采用夾模上盤技術拋光鍺窗

謝啟明，耿朝紅，尹國良，應常宇，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)

近年來發展的磁流變拋光、液體射流拋光、氣囊進動拋光、大氣等離子體拋光和離子束拋光等技術，極大地提高了光學元件的面形精度[4]。然而，這些技術所依賴的設備價格不菲，運行維護成本也較高，更適合于加工單件或小批量的昂貴高價值產品。受成本限制，在批量化產品中使用的鍺窗更適合采用傳統拋光工藝加工。影響拋光的主要工藝因素包括環境溫度、拋光粉濃度、拋光盤轉速和壓力、拋光液酸堿度等[5]。研究發現，除上述因素外，上盤也對拋光的面形精度有很大影響。在傳統古典拋光工藝中，上盤被認為是一道輔助工序[6]，但它直接決定著光學元件下盤后的面形變化程度。一般地，上盤分為膠盤和機械夾持兩大類，現階段國內普遍采用的膠盤方法為松香蜂蠟膠上盤法、點膠上盤法、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；下盤時同樣要加熱或冷凍，操作相對復雜，耗時較長。另外，瀝青或火漆等粘接劑對鍺窗會施加垂直于零件表面的應力，造成鍺窗變形，對徑厚比超過15的薄型鍺窗，變形效應更大。而夾模上盤是將零件直接鑲嵌在夾具中，該方法廣泛應用于高效拋光和下擺機拋光。夾模上盤不使用任何粘接劑，既簡化了上、下盤操作，又保證了光學零件盤上、盤下面形的一致性。隨著光電系統對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成為影響拋光面形精度的一個重要因素，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膠上盤和瀝青環形上盤(見圖1)。

1)火漆點膠上盤。

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

2)瀝青環形上盤。

根據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，再將鍺窗適當加熱，中心對準粘接模中心壓到環形瀝青上。將粘接模旋到拋光機主軸上，啟動拋光機，趁瀝青尚未冷卻，將鍺窗中心和拋光機主軸校至同軸，待瀝青、粘接模和鍺窗冷卻至室溫，完成鍺窗上盤。

在綠道慢行系統的設計中，可以從諸多方面實現低碳綠色，如廢棄材料的再生利用、慢行道路面的材料選擇、因地制宜的道路設計等，通過合適的設計手段，將綠道打造成低碳綠色之道。

a) 火漆點膠上盤

b) 瀝青環形上盤圖1 鍺窗拋光常見的上盤方法

可見，無論是火漆點膠上盤還是瀝青環形上盤，都存在一個加溫和冷卻的過程，鍺窗都會受到火漆點或瀝青的拉力。對于火漆點膠上盤，如果火漆點尺寸誤差過大，分布形狀不當，將導致鍺窗受力不均；對瀝青環形上盤，如果瀝青環口徑尺寸不當，厚薄不一致或圓環寬窄不一致，同樣會造成鍺窗受力不均。

當鍺窗上盤受力不均時，會導致其面形發生微小變化，拋光完工，盤上檢驗鍺窗面形滿足技術要求，然而，下盤后粘接力消失，鍺窗恢復形變，就可能導致面形不能滿足要求。

1.2 夾模上盤

夾模上盤是依靠機械限位的原理，將鍺窗鑲嵌到夾模中，夾模示意圖如圖2a所示，鍺窗鑲嵌到夾模時的狀態如圖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膠上盤和瀝青環形上盤時的情況。

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、拋光和下盤時鍺窗和夾模碰撞而損壞，在鍺窗和夾模內徑之間需要一個尼龍或聚甲醛材料的彈性內襯，在夾模底面還要鋪墊一層拋光布起保護作用。

另外，上盤時只要把夾模平放，將鍺窗對準夾模垂直放入即可。下盤時從夾模背面的開孔中用手指輕頂鍺窗，即可將鍺窗取出。整個過程無加溫和冷卻環節，簡化了鍺窗上下盤的操作，提高了加工效率。

1.3 試驗過程

試驗用鍺窗口徑為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。為避免鍺窗下盤后因面形變化較大而導致面形精度超差的情況發生，嘗試采用夾模上盤的技術拋光鍺窗，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鍺窗拋光完工下盤后的面形變化規律，對8件樣件采用夾模上盤進行拋光，下盤前用樣板測量鍺窗面形，下盤后再次用樣板測量鍺窗面形，經過多輪試驗，結果見表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次有效數據中，盤上、盤下光圈數一致的有12次，占86%，只有2次光圈出現變化，且無方向性，可以認為是偶然情況。

為了進一步驗證夾模上盤技術的穩定性，課題組再次對8個樣件進行了拋光試驗，結果見表2。和之前不同的是，這次面形檢測采用Zygo激光干涉儀，面形指標取PV值，分析時不移出光焦度。對5組有效數據ΔPV的絕對值取平均，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的結果說明，對本案例中的鍺窗，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，其結果和表1基本一致。需要說明的是，表1的數據是用對樣板測量而得，小數部分的數值依賴于檢驗員靠經驗估讀，所以測量精度無法和干涉儀相比，但測量結果仍具有參考價值。

作為參照，課題組將同樣8件樣件采用瀝青環形上盤法進行了多輪拋光試驗，面形用對樣板測量，結果見表3。

表3 瀝青環形粘接法盤上、盤下光圈N變化表 (光圈)

從表3可知，采用環形法上盤，在24次有效數據中，盤上、盤下光圈數不變的有5次，占21%，其余18次光圈數的變化范圍都在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。由此發現，采用傳統的瀝青環形法上盤拋光鍺窗，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的結果，對本案例中的鍺窗，采用夾模上盤法，鍺窗下盤后的面形變化小于傳統瀝青環形上盤法。

2 原因分析

夾模上盤法完全依靠機械定位來固定鍺窗，避免了采用粘接劑上盤時，鍺窗在粘接劑作用下產生的變形。而采用瀝青環形上盤法拋光鍺窗，下盤后鍺窗面形光圈普遍升高，變化范圍多數在0.5～1光圈之間。同時相比瀝青環形上盤法，夾模法上盤還有簡化工序、操作簡單的優點。試驗中，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，試驗中數次出現拋光時零件脫離夾具的情況；2)少數情況下，拋光完工后，鍺窗不易下盤；3)部分操作者反映，拋光時面形的局部光圈N不易控制。

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

另外，如果內襯和夾模配合不當，特別是內襯和夾模出現過盈配合時，內襯被用力壓進夾模，也會因為變形而口徑變小，導致內襯與鍺窗出現過盈配合的情況。

因此采用夾模上盤，需要嚴格控制夾模和內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，其中內襯加工成為難點和關鍵控制點。

針對問題2：除上述內襯和鍺窗過盈配合是一個原因外，在拋光過程中，難免有拋光液和拋光劑滲入鍺窗和內襯的間隙中，使鍺窗不易下盤。還有一種可能，就是內襯、夾模和鍺窗都存在圓柱度誤差，即存在俗稱的橢圓度，上盤時鍺窗和內襯剛好匹配，即長軸對長軸，短軸對短軸，但在拋光過程中，鍺窗和內襯發生相對轉動，將鍺窗卡死，導致鍺窗不易下盤。

針對問題3：首先可能與夾模內表面的平面度有關，如果夾模內表面平面度誤差過大，在拋光時鍺窗和夾模內表面之間存在一定的局部間隙，由于鍺窗和夾模內表面沒有粘接劑填充，間隙部分不能對鍺窗提供足夠的支撐，導致鍺窗拋光時受力不均，產生局部誤差。其次也可能有主觀上的原因，畢竟對一種新的上盤技術，操作者存在一個適應和熟練的過程，對傳統工藝有慣性心理。

3 結語

針對熱成像技術對鍺窗面形精度日益提高的要求，以及制造業提高效率、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用于紅外鍺窗的拋光加工。通過對比火漆點膠上盤、瀝青環形上盤和夾模上盤3種上盤方法，分析了夾模上盤對于保持鍺窗盤上、盤下面形一致的原因，以及開展夾模上盤技術研究的現實意義。對外形尺寸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，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，對夾模上盤存在的問題進行了分析，指出夾模內襯和鍺窗的配合是該技術的關鍵，而夾模內襯的加工精度是該技術的難點。針對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。夾模上盤技術要真正進入實用階段，還需要在提高內襯加工精度、弄清夾模底面面形誤差和鍺窗面形局部誤差之間的關系等方面開展更深入的研究。