位准确，往往要将锗窗置于抛光机主轴上，让其旋转，由于锗窗和环形粘接剂不同轴，旋转时会产生偏心，操作者要使用工具对锗窗进行校正，即将旋转时的高点慢慢向中心挤压，直至锗窗在旋转时无明显偏心，这时原来宽度均匀的环形粘接剂在挤压力下势必会发生变形，产生宽窄不均，导致锗窗所受粘接力也不均匀，等下盘后，锗窗的面形变化也相应不规则、无规律，最终导致锗窗面形失控，无法达到高精度面形要求。基于人眼观察定位的缺陷，才用本发明上盘装置及上盘方法，可以方便、快速的用环形粘接剂将圆形锗窗固定到粘接模上，并且保证粘接剂、粘接模和锗窗的同轴，然后用抛光机进行抛光，抛光完工后下盘，面形变化范围基本控制在0.2光圈以内，较现有环形粘接上盘法0.5光圈以上的面形变化量有了明显的改善，使批量化高精度锗窗加工成为可能。

附图说明

图1为锗窗的正视图和侧视图；

图2为锗窗、粘接剂及粘接模粘接后的剖视图；

图3为本发明中高精度低形变的锗窗抛光上盘装置的爆炸图；

图4为图3装配后的剖视图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，锗窗5为圆形光学元件，直径d为φ90mm，厚度5mm，径厚比为18:1，面形要求光圈n:1，较一般锗窗5面形精度提高4倍以上。为此在锗窗5加工的整个过程中都要精准的控制锗窗5的面形及其变化，特别的，在锗窗5抛光下盘后要尽可能减小面形变化量，此时，上盘时粘接受力不均或环形粘接剂2偏心引起的微小变形，不但会影响抛光时的面形精度控制，最终还将导致锗窗5面形精度不满足要求，为了克服上述缺陷，本发明中的一种高精度低形变的锗窗抛光上盘装置，如图2-4所示，包括粘接模1、粘接剂2、定位环3及定位座8；粘接剂2为圆环结构，粘接于粘接模1的一端面；定位环3的周边具有翻边，中部开设有与粘接模1形状相应的中心孔4；定位座8的表面设置限位环7，限位环7的形状与定位环3的翻边形状相应，且与中心孔4同轴；待抛光锗窗5置于限位环7内，定位环3扣接于限位环7的外部，粘接模1具有粘接剂2的一端依次穿过中心孔4及限位环7，通过粘接剂2与锗窗5固定。

粘接剂2的圆环中心线直径d满足关系式：d＝kd，k为经验系数，取值范围0.4-0.5，d为锗窗5的直径；粘接剂2的圆环宽度w，锗窗5的直径φ≤100mm时，w＝20±3mm，100mm＜锗窗5的直径φ≤200mm时，w＝30±5mm；粘接剂2的厚度t的范围为10±5mm。根据锗窗5的直径φ90mm、厚度5mm的要求，得到d＝(0.4-0.5)×90＝(36-45)mm，取d＝40mm；锗窗5直径不超过φ100mm，所以粘接剂2宽度w＝20mm，也即粘接剂2的内环直径为30mm，外环直径为50mm；粘接剂2的厚度t＝10mm。

上述的圆环中心线直径d定义为：粘接剂2的圆环壁中心两点之间的距离，数值上等于圆环外径减去圆环壁厚。上述的经验系数k定义为：公式中的一个常数，它表示的是粘接剂2口径和被抛光锗窗5直径的关系，数值大小来源于大量实际加工实践经验，通过总结无数次试验结果后发现当粘接剂中心线直径d近似等于被抛光锗窗口径d的一半时，即d＝(0.4-0.5)×d，锗窗下盘后面形变化相对最小。

根据上述尺寸制作粘接剂2：准备适量的柏油和毛毡碎片。将柏油在容器中加热融化，将毛毡碎片掺入融化态的柏油中，搅拌均匀。停止加热，待柏油冷却到可以用手操作时，取出柏油，均匀涂抹在φ50mm的粘接模1外圆，并精修到外环不超过粘接模1外圆φ50mm，内环直径φ30mm，厚度10mm。

粘接剂2的外形尺寸不能超过粘接模1的直径，允许环形粘接剂2内、外圆柱面保留一定的锥度，即粘接剂2截面近似梯形，与粘接模1接触的为梯形下边，与锗窗5接触的为梯形上边。

定位座8为圆形并与限位环7同轴，定位环3的翻边高度大于限位环7的高度，定位环3的翻边高度、限位环7的高度均大于锗窗5的厚度。

定位座8上的限位环7包括四个开口6，四个开口6呈圆形阵列对称设于限位环7四周的侧壁，宽度和人的手指匹配，锗窗5和限位环7内壁配合，通过开口6可方便的放置和取出锗窗5。

限位环7内放置锗窗5的底面铺垫一层软质材料，软质材料为绵纸或抛光布，用于避免锗窗5在放置或取出时和金属夹具碰撞崩边。

定位环3中心开有和定位环3外圆同轴的中心孔4，定位环3的中心孔4直径大于粘接模1直径1-2mm，粘接模1直径φ50mm，则中心孔4孔径为φ52mm。

本发明还提供了一种高精度低形变的锗窗5抛光上盘方法，包括如下步骤：

步骤一，根据锗窗5直径计算粘接环的中心圆直径尺寸，根据中心圆尺寸加工相应的粘接模1，准备适量柏油和毛毡碎片；

步骤二，将定位座8平放在工作台上，将绵纸铺垫在限位环7底面，用手指夹持锗窗5，通过限位环7侧壁的开口6，置于限位环7内；

步骤三，将定位环3的内壁紧贴限位环7的外圆，置于定位座8上；

步骤四，将柏油加热融化，放入毛毡碎片，搅拌均匀，待柏油温度降低至可以用手接触操作的温度，取出含毛毡的柏油，手工捏成和粘接模1外圆相近的圆环，沿粘接模1外圆置于粘接模1上，再按要求的宽度和厚度快速精修成形；

步骤五，将尚未完全固化的带粘接剂2的粘接模1，粘接剂2面朝下对准定位环3的中心孔4，垂直置入并接触到锗窗5，适当用力平压，使粘接剂2和锗窗5充分接触；

步骤六，待粘接剂2冷却固化后，将定位环3向上退出定位座8；

步骤七，取出粘接模1和其上固定的锗窗5，完成上盘。

其中，步骤二、三、四可调整顺序。例如可先进行步骤四，将柏油加热，在加热的同时，操作步骤二、三，以节约时间。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。