一种红外用薄形硅窗口的加工方法 |
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| 申请号 | CN202210731043.1 | 申请日 | 2022-06-24 | 公开(公告)号 | CN115029786B | 公开(公告)日 | 2024-04-30 |
| 申请人 | 云南北方光学科技有限公司; | 发明人 | 董汝昆; 尹国良; 应常宇; 王柯; 谢启明; 朱华德; 夏天兵; 卿德龙; 郑鹏良; 陈芝泽; 张红梅; 白应柳; 陶红芳; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种红外用薄形 硅 窗口的加工方法，涉及红外光学零件加工技术领域。本发明包括设置在成型过程中的两次 退火 ，成型完成后对硅窗口进行粗磨和精磨，最后利用由漆片、松香和蜂蜡组成的胶合剂将硅窗口通过点胶法上盘，进行 抛光 ；一次退火时间为46～50小时；二次退火匀速加热至550～650℃，且恒温46～50小时，再用与加热速度相同的速率降温至常温。以解决加工中薄形硅窗口 变形 的问题。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种红外用薄形硅窗口的加工方法， 其特征在于： 包括设置在成型过程中的两次退火，成型完成后对硅窗口进行粗磨和精磨，最后利用由漆片、松香和蜂蜡组成的胶合剂将硅窗口通过点胶法上盘，进行抛光； |
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| 说明书全文 | 一种红外用薄形硅窗口的加工方法技术领域[0001] 本发明涉及红外光学零件加工技术领域，具体的说，是一种红外用薄形硅窗口的加工方法。 背景技术[0002] 现代战争中，水面作战舰艇面临各种不对称威胁和反舰导弹威胁，从而推动了舰载光电系统的发展。高精度、轻量化舰载光电系统正是主要发展方向之一，而与其匹配的薄形光学零件的加工在世界各国得到了极大的重视和迅速发展。 [0003] 对于高精度、轻量化的设计要求，除在光学系统设计上采取一定措施外，对光电系统中的外部光学元件大尺寸窗口进行减薄设计是最直接、最有效的方法，由于光学元件的面形精度决定光学系统精度，而且其重量也直接决定系统的重量和造价，在确保面形精度的前提下，最大限度的降低光学元件质量对于光电系统有效载荷控制具有重要意义。但该方法在降低系统重量的同时，也给该类窗口零件的加工带来了较大困难。 [0004] 行业内一般将厚度与长度(或直径)比小于1:10的零件称为薄形光学零件，特殊情况下这一比值甚至达到1:40以上。在实际加工过程中，薄形光学窗口零件主要采用的仍是古典抛光，古典抛光是一个复杂的机械、化学、物理综合作用的过程，影响因素较多，极难控制，要想得到合格的光学零件，往往依赖于操作人员的技术熟练程度与加工经验。国内对于高精度薄形光学零件的加工技术仍处于摸索研究阶段，有必要针对红外用薄形硅窗口加工工艺进行研究。 [0005] 薄形硅窗口在加工中的最大难点主要就集中在窗口的变形问题，主要包括以下三种变形方式。 [0006] (1)粘接硅窗口的粘接剂冷却固化后与硅窗口由于收缩率不同而产生的胶结变形。 [0007] (2)抛光过程中，抛光模与硅窗口之间的相对运动会产生热量，零件上下表面的温度差异导致面形发生微量变化的热变形。 发明内容[0009] 本发明的目的在于提供一种红外用薄形硅窗口的加工方法，以解决加工中薄形硅窗口变形的问题。 [0010] 为了解决上述问题，本发明采用以下技术手段： [0011] 一种红外用薄形硅窗口的加工方法，包括设置在成型过程中的两次退火，成型完成后对硅窗口进行粗磨和精磨，最后利用由漆片、松香和蜂蜡组成的胶合剂将硅窗口通过点胶法上盘，进行抛光； [0012] 一次退火时间为46～50小时； [0013] 二次退火匀速加热至550～650℃，且恒温46～50小时，再用与加热速度相同的速率降温至常温。 [0014] 作为优选的，在所述二次退火时，升温速率与降温速率均为0.5℃/min，且所述一次退火直接在单晶炉内进行，所述二次退火在空气循环炉中进行。 [0015] 进一步的，所述第二次退火为在完成所述一次退火后，切片成型后进行。 [0016] 更进一步的，所述漆片、松香和蜂蜡之间的比例为1:10～15:10，并且让三者在70～100℃进行混合，混合完成后，在40～60℃进行保胶72小时。 [0017] 更进一步的，所述抛光过程采用古典法抛光。 [0019] 本发明在使用的过程中，具有以下有益效果： [0020] 本发明首先通过加工过程中的两次精退火最大限度消除硅窗口的应力变形，然后配制专用胶合剂，采用软点胶上盘的方式，进一步消除胶结变形，最后再对主轴转速和硅窗口加工温度加以控制，尽量消除硅窗口加工时的热变形，从而得到符合技术指标要求的薄形硅窗口。 [0021] 通过本申请的工艺条件下加工的薄形硅窗口面形精度明显高于常规加工工艺，可以得到优质的薄形硅窗口，其最大限度的消除了窗口的形变，并且窗口的加工成品率也由工艺改进前的10～20％提升至85％以上，古典抛光的加工效率对比常规工艺提高1倍。 具体实施方式[0022] 为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。 [0023] 因此，以下对本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。 [0024] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。 [0025] 一种红外用薄形硅窗口的加工方法，包括如下步骤： [0026] 步骤一、红外用硅单晶生长完成后，直接在单晶炉内对其进行一次退火，消除热应力； [0027] 步骤二、硅单晶出炉后使用内圆切片机和数控成型机对硅单晶进行切片和材料成型，将成型后的硅窗口毛坯放入空气循环炉内进行二次精密退火； [0028] 步骤三、经过两次退火的硅窗口毛坯通过粗磨和精磨加工，达到抛光上盘的要求，配制专用胶合剂，采用软点胶上盘法粘接硅窗口； [0030] 优选的，所述步骤一中，红外硅单晶生长完成后，先在硅单晶炉内进行一次退火并增加退火时间，主要目的是消除硅单晶热应力。本方法的退火方式是在原生产工艺基础上，调整优化硅单晶退火工艺，硅单晶生长完成后，将单晶炉内缓慢加热到比生长温度略高10‑50℃，并保持48小时，而后以一定的速率进行降温冷却。 [0031] 优选的，所述步骤二中，经过一次退火的硅单晶，用内圆切片机切片以及数控成型机成型加工，达到图纸的粗加工要求，然后将硅窗口毛坯放入空气循环炉内进行二次精密退火，首先以0.5℃/min的速率匀速升温到600℃，并且在此温度下恒温48小时，然后用相同的速率匀速降温至常温状态取出。 [0032] 优选的，所述步骤三中，对经过两次退火的硅单晶窗口进行粗磨和精磨加工，达到抛光要求。然后配制专用胶合剂，该胶合剂的主要成分为漆片、松香和蜂蜡(石蜡)，合成的胶合剂还需再经过72小时的“保胶”才能使用。具体配制时跟温度、湿度，甚至气候海拔都有关系，目前在春、夏、秋三季，漆片、松香和蜂蜡(石蜡)的使用比例为1:15:10，冬季时稍作调整，配比为1:10:10，将漆片、松香、蜂蜡放入容器中加热熔化，温度约为70‑100℃，待完全熔化后搅拌均匀，保持温度40‑60℃，72小时之后可以使用，抛光的上盘方式采用软点胶上盘法。 [0033] 优选的，所述步骤四中，抛光过程中采用软点胶上盘，古典法抛光，首先让工房内部环境保持环境温度在22±1℃，湿度控制在40‑60％。加工薄形硅窗口时，相关的工艺参数设置为：抛光设备主轴转速调整至25～28转/每分钟，窗口加工时表面温度控制在35℃～45℃。 [0034] 选择6件相同尺寸的硅窗口，全部采用软点胶上盘，使用相同材质的抛光模和同一抛光设备，保持环境温度在22±1℃，湿度控制在40‑60％，改变其主轴转速和窗口温度，进行了60余次的抛光实验，发现薄形硅窗口加工过程中，若主轴转速过高，窗口表面不同部分的速度差别较大，表面磨抛不均匀，并且转速过高，将会产生较大的离心力，容易使抛光液甩出，中心位置的抛光效率较低，如果主轴转速过低，则整个窗口表面抛光效果较差，效率太低。增加硅窗口加工时的温度，可以提高磨抛的效率，但是较高的温度又会影响到窗口的面形精度，因此加工高精度的薄形硅窗口应将零件温度控制在一定的范围内。 [0035] 优选的，整个加工工艺主要用于红外用薄形硅窗口的加工，但不限于加工薄形硅窗口，相关的技术方法也可推广应用于其它薄形光学零件的加工，例如厚度与长度(或直径)比小于1:10的光学零件，如锗窗口。 [0036] 优选的，所述一种红外用薄形硅窗口的加工方法中的退火方式，主要是通过对硅单晶的两次退火，一次在硅单晶炉内进行，一次在空气循环炉中，以此达到基本消除硅单晶加工中的热应力和机械应力，从而尽可能消除硅窗口加工中的应力变形。 [0037] 另外，本申请采用软点胶上盘法，相较于传统的粘接方式，该方法胶点分散排列，大大减少了硅窗口的粘接面积，从而减小模具与窗口之间的粘接力，能一定程度上消除胶结变形。使用这种方法需要注意的是，胶点的分布需排列合理，分布太密的话，会造成粘接力依然过大，达不到消除胶结变形的目的。若胶点分布较为稀疏，又会造成粘接力不够，抛光时窗口与粘接盘发生移动，甚至于从粘接盘上脱落。经过实验验证，软点胶上盘法抛光硅窗口，胶点之间的距离控制在1‑2cm之间较为合适。 [0038] 而且结合本申请的胶合剂，能够最大限度的保证硅窗口上下盘过程中光圈N和局部光圈△N差异小；而且胶合剂本身不含有害硬颗粒杂质，具有良好的粘结性，能轻易粘结且韧性好，粘结固话后脆性低，有利于硅窗口的应力释放；具有合适的软化点、针入度和作业温度，与硅材料无化学反应，不会腐蚀硅窗口。 [0039] 另外对于抛光的工艺参数设置，前提为抛光方法采用古典法抛光，工房温度应尽可能保持环境温度在22±1℃，湿度控制在40‑60％，再改变其主轴转速和窗口温度。若主轴转速过高，窗口表面不同部分的速度差别较大，表面磨抛不均匀，并且转速过高，将会产生较大的离心力，容易使抛光液甩出，中心位置的抛光效率较低，如果主轴转速过低，则整个窗口表面抛光效果较差，效率太低。增加硅窗口加工时的温度，可以提高磨抛的效率，但是较高的温度又会影响到窗口的面形精度，因此加工高精度的薄形硅窗口应将零件温度控制在一定的范围内。 [0040] 而且抛光完工的硅窗口使用汽油、酒精清洗之后放置于空气中，由于环境温度变化影响，表面面形也会发生轻微变化，经多次实验验证，窗口必须执行当天下盘、当天清洗、当天检测完工的技术规定，减小其面形变化。 [0041] 在本实施例中，对硅窗口面形和表面光洁度进行表征： [0042] [0043] 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 |
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