[發明專利]WC、SiC光學模壓模具的大氣等離子體化學加工方法

有效

• 申請號: 200910072963.1
• 申請日: 2009-09-23
• 公開（公告）號: CN101659568A
• 公開（公告）日: 2010-03-03
• 發明（設計）人: 王波;金會良;張強
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: C04B41/91
• 分類號: C04B41/91;C03B11/06
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所
• 代理人: 牟永林

技術領域

本發明涉及一種WC、SiC光學模壓模具的大氣等離子體化學加工方法。

背景技術

與各種塑料鏡片相比，玻璃材料的光學鏡片由于具有高折射率、低熱膨脹 系數等光學性能而得到越來越廣泛的應用。它可以用于制造軍用和民用光學儀 器中使用的各種透鏡、棱鏡以及濾光片；制造光通信用的光纖耦合器用透鏡； 制造光盤用的聚光非球面透鏡；制造數碼相機、數碼攝像機、手機等的鏡頭； 制造取景器用的各種非球面、甚至是衍射光學透鏡等，全球每年對這一類光學 零件的需求量達到上億片，采用傳統的磨削、拋光的工藝已無法滿足如此大批 量玻璃光學零件的生產加工。目前高精度光學元件的復制加工采用光學玻璃透 鏡模壓成型技術，它是把軟化的玻璃放入高精度的模具中，在加溫加壓和無氧 的條件下，一次性直接模壓成型出達到使用要求的光學零件。這對模壓模具的 制作提出了很高的要求，它要求模具材料具備如下特征：①、表面無疵病，能 夠研磨成無氣孔、光滑的光學鏡面；②、在高溫環境條件下具有很高的耐氧化 性能，表面質量穩定，而且結構不發生變化，面形精度和光潔度保持不變；③、 不與玻璃發生反應、不會發生粘連現象，脫模性能好；④、高溫條件下具有很 高的硬度和強度等。綜上所述，SiC(碳化硅)、WC(碳化鎢)材料成為制作 光學模具的首選材料。

SiC、WC材料由于硬脆很難加工，為保證加工模具的精密，目前采用高剛 性、分辨率0.01μm以下的高分辨率超精密計算機數字控制加工機床進行加工， 加工成型后用金剛石磨輪進行磨削以獲得所期盼的形狀精度，然后再拋光精加 工成光學鏡面；對微型透鏡壓型用模具的加工，要求更加嚴格，需進一步提高 精度和減輕磨削的痕跡。由于目前WC、SiC光學模壓模具加工成型后采用的磨 削及拋光工藝加工效率低、表面質量差、粗糙度一般很難低于10nm，并且普 遍存在加工中的亞表層損傷，使得模具的使用壽命降低。

發明內容

本發明的目的是為了解決目前SiC、WC材料的光學模壓模具加工成型后， 采用磨削及拋光工藝進行加工存在的加工效率低、表面質量差、會產生亞表層 損傷使模具的使用壽命降低的問題，提供了一種WC、SiC光學模壓模具的大 氣等離子體化學加工方法。

實現本發明方法的裝置由等離子體發生器、射頻電源、阻抗匹配器、冷卻 水泵、等離子體氣體瓶、反應氣體瓶、第一流量控制器、第二流量控制器、氣 體混合室、輸氣管、氧氣瓶和第三流量控制器組成，

等離子體發生器包括相互平行或同軸套裝的陰極和陽極，陰極和陽極的外 表面分別鍍有絕緣膜，陰極和陽極的內部空腔分別通過管路連通冷卻水泵的一 個出口，陰極和陽極分別對應連接經阻抗匹配器阻抗匹配后的射頻電源的負極 和正極，與氣體混合室連通的輸氣管的出口端位于陰極和陽極相對所形成的區 域內，等離子體氣體瓶通過第二流量控制器連通氣體混合室，反應氣體瓶通過 第一流量控制器連通氣體混合室，氧氣瓶通過第三流量控制器連通氣體混合 室；加工的步驟為：

步驟一、打開冷卻水泵，使等離子體發生器的陰極和陽極的內部空腔通入 循環冷卻水；

步驟二、預熱射頻電源、第一流量控制器、第二流量控制器和第三流量控 制器，預熱時間為5-10分鐘；

步驟三、完成預熱后，打開等離子體氣體瓶、反應氣體瓶和氧氣瓶，等離 子體氣體瓶中等離子體氣體為He或Ar，反應氣體瓶中反應氣體為含氟氣體， 通過第一流量控制器、第二流量控制器和第三流量控制器分別調節等離子體氣 體、反應氣體和氧氣的流量，等離子體氣體的流量為1升/分鐘～40升/分鐘， 反應氣體和氧氣與等離子體氣體的流量比為1∶10～1∶1000；

步驟四、當等離子體發生器的陰極和陽極之間充滿等離子體氣體、反應氣 體和氧氣的混合氣體后，啟動射頻電源，逐步增加射頻電源的輸出功率，使輸 出功率達到200W～800W，同時控制反射功率為零，在射頻電源工作的過程中 持續穩定的通入混合氣體，使陰極和陽極之間有一個穩定的等離子體氣體放電 區域，呈放電狀態的等離子體氣體隨著混合氣體的通入，在等離子體發生器的 出口處形成等離子體射流；

將WC或SiC光學模壓模具的欲加工表面置于等離子體射流區域內讓其發 生化學反應，形成的模具表面具有準高斯曲面形狀，截面曲線具有如下形式：