采用单个水射流作为电极的大气等离子体的加工方法，它属于等离子体加工大口径非球面光学零件的技术领域。它是为了解决高精度大口径非球面光学零件的局部修形加工效率和表面质量问题。它的步骤一：将成形电极的上端面连接在工作架上；步骤二：在待加工零件的下方设置的喷头喷出的水接地；步骤三：使成形电极靠近待加工光学零件的待加工表面；步骤四：预热射频电源和混合等离子体气源；步骤五：使喷头喷出的水喷射到待加工光学零件的下端面上，启动射频电源；步骤六：使喷头进行左右移动和前后移动；步骤七：取出待加工光学零件。本发明能对光学零件表面进行小去除量的局部修形，水射流可以保证在每个位置的放电特性相同，避免放电不均匀的问题。
1.采用单个水射流作为电极的大气等离子体的加工方法，其特征在于它的步骤方法是：
步骤一：将成形电极（1）的上端面绝缘连接在升降装置（2）的竖直运动工作架（2-1）上，使成形电极（1）与射频电源（3）的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极；
步骤二：将待加工光学零件（4）装卡在夹具（2-2）上，在待加工光学零件（4）的下方设置有一个喷头（2-3），喷头（2-3）设置在多自由度运动工作台（2-4）上，喷头（2-3）的进水口连接水泵（6）的出水口，使待加工光学零件（4）的下端面与喷头（2-3）的喷嘴口之间有一定的间隙，间隙的距离为1mm-50mm；根据去除函数半高宽的要求，喷头（2-3）的喷嘴口的直径可在0.5mm-50mm范围内调节；喷头（2-3）喷出的水通过喷头（2-3）接地作为大气等离子体放电的阴极；
步骤三：使成形电极（1）靠近待加工光学零件（4）的待加工表面，并使它们之间保持一定的放电间隙，放电距离范围为2mm-5mm；放电间隙附近设置有出气管（5-1），出气管（5-1）的进气端口与混合等离子体气源（5）的出气端口导气连通；
步骤四：预热射频电源（3）和混合等离子体气源（5）中的气体质量流量控制器，预热时间为5-10分钟；然后打开混合等离子体气源（5），使离子体气体的流量为2 L/min -5 L/min，反应气体流量为20 ml/min- 90 ml/min，辅助气体与反应气体流量的比例为0%-50%；
步骤五：当成形电极（1）和待加工光学零件（4）的待加工表面之间的放电间隙内充满等离子体气体、反应气体与辅助气体的混合气体后，启动水泵（6），使喷头（2-3）喷水，其水的电导率为125μs/cm-1250 μs/cm，水的压力为0.1MPa-0.5MPa，使喷头（2-3）喷出的水喷射到待加工光学零件（4）的下端面上，启动射频电源（3），逐步增加射频电源（3）的功率，使功率达到200W-400W，同时控制射频电源（3）的反射功率为零，在射频电源（3）工作的过程中持续稳定的通入混合气体，使成形电极（1）和待加工光学零件（4）的待加工表面之间的放电间隙产生稳定的等离子体放电；
步骤六：根据待加工光学零件（4）的表面相应位置的期望去除量，使喷头（2-3）进行左右移动和前后移动，并且控制喷头（2-3）喷射出的水在待加工光学零件（4）的下端面上不同位置的驻留时间；
步骤七：待加工完成后，关闭射频电源（3）的电源，关闭混合等离子体气源（5），关闭水泵（6），停止喷头（2-3）喷水，取出待加工光学零件（4），对加工去除深度进行测量，以判断是否达到加工要求。
2.根据权利要求1所述的采用单个水射流作为电极的大气等离子体的加工方法，其特征在于所述成形电极（1）的材质为铝。
3.根据权利要求1所述的采用单个水射流作为电极的大气等离子体的加工方法，其特征在于所述混合等离子体气源（5）中的大气等离子体激发气体为氦气、氩气；反应气体为六氟化硫、四氟化碳、三氟化氮；辅助气体为氧气。
采用单个水射流作为电极的大气等离子体的加工方法
技术领域
[0001] 本发明属于等离子体加工大口径非球面光学零件的技术领域。
背景技术
[0002] 大口径光学零件被广泛应用于光学领域中，此类光学零件多采用硅基材料，例如融石英、碳化硅等，硬度高、脆性大、在常温常压下化学性质稳定，难以进行精密加工。目前，对于大口径光学零件的加工主要采用计算机控制小工具抛光的方法，如气囊抛光、磁流变抛光等，这些抛光技术虽然可以获得较高的面形精度和较低的表面粗糙度，但是加工周期长、效率低，而且可能会造成一定程度的表层和亚表层损伤。而大气等离子体加工是基于粒子之间的化学反应，非接触的加工方式可以避免表层和亚表层损伤的产生，而且采用大面积平板电容耦合式的大气等离子体加工方法可以实现较高的加工效率。然而，大面积成形电极炬比较容易产生放电不均匀的现象，并且如果光学零件表面有小范围区域未达到期望面形，这种全口径的等离子体炬也无法满足局部修形的加工要求。另外，目前的同轴式电容耦合等离子体射流加工方法中，电极形状固定，加工口径不易调节，因此对复杂曲面变化明显的各点曲率半径吻合性不太理想；而电感耦合等离子体射流式加工方法中，温度较高，会对加工过程中去除函数的稳定性造成一定的影响。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提供一种采用单个水射流作为电极的大气等离子体的加工方法，为了解决高精度大口径非球面光学零件的局部修形加工效率和表面质量问题。
[0004] 所述的目的是通过以下方案实现的：所述的一种采用单个水射流作为电极的大气等离子体的加工方法，它的步骤方法是：
[0005] 步骤一：将成形电极的上端面绝缘连接在升降装置的竖直运动工作架上，使成形电极与射频电源的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极；
[0006] 步骤二：将待加工光学零件装卡在夹具上，在待加工零件的下方设置有一个喷头，喷头设置在多自由度运动工作台上，喷头的进水口连接水泵的出水口，使待加工光学零件的下端面与喷头的喷嘴口之间有一定的间隙，间隙的距离为1mm-50mm；根据去除函数半高宽的要求，喷头的喷嘴口的直径可在0.5mm-50mm范围内调节；喷头喷出的水通过喷头接地作为大气等离子体放电的阴极；
[0007] 步骤三：使成形电极靠近待加工光学零件的待加工表面，并使它们之间保持一定的放电间隙，放电距离范围为2mm-5mm；放电间隙附近设置有出气管，出气管的进气端口与混合等离子体气源的出气端口导气连通；
[0008] 步骤四：预热射频电源和混合等离子体气源中的气体质量流量控制器，预热时间为5-10分钟；然后打开混合等离子体气源，使离子体气体的流量为2 L/min -5 L/min，反应气体流量为20 ml/min- 90 ml/min，辅助气体与反应气体流量的比例为0%-50%；
[0009] 步骤五：当成形电极和待加工光学零件的待加工表面之间的放电间隙内充满等离子体气体、反应气体与辅助气体的混合气体后，启动水泵，使喷头喷水，其水的电导率为125μs/cm-1250 μs/cm，水的压力为0.1MPa-0.5MPa，使喷头喷出的水喷射到待加工光学零件的下端面上，启动射频电源，逐步增加射频电源的功率，使功率达到200W-400W，同时控制射频电源的反射功率为零，在射频电源工作的过程中持续稳定的通入混合气体，使成形电极和待加工光学零件的待加工表面之间的放电间隙产生稳定的等离子体放电；
[0010] 步骤六：根据待加工光学零件的表面相应位置的期望去除量，使喷头进行左右移动和前后移动，并且控制喷头喷射出的水在待加工光学零件的下端面上不同位置的驻留时间；
[0011] 步骤七：待加工完成后，关闭射频电源的电源，关闭混合等离子体气源，关闭水泵，停止喷头喷水，取出待加工光学零件，对加工去除深度进行测量，以判断是否达到加工要求。
[0012] 本发明能对光学零件表面进行小去除量的局部修形，因采用水射流作为电极来进行等离子体加工，水射流可以保证在每个位置的放电特性相同，避免放电不均匀的问题。而且水电极的加工口径调节方便，可以获得不同半高宽的单位去除函数，与复杂曲面不同点的曲率半径很好地吻合。另外，水射流不仅可以作为放电电极，而且可以起到冷却作用，能有效控制大气等离子体加工过程中的热效应、降低温度对去除率的影响，从而获得稳定的去除函数。
[0013] 本发明还具有的优点为：
[0014] 1. 本发明采用大气等离子体加工，避免了传统接触式研抛方法造成的表面残余应力及亚表层损伤等问题；
[0015] 2. 可以直接利用大面积成形电极炬的放电阳极，只安装调节水电极即可，结构灵活，并且可以缩短加工周期；
[0016] 3. 水射流的加工口径容易调节，可以获得不同半高宽的单位去除函数，与复杂曲面变化明显的各点曲率半径相吻合，加工灵活性好；
[0017] 4. 放电位置可以通过精确控制水流喷射的位置进行控制，加工去除量可以通过控制相应位置的水流喷射时间得到精准的控制；
[0018] 5. 水电极起到冷却作用，有效控制了大气等离子体加工过程中的热效应，降低了温度对加工过程的影响，可以获得稳定的去除函数。
附图说明
[0019] 图1是本发明的整体结构示意图；
[0020] 图2是图1中成形电极1、待加工光学零件4与喷头2-3之间的位置关系结构示意图。
具体实施方式
[0021] 具体实施方式一：结合图1、图2所示，它的步骤方法是：
[0022] 步骤一：将成形电极1的上端面绝缘连接在升降装置2的竖直运动工作架2-1上，使成形电极1与射频电源3的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极；
[0023] 步骤二：将待加工光学零件4装卡在夹具2-2上，在待加工零件4的下方设置有一个喷头2-3，喷头2-3设置在多自由度运动工作台2-4上，喷头2-3的进水口连接水泵6的出水口，使待加工光学零件4的下端面与喷头2-3的喷嘴口之间有一定的间隙，间隙的距离为1mm-50mm；根据去除函数半高宽的要求，喷头2-3的喷嘴口的直径可在0.5mm-50mm范围内调节；喷头2-3喷出的水通过喷头2-3接地作为大气等离子体放电的阴极；
[0024] 步骤三：使成形电极1靠近待加工光学零件4的待加工表面，并使它们之间保持一定的放电间隙，放电距离范围为2mm-5mm；放电间隙附近设置有出气管5-1，出气管5-1的进气端口与混合等离子体气源5的出气端口导气连通；
[0025] 步骤四：预热射频电源3和混合等离子体气源5中的气体质量流量控制器，预热时间为5-10分钟；然后打开混合等离子体气源5，使离子体气体的流量为2 L/min -5 L/min，反应气体流量为20 ml/min- 90 ml/min，辅助气体与反应气体流量的比例为0%-50%；
[0026] 步骤五：当成形电极1和待加工光学零件4的待加工表面之间的放电间隙内充满等离子体气体、反应气体与辅助气体的混合气体后，启动水泵6，使喷头2-3喷水，其水的电导率为125μs/cm-1250 μs/cm，水的压力为0.1MPa-0.5MPa，使喷头2-3喷出的水喷射到待加工光学零件4的下端面上，启动射频电源3，逐步增加射频电源3的功率，使功率达到200W-400W，同时控制射频电源3的反射功率为零，在射频电源3工作的过程中持续稳定的通入混合气体，使成形电极1和待加工光学零件4的待加工表面之间的放电间隙产生稳定的等离子体放电；
[0027] 步骤六：根据待加工光学零件4的表面相应位置的期望去除量，使喷头2-3进行左右移动和前后移动，并且控制喷头2-3喷射出的水在待加工光学零件4的下端面上不同位置的驻留时间；
[0028] 步骤七：待加工完成后，关闭射频电源3的电源，关闭混合等离子体气源5，关闭水泵6，停止喷头2-3喷水，取出待加工光学零件4，对加工去除深度进行测量，以判断是否达到加工要求。
[0029] 所述转成形电极1的材质为铝。
[0030] 所述喷头2-3的材质为铝。
[0031] 所述射频电源3的频率为13.56MHz，最大功率为2KW。
[0032] 所述混合等离子体气源5为三路气体流量控制系统，可控气体流量范围为0-40L/min。
[0033] 所述混合等离子体气源5中的大气等离子体激发气体可以为氦气、氩气等惰性气体；反应气体可以为六氟化硫、四氟化碳、三氟化氮等；辅助气体可以为氧气。
[0034] 所述待加工光学零件4的材质为硅基光学材料，如熔融石英、碳化硅、超低膨胀玻璃等。
[0035] 工作原理：由射频电源3输出端连接成形电极1作为大气等离子体放电的阳极，喷头2-3喷到待加工光学零件4的下端面上的水都接地作为大气等离子体放电的地电极，由混合等离子体气源5提供激发产生等离子体的气体充满成形电极1和待加工光学零件4待加工表面之间的间隙，由射频电源3提供输出电能，在成形电极1和待加工光学零件4的放电间隙产生等离子体，同时反应气体被激发，产生具有反应活性的原子与待加工光学零件4的表面发生化学反应，并生成挥发性的反应产物离开零件表面，由此实现对待加工光学零件4的无损伤快速加工。
