真光學(xué)冷加工實(shí)習(xí)報(bào)告

1、光學(xué)冷加工實(shí)習(xí)報(bào)告一：前言 光學(xué)加工設(shè)備和光學(xué)工藝的發(fā)展是分不開(kāi)的。孔夫子說(shuō)過(guò)“工 欲善其事，必先利其器”。這說(shuō)明設(shè)備在工藝技術(shù)發(fā)展中的重要性。我國(guó)光學(xué)加工設(shè)備和國(guó)際上光學(xué)設(shè)備的發(fā)展過(guò)程是一致的， 即腳 踏、機(jī)動(dòng)、電動(dòng)。基本是兩大系列，一是德國(guó)系列、二是日本系列。 解放前主要是德國(guó)設(shè)備為主，即從 1936 年云光廠成立，從國(guó)外引進(jìn) 的德國(guó)設(shè)備如：?jiǎn)屋S粗磨機(jī)、二軸精磨拋光機(jī)、四軸精磨拋光機(jī)、五 軸精磨拋光機(jī)等。 二是偽滿的大陸科學(xué)院為維修使用的光學(xué)儀器從日 本購(gòu)進(jìn)的設(shè)備。解放后 156 項(xiàng)中的西光廠又從蘇聯(lián)購(gòu)進(jìn)了光學(xué)加工設(shè) 備、它的原型機(jī)亦是德國(guó)設(shè)備、 如 -500 和n-350 型單軸粗磨 機(jī)

2、、 n-350 三軸精磨拋光機(jī)、 n-200 中型六軸精磨拋光機(jī)、 和n -60 小型六軸拋光機(jī)以及 -2 型定心磨邊機(jī)等。由古典方法轉(zhuǎn)向機(jī)械化粗磨（銑磨）、準(zhǔn)球心拋光，是光學(xué)制造 業(yè)的一次重大的變革 . 對(duì)光學(xué)加工改革起著推動(dòng)作用的是兵器工業(yè) “739”會(huì)議。上世紀(jì)七十年中期是我國(guó)光學(xué)制造技術(shù)大變革的時(shí)期。 八十年代光學(xué)制造技術(shù)最大變革由成盤(pán)加工轉(zhuǎn)向單件加工。單件加工很早就在日本采用， 1983 年“北總”是從日本引進(jìn) PenTaxK1000相機(jī)開(kāi)始引進(jìn)這種技術(shù)和設(shè)備的。而部分技術(shù)人員和工 人早在這以前從事勞務(wù)出口時(shí)， 在日本已經(jīng)接確此項(xiàng)工藝， 但由于我 們?cè)诎耸甏跗?，雖然引進(jìn)了設(shè)備，而

3、在工藝結(jié)構(gòu)上還不完善，沒(méi) 有相應(yīng)配套的工裝和輔料，所以采用上述設(shè)備后，生產(chǎn)效率并不高。1 / 14加之當(dāng)時(shí)，生產(chǎn)批量不大， 沒(méi)能引起人們的注意和足夠的認(rèn)識(shí)。但是 一些專家看到了此種工藝的特點(diǎn)，它很適合中國(guó)國(guó)情。因此北總在 1983年于江西召開(kāi)的工藝研討會(huì)上把它列入了三條高效生產(chǎn)線之內(nèi)。 這三條生產(chǎn)線即：平面高效生產(chǎn)線（ 228 廠承擔(dān)）、球面單件生產(chǎn)線 （308和 598 廠承擔(dān)），剛性上盤(pán)球面零件高效生產(chǎn)線 （248 和原 5208 廠承擔(dān)）。單件加工在大批量生產(chǎn)中，目前在中國(guó)的光學(xué)行業(yè)起著重要作用。 但在上個(gè)世紀(jì)末和本世紀(jì)初世界光學(xué)儀器行業(yè)發(fā)展很迅速， 同時(shí)光電 儀器在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。

4、 在光學(xué)加工方面除了對(duì)批量有較大的要 求外，更重要的是要提高加工精度，擴(kuò)大加工范疇。因而國(guó)內(nèi)光學(xué)工 藝方面的專家對(duì)非球面加工， 自聚焦透鏡制造， 導(dǎo)波器件制造進(jìn)行了 研究和探討，而且取得了初步成果。經(jīng)過(guò)幾十年的努力，我國(guó)光學(xué)行 業(yè)建立了自己的光學(xué)加工工藝， 研制出一系列的光學(xué)加工設(shè)備。 有些 設(shè)備已成為國(guó)內(nèi)名牌產(chǎn)品， 有的已出口援外或外貿(mào)出口。 這些設(shè)備有 Q826、Q875、Q835A、QM-80、YG367、YG368、QA8510等名牌設(shè)備， 最近我們又研制出了環(huán)拋機(jī)床和下擺機(jī)床。二、實(shí)習(xí)目的了解現(xiàn)代光學(xué)冷加工工藝的發(fā)展， 通過(guò)自己動(dòng)手完成兩個(gè)凸透鏡零件的加工， 是學(xué)生所學(xué)得理論知識(shí)與實(shí)

5、際相結(jié)合， 鞏固消化所學(xué)2 / 14 的知識(shí)，托寬知識(shí)面，培養(yǎng)實(shí)踐操作技能。為以后的找工作打下牢固 色基礎(chǔ)。三、實(shí)習(xí)時(shí)間2011年 7月 5日-7 月 11日四、實(shí)習(xí)地點(diǎn)西安工業(yè)大學(xué)金花校區(qū)五、實(shí)習(xí)部門(mén)和單位：教五二樓光學(xué)冷加工實(shí)驗(yàn)室 西安工業(yè)大學(xué)的“陜西省薄膜技術(shù)與光學(xué)檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”成立于 1999 年，在上級(jí)和學(xué)校的支持下，實(shí)驗(yàn)室整體實(shí)力不斷增強(qiáng)，成為 西北地區(qū)高校光學(xué)工程學(xué)科領(lǐng)域條件最好的實(shí)驗(yàn)室之一。實(shí)驗(yàn)室含光學(xué)工藝、光學(xué)檢測(cè)、薄膜技術(shù)、微光電器件制造與檢 測(cè)等實(shí)驗(yàn)室，擁有光學(xué)零件加工與檢測(cè)、光學(xué)薄膜制造與檢測(cè)、微光 電器件制造與檢測(cè)等研究領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)裝備，設(shè)備總值 3000 余萬(wàn)

6、元，是光學(xué)工程及相關(guān)專業(yè)的教學(xué)、科研實(shí)踐基地。光學(xué)工藝實(shí)驗(yàn)室 曾被評(píng)為“全國(guó)高校先進(jìn)實(shí)驗(yàn)室”。實(shí)驗(yàn)室主要研究方向：薄膜與等離子體技術(shù)、光學(xué)制造與檢測(cè)技 術(shù)、微光電器件制造技術(shù)及應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)室擁有德國(guó)萊堡，俄羅斯真空設(shè)備廠，中國(guó)南光機(jī)器有限公 司，北京儀器廠， 沈陽(yáng)科學(xué)儀器廠等廠家的光學(xué)多層鍍膜機(jī)、真空實(shí) 驗(yàn)臺(tái)、硬質(zhì)涂層鍍膜機(jī)、磁控濺射鍍膜機(jī)、真空電弧鍍膜機(jī)等各類設(shè) 備 10 余臺(tái)（套），相關(guān)薄膜特性檢測(cè)設(shè)備近 10 臺(tái)。六、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容3 / 14光學(xué)冷加工過(guò)程分為以下幾個(gè)主要步驟：銑磨工藝，磨邊與精磨 工藝，拋光工藝，鍍膜工藝，檢測(cè)技術(shù)與方法。在這個(gè)工藝過(guò)程中我們主要是進(jìn)了粗磨車間實(shí)習(xí)，由于學(xué)校所

7、用 玻璃毛坯是已經(jīng)經(jīng)過(guò)初加工處理， 已到達(dá)相關(guān)要求， 所以可以直接進(jìn) 行粗磨加工。實(shí)習(xí)過(guò)程中了解到，粗磨主要目的是去除毛坯余量，粗 磨加工的結(jié)果要求將一面加工成凹面，曲率半徑為 R=33.81，另一面 加工成凸面，半徑為 R=119.12，厚度為 1.85-1.95 ，可根據(jù)公式 sinx=D/ 【2*（R+r）】, 3 、當(dāng)磨輪選定后， D 和 r 均為定值，只要 調(diào)節(jié)兩軸夾角，即可以得到不同曲率半徑的球面。 1、球面銑磨原理采用斜截圓原理4、加工凸面時(shí)，外凸包使實(shí)際加工的曲率半徑增大，內(nèi)凸包使曲 率減小。5、銑磨過(guò)程優(yōu)劣的指標(biāo)有尺寸精度、 磨削效率、工件表面粗糙度、 磨輪的磨耗比等。4 /

8、 146、面型的檢驗(yàn)使用的是建議球面檢測(cè)儀， 與標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)檢測(cè)加工是否合格。在銑磨過(guò)程中， 由于加儀器較多， 銑磨一會(huì)用球面檢測(cè)儀測(cè)時(shí)結(jié)果可 能偏大，則需將角度調(diào)大點(diǎn)。 檢測(cè)其達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)要求方能送精磨 車間精磨以及拋光（二）、磨邊與精磨工藝1、定心磨邊（一般工藝流程中，銑磨之后是精磨，因?yàn)閮x器夾具直徑的 限制，所以本次實(shí)習(xí)中先進(jìn)行定心磨邊，磨小外圓尺寸使零件 可以裝夾到精磨夾具中。） 透鏡的定心磨邊是使透鏡的光軸與圓柱面幾何軸線重合（或基 準(zhǔn)軸），同時(shí)把外圓磨到給定的尺寸。定心磨邊的步驟：1）.定心：通過(guò)一定的方法尋找并確定透鏡光軸與基準(zhǔn)軸重合 的位置，即使透鏡諸光學(xué)表面定心頂點(diǎn)處的

9、法線與基準(zhǔn)軸重合 的位置。2）.磨邊：相對(duì)于確定了的透鏡光軸，磨削透鏡的外圓，以獲 得光軸與基準(zhǔn)軸重合的外圓直徑，達(dá)到所要求數(shù)值的透鏡。5 / 14定心的方法有許多中，本次實(shí)習(xí)所用方法為機(jī)械定心法。被定心透鏡放在一對(duì)同軸精度高、端面精確垂直于軸線的夾頭之間，利用彈簧壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)定心的。使透鏡整個(gè)表面與接頭端 面接觸，這時(shí)透鏡的兩個(gè)表面的球心位于接頭的軸線上，使透 鏡被夾緊的同時(shí)達(dá)到定心的目。機(jī)械法定心的特點(diǎn)操作簡(jiǎn)便， 加工效率高，適用于中等尺寸、中等精度透鏡的大批量生產(chǎn)。 其他還有光學(xué)定心法、自準(zhǔn)直像定心法、光學(xué)電視定心法、透 射像定心法等。磨邊冷卻液可分為油性和水性兩種，具有粘度低 ,冷卻性強(qiáng)

10、， 潤(rùn)滑性好等特點(diǎn)，同時(shí)不損害皮膚，對(duì)機(jī)床設(shè)備無(wú)銹蝕，對(duì)環(huán) 境無(wú)污染。一般采用 401#冷卻液、 GX 水基冷卻液等。 2、精磨 精磨的目的：使零件表面的凹凸層深度和裂紋層深度進(jìn)一步減 小；獲得所需的尺寸精度。6 / 14此次實(shí)習(xí)精磨使用的是高速精磨機(jī)， 使用金剛石丸片磨具進(jìn)行精磨加工，精磨片在球面夾具上的分布必須使得精磨模在使用過(guò)程中的磨損規(guī)律符合“余弦磨損”。每道精磨工序時(shí)間為 40s。精磨的冷卻液為水。三）：拋光工藝拋光的目的是消除精磨的破壞層，達(dá)到規(guī)定的表面要求；精 修面形，達(dá)到圖紙要求的光圈數(shù) N 和局部誤差；為后續(xù)特種工 藝創(chuàng)造條件。三）：拋光工藝7 / 14拋光的目的是消除精磨的

11、破壞層，達(dá)到規(guī)定的表面要求；精 修面形，達(dá)到圖紙要求的光圈數(shù) N 和局部誤差；為后續(xù)特種工 藝創(chuàng)造條件。拋光的機(jī)理是機(jī)械磨削、化學(xué)作用和表面流動(dòng)理論。拋光后零件的檢驗(yàn)主要是利用光圈數(shù)來(lái)判定， 光圈數(shù)的檢驗(yàn)原理是等厚干涉。圖二）不同類型的精磨金剛石丸片磨具8 / 14拋光的工藝中，所用的拋光液為 Fe2O3，夾具為比較柔軟的纖 維布料，其具體操作步驟為：將休整好的拋光模上緊在機(jī)床的光軸上，把待加工的零件放置 在相應(yīng)的夾具內(nèi)，與機(jī)床上的拋光模相貼，調(diào)整機(jī)床的擺幅，啟動(dòng)機(jī) 床對(duì)零件的第一面進(jìn)行拋光， 拋光完工后重復(fù)上述步驟， 對(duì)零件進(jìn)行 第二面拋光，在拋光過(guò)程中，操作者必須對(duì)每件零件進(jìn)行相應(yīng)的自檢，

12、 如零件的中心厚度、表面光潔度、光圈及光圈不規(guī)則度等。圖三、精磨拋光機(jī)（四）：鍍膜工藝薄膜的作用在于改進(jìn)基底的性能或功能。實(shí)現(xiàn)特定的光學(xué)特性 優(yōu)化表面性能，改善表面特性，進(jìn)行微細(xì)加工，實(shí)現(xiàn)微制造； 產(chǎn)生新功能特性。光學(xué)薄膜器件主要采用真空環(huán)境下的熱蒸發(fā)方法制造。常用的薄 膜制備方法有熱蒸發(fā)、濺射、離子束輔助蒸發(fā)、電鍍。9 / 14各種光學(xué)玻璃因?yàn)槠涫褂媚康暮铜h(huán)境的不同，對(duì)工藝的要求和光線的通透等也就不相同， 鍍膜這道工序就是為了滿足這些要求而對(duì)光 線光路等做出相應(yīng)的調(diào)整。鍍膜要求較高，學(xué)校所采用的是箱式電子真空鍍膜機(jī)，在指導(dǎo)老 師的介紹下，其基本原理是通過(guò)電子槍發(fā)射出來(lái)的電子在磁場(chǎng)的作用 下受

13、洛侖茲力作用而打在膜料上使膜料蒸發(fā)較均勻的粘附在片上， 然 后烘烤鏡片使膜料粘固。鍍膜后的鏡片通過(guò)封光光光度計(jì)來(lái)檢查其光譜曲線來(lái)計(jì)算其反 射率、透射率等是否達(dá)到技術(shù)要求。 同時(shí)還可根據(jù)反射率的變化來(lái)估 算薄膜厚度。在這種鍍膜方式下，由于邊緣線速度與中心線速度是不相同的， 溫度也并非出處相同， 所以不能保證光學(xué)表面鍍膜的均勻， 邊緣和中 心必然存在一定的偏差。鍍膜機(jī)工作時(shí)要求真空環(huán)境，真空等級(jí)分為初真空，低真空，高 真空，極高真空，超高真空，一般要求工作環(huán)境為高真空 ,所處氣壓 為 103 10 5Pa。鍍膜后的檢驗(yàn)方法主要有判別顏色，觀察器件的表面光潔度，測(cè) 試所鍍膜層的牢固度（使用擦拭法）。

14、鍍膜的具體工序如下所示：1 1 操作人員，必須取得崗位資格證書(shū)2. 膜料的選擇 膜料 SiO2純度 99.9910 / 143 工房的要求 溫度控制在 22C4C，濕度 80，工房 內(nèi)一切設(shè)施擺放整潔。4 清潔基片用脫脂布蘸醇醚混合液擦拭零件表面，若表面印 記不能用混合液擦去，可用細(xì)拋光粉擦，然后用醇醚混合液 擦干，以哈氣檢查表面清潔程度。5 裝料裝件將擦拭干凈的基片放置在鍍膜用夾具上，并調(diào)整 好夾具及基片的位置，以便蒸發(fā)時(shí)目測(cè)干涉色的變化，同時(shí) 將蒸發(fā)源及膜料裝好。6 開(kāi)冷卻水和擴(kuò)散泵7 抽低真空打開(kāi)機(jī)械泵低閥，抽低真空，打開(kāi)低真空測(cè)量表 頭（熱電偶真空計(jì)），測(cè)低真空度。8 離子轟擊當(dāng)真空抽

15、至 1020Pa 時(shí)開(kāi)始轟擊，轟擊電流 50 150uA，啟動(dòng)工轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)工作，將低閥關(guān)閉，抽預(yù)閥（管道）， 當(dāng)真空度降至 20Pa時(shí)，關(guān)閉預(yù)閥，重新抽低閥，重復(fù)動(dòng)作維 持真空度在 100.1Pa 之間，時(shí)間 1020 分鐘。9 開(kāi)高閥 離子轟擊 1020 分鐘，低真空在 110Pa時(shí)，打 開(kāi)高真空閥門(mén)，待離子轟擊輝光消失后，切斷轟擊電源。10烘燒 250 C300C11測(cè)高真空當(dāng)真空度到 0.001Pa 時(shí)，用電離真空計(jì)測(cè)量12預(yù)熔除氣 當(dāng)真空度至 0.008Pa 時(shí)開(kāi)始預(yù)熔除氣，預(yù)熔緩慢，至膜料徹底變?yōu)榱鲃?dòng)的液體。11 / 1413蒸鍍 當(dāng)溫度達(dá)到 250C300 C時(shí)，真空度達(dá)到 0.005

16、 0.007Pa，即可蒸發(fā)，蒸發(fā)電流應(yīng)比預(yù)熔時(shí)的 電流略低，避免出現(xiàn)“打點(diǎn)子”，用目測(cè)觀測(cè)反射色控制膜 厚，到達(dá)指定顏色時(shí)停止蒸鍍。14冷卻，充氣 當(dāng)真空室溫度降至 200C 時(shí)，充氣15送檢五、檢測(cè)技術(shù)與方法 激光干涉儀使用干涉形成干涉條紋的的情況， 用標(biāo)準(zhǔn)具與被測(cè)器件相 比較得到相對(duì)差來(lái)判斷被測(cè)器件的平整情況。當(dāng)被測(cè)器件為平面時(shí)， 原理如下圖：應(yīng)該注意的是， 在上圖中， 由干涉條紋求出的光程差是實(shí)際被測(cè)件光 程差的 2 倍，所以在求實(shí)際被測(cè)件與標(biāo)準(zhǔn)器件差時(shí)應(yīng)為通過(guò)干涉條紋 求出的厚度差的 1/2. 當(dāng)被測(cè)器件為球面時(shí)，原理圖如下12 / 14值得注意的是，被測(cè)器件必須在標(biāo)準(zhǔn)具球心和曲率半徑處才能有干涉 條紋。它的測(cè)量步驟：1. 打開(kāi)干涉儀及計(jì)算機(jī)的電源2. 根據(jù)待測(cè)件選擇參考鏡頭，安裝參考鏡頭，并調(diào)整3. 安裝被測(cè)件，并調(diào)整4. 對(duì)焦5. 測(cè)量并查看測(cè)量結(jié)果測(cè)量結(jié)果是由 PV 值和 RMS 值的大小來(lái)判斷與標(biāo)準(zhǔn)具的相似情況， 進(jìn)而判斷被測(cè)件結(jié)果的好壞。六實(shí)驗(yàn)總結(jié)一周的冷加工實(shí)習(xí)結(jié)束了， 通過(guò)老師的指導(dǎo)和示范， 讓我認(rèn)識(shí)光 學(xué)冷加工和熟悉了操作方法。 我們本次實(shí)習(xí)主要是做光學(xué)冷加工的銑 磨工藝，磨邊與精磨工藝，拋光工藝，鍍膜工藝，檢測(cè)技術(shù)與方法。13 / 14 在實(shí)習(xí)中， 我將自身所學(xué)和在生產(chǎn)實(shí)習(xí)所見(jiàn)所學(xué)相互融合， 進(jìn)一步深 化了理論知識(shí)， 更清楚地理解了整個(gè)流程的工作過(guò)程，