非球面光學(xué)零件超精密加工技術(shù)

1、非球面光學(xué)零件超精密加工技術(shù)1概述1.1 非球面光學(xué)零件的作用非球面光學(xué)零件是一種非常重要的光學(xué)零件，常用的有拋物面鏡、雙曲面鏡、橢球面鏡等。非球面光學(xué)零件可以獲得球面光學(xué)零件無可相比的良好的成像質(zhì)量，在光學(xué)系統(tǒng)中能夠很好的矯正多種像差，改善成像質(zhì)量，進(jìn)步系統(tǒng)鑒別能力，它能以一個(gè)或幾個(gè)非球面零件代替多個(gè)球面零件，從而簡(jiǎn)化儀器結(jié)構(gòu)，降低本錢并有效的減輕儀器重量。非球面光學(xué)零件在軍用和民用光電產(chǎn)品上的應(yīng)用也很廣泛，如在攝影鏡頭和取景器、電視攝像管、變焦鏡頭、電影放影鏡頭、衛(wèi)星紅外看遠(yuǎn)鏡、錄像機(jī)鏡頭、錄像和錄音光盤讀出頭、條形碼讀出頭、光纖通訊的光纖接頭、醫(yī)療儀器等中。1.2 國(guó)外非球面零件的超精密

2、加工技術(shù)的現(xiàn)狀80年代以來，出現(xiàn)了很多種新的非球面超精密加工技術(shù)，主要有：計(jì)算機(jī)數(shù)控單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控磨削技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控離子束成形技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控超精密拋光技術(shù)和非球面復(fù)印技術(shù)等，這些加工方法，基本上解決了各種非球面鏡加工中所存在的題目。前四種方法運(yùn)用了數(shù)控技術(shù)，均具有加工精度較高，效率高等特點(diǎn)，適于批量生產(chǎn)。進(jìn)行非球面零件加工時(shí)，要考慮所加工零件的材料、外形、精度和口徑等因素，對(duì)于銅、鋁等軟質(zhì)材料，可以用單點(diǎn)金剛石切削(SPDT的方法進(jìn)行超精加工，對(duì)于玻璃或塑料等，當(dāng)前主要采用先超精密加工其模具，而后再用成形法生產(chǎn)非球面零件，對(duì)于其它一些高硬度的脆性材料，目前主要是通過超精密磨

3、削和超精密研磨、拋光等方法進(jìn)行加工的，另外還有非球面零件的特種加工技術(shù)如離子束拋光等。國(guó)外很多公司己將超精密車削、磨削、研磨以及拋光加工集成為一體，并且研制出超精密復(fù)合加工系統(tǒng)，如Rank Pneumo 公司生產(chǎn)的Nanoform300、Nanoform250、CUPE 研制的Nanocentre 、日本的AHN603D 、ULP 一100A(H都具有復(fù)合加工功能，這樣可以便非球面零件的加工更加靈活。1.3 我國(guó)非球面零件超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀我國(guó)從80年代初才開始超精密加工技術(shù)的研究，比國(guó)外整整落后了20年。近年來，該項(xiàng)工作開展較好的單位有北京機(jī)床研究所、中國(guó)航空精密機(jī)械研究所、哈爾濱產(chǎn)業(yè)大學(xué)

4、、中科院長(zhǎng)春光機(jī)所應(yīng)用光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等。為更好的開展對(duì)此項(xiàng)超精密加工技術(shù)的研究，國(guó)防科工委于1995年在中國(guó)航空精密機(jī)械研究所首先建立了國(guó)內(nèi)第一個(gè)從事超精密加工技術(shù)研究的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。2非球面零件超精密切削加工技術(shù)美國(guó)Union Carbide公司于1972年研制成功了 R 方式的非球面創(chuàng)成加工機(jī)床。這是一臺(tái)具有位置反饋的雙坐標(biāo)數(shù)控車床，可實(shí)時(shí)改變刀座導(dǎo)軌的轉(zhuǎn)角和半徑 R ，實(shí)現(xiàn)非球面的鏡面加工。加工直徑達(dá)380mm ，加工工件的外形精度為±0.63m ，表面粗糙度為Ra0.025m 。摩爾公司于1980年首先開發(fā)出了用3個(gè)坐標(biāo)控制的M 18AG 非球面加工機(jī)床，這種機(jī)床可加工直徑35

5、6mm 的各種非球面的金屬反射鏡。英國(guó)Rank Pneumo 公司于1980年向市場(chǎng)推出了利用激光反饋控制的兩軸聯(lián)動(dòng)加工機(jī)床(MSG325 ，該機(jī)床可加工直徑為350mm 的非球面金屬反射鏡，加工工件外形精度達(dá)0.25-0.5m ，表面粗糙度 Ra 在0.01-0.025m 之間。隨后又推出了ASG2500、ASG2500T 、Nanoform300等機(jī)床，該公司又在上述機(jī)床的基礎(chǔ)上，于1990年開發(fā)出 Nanoform600，該機(jī)床能加工直徑為600mm 的非球面反射鏡，加工工件的外形精度優(yōu)于01m ，表面粗糙度優(yōu)于0.01m 。代表當(dāng)今員高水平的超精密金剛石車床是美國(guó)勞倫斯利弗莫爾(LLN

6、L實(shí)驗(yàn)室于1984年研制成功的 LODTM ，它可加工直徑達(dá)2100mm ，重達(dá)4500kg 的工件其加工精度可達(dá)0.25m ，表面粗糙度Ra0.0076m ，該機(jī)床可加工平面、球面及非球面，主要用于加工激光核聚變工程所需的零件、紅外線裝置用的零件和大型天體反射鏡等。英國(guó)Cranfield 大學(xué)精密工程研究所(CUPE研制的大型超精密金剛右鏡面切削機(jī)床，可以加工大型 X 射線天體看遠(yuǎn)鏡用的非球面反射鏡(最大直徑可達(dá)1400mm ，最大長(zhǎng)度為600mm 的圓錐鏡 。該研究所還研制成功了可以加工用于 X 射線看遠(yuǎn)鏡內(nèi)側(cè)回轉(zhuǎn)拋物面和外側(cè)回轉(zhuǎn)雙曲面反射鏡的金剛石切削機(jī)床。日本開發(fā)的超精密加工機(jī)床主要是

7、用于加工民用產(chǎn)品所需的透鏡和反射鏡，目前日本制造的加工機(jī)床有：東芝機(jī)械研制的ULG l00A(H不二越公司的ASP L15、豐田工機(jī)的AHN10、AHN30×25、AHN603D 非球面加工機(jī)床等。3非球面零件超精密磨削加工技術(shù)3.1 非球面零件超精磨削裝置英國(guó)Rank Pneumo 公司1988年開發(fā)了改進(jìn)型的ASG2500、ASG2500T 、Nanoform300機(jī)床，這些機(jī)床不僅能夠進(jìn)切削加工，而且也可以用金剛石砂輪進(jìn)行磨削，能加工直徑為300mm 的非球面金屬反射鏡，加工工件的外形精度為0.3-0.16m ，表面粗糙度達(dá)Ra0.01m 。最近又推出 Nanoform250超

8、精密加工系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個(gè)兩軸超精密CNC 機(jī)床，在該機(jī)床上既能進(jìn)行超精密車削又能進(jìn)行超揚(yáng)密磨削還能進(jìn)行超精密拋光。最突出的特點(diǎn)是可以直接磨削出能達(dá)到光學(xué)系統(tǒng)要求的具有光學(xué)表面質(zhì)量和面型精度的硬脆材料光學(xué)零件。該機(jī)床采用了很多先進(jìn)的Nanoform600、Optoform50設(shè)計(jì)思想，機(jī)床最大加工工件直徑達(dá)250mm ，它通過一個(gè)升高裝置使機(jī)床的最大加工工件直徑達(dá)到450mm ，另外通過控制垂直方向的液體靜壓導(dǎo)軌(Y軸 還能磨削非軸對(duì)稱零件，機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的分辨率達(dá)0.001m ，位置反饋元件采用了分辨率為8.6nm 的光柵或分辨率為1.25nm 的激光干涉儀，加工工件的面型精度達(dá)0.25m ，

9、表面粗糙度優(yōu)于Ra0.01m 。1概述1.1 非球面光學(xué)零件的作用非球面光學(xué)零件是一種非常重要的光學(xué)零件，常用的有拋物面鏡、雙曲面鏡、橢球面鏡等。非球面光學(xué)零件可以獲得球面光學(xué)零件無可相比的良好的成像質(zhì)量，在光學(xué)系統(tǒng)中能夠很好的矯正多種像差，改善成像質(zhì)量，進(jìn)步系統(tǒng)鑒別能力，它能以一個(gè)或幾個(gè)非球面零件代替多個(gè)球面零件，從而簡(jiǎn)化儀器結(jié)構(gòu)，降低本錢并有效的減輕儀器重量。非球面光學(xué)零件在軍用和民用光電產(chǎn)品上的應(yīng)用也很廣泛，如在攝影鏡頭和取景器、電視攝像管、變焦鏡頭、電影放影鏡頭、衛(wèi)星紅外看遠(yuǎn)鏡、錄像機(jī)鏡頭、錄像和錄音光盤讀出頭、條形碼讀出頭、光纖通訊的光纖接頭、醫(yī)療儀器等中。1.2 國(guó)外非球面零件的超

10、精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀80年代以來，出現(xiàn)了很多種新的非球面超精密加工技術(shù)，主要有：計(jì)算機(jī)數(shù)控單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控磨削技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控離子束成形技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控超精密拋光技術(shù)和非球面復(fù)印技術(shù)等，這些加工方法，基本上解決了各種非球面鏡加工中所存在的題目。前四種方法運(yùn)用了數(shù)控技術(shù)，均具有加工精度較高，效率高等特點(diǎn)，適于批量生產(chǎn)。進(jìn)行非球面零件加工時(shí)，要考慮所加工零件的材料、外形、精度和口徑等因素，對(duì)于銅、鋁等軟質(zhì)材料，可以用單點(diǎn)金剛石切削(SPDT的方法進(jìn)行超精加工，對(duì)于玻璃或塑料等，當(dāng)前主要采用先超精密加工其模具，而后再用成形法生產(chǎn)非球面零件，對(duì)于其它一些高硬度的脆性材料，目前主要是通過超精

11、密磨削和超精密研磨、拋光等方法進(jìn)行加工的，另外還有非球面零件的特種加工技術(shù)如離子束拋光等。國(guó)外很多公司己將超精密車削、磨削、研磨以及拋光加工集成為一體，并且研制出超精密復(fù)合加工系統(tǒng)，如Rank Pneumo 公司生產(chǎn)的Nanoform300、Nanoform250、CUPE 研制的Nanocentre 、日本的AHN603D 、ULP 一100A(H都具有復(fù)合加工功能，這樣可以便非球面零件的加工更加靈活。1.3 我國(guó)非球面零件超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀我國(guó)從80年代初才開始超精密加工技術(shù)的研究，比國(guó)外整整落后了20年。近年來，該項(xiàng)工作開展較好的單位有北京機(jī)床研究所、中國(guó)航空精密機(jī)械研究所、哈爾濱產(chǎn)業(yè)

12、大學(xué)、中科院長(zhǎng)春光機(jī)所應(yīng)用光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等。為更好的開展對(duì)此項(xiàng)超精密加工技術(shù)的研究，國(guó)防科工委于1995年在中國(guó)航空精密機(jī)械研究所首先建立了國(guó)內(nèi)第一個(gè)從事超精密加工技術(shù)研究的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。2非球面零件超精密切削加工技術(shù)美國(guó)Union Carbide公司于1972年研制成功了 R 方式的非球面創(chuàng)成加工機(jī)床。這是一臺(tái)具有位置反饋的雙坐標(biāo)數(shù)控車床，可實(shí)時(shí)改變刀座導(dǎo)軌的轉(zhuǎn)角和半徑 R ，實(shí)現(xiàn)非球面的鏡面加工。加工直徑達(dá)380mm ，加工工件的外形精度為±0.63m ，表面粗糙度為Ra0.025m 。摩爾公司于1980年首先開發(fā)出了用3個(gè)坐標(biāo)控制的M 18AG 非球面加工機(jī)床，這種機(jī)床可加工直徑

13、356mm 的各種非球面的金屬反射鏡。英國(guó)Rank Pneumo 公司于1980年向市場(chǎng)推出了利用激光反饋控制的兩軸聯(lián)動(dòng)加工機(jī)床(MSG325 ，該機(jī)床可加工直徑為350mm 的非球面金屬反射鏡，加工工件外形精度達(dá)0.25-0.5m ，表面粗糙度 Ra 在0.01-0.025m 之間。隨后又推出了ASG2500、ASG2500T 、Nanoform300等機(jī)床，該公司又在上述機(jī)床的基礎(chǔ)上，于1990年開發(fā)出 Nanoform600，該機(jī)床能加工直徑為600mm 的非球面反射鏡，加工工件的外形精度優(yōu)于01m ，表面粗糙度優(yōu)于0.01m 。代表當(dāng)今員高水平的超精密金剛石車床是美國(guó)勞倫斯利弗莫爾(L

14、LNL實(shí)驗(yàn)室于1984年研制成功的 LODTM ，它可加工直徑達(dá)2100mm ，重達(dá)4500kg 的工件其加工精度可達(dá)0.25m ，表面粗糙度Ra0.0076m ，該機(jī)床可加工平面、球面及非球面，主要用于加工激光核聚變工程所需的零件、紅外線裝置用的零件和大型天體反射鏡等。英國(guó)Cranfield 大學(xué)精密工程研究所(CUPE研制的大型超精密金剛右鏡面切削機(jī)床，可以加工大型 X 射線天體看遠(yuǎn)鏡用的非球面反射鏡(最大直徑可達(dá)1400mm ，最大長(zhǎng)度為600mm 的圓錐鏡 。該研究所還研制成功了可以加工用于 X 射線看遠(yuǎn)鏡內(nèi)側(cè)回轉(zhuǎn)拋物面和外側(cè)回轉(zhuǎn)雙曲面反射鏡的金剛石切削機(jī)床。日本開發(fā)的超精密加工機(jī)床主

15、要是用于加工民用產(chǎn)品所需的透鏡和反射鏡，目前日本制造的加工機(jī)床有：東芝機(jī)械研制的ULG l00A(H不二越公司的ASP L15、豐田工機(jī)的AHN10、AHN30×25、AHN603D 非球面加工機(jī)床等。3非球面零件超精密磨削加工技術(shù)3.1 非球面零件超精磨削裝置英國(guó)Rank Pneumo 公司1988年開發(fā)了改進(jìn)型的ASG2500、ASG2500T 、Nanoform300機(jī)床，這些機(jī)床不僅能夠進(jìn)切削加工，而且也可以用金剛石砂輪進(jìn)行磨削，能加工直徑為300mm 的非球面金屬反射鏡，加工工件的外形精度為0.3-0.16m ，表面粗糙度達(dá)Ra0.01m 。最近又推出 Nanoform25

16、0超精密加工系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個(gè)兩軸超精密CNC 機(jī)床，在該機(jī)床上既能進(jìn)行超精密車削又能進(jìn)行超揚(yáng)密磨削還能進(jìn)行超精密拋光。最突出的特點(diǎn)是可以直接磨削出能達(dá)到光學(xué)系統(tǒng)要求的具有光學(xué)表面質(zhì)量和面型精度的硬脆材料光學(xué)零件。該機(jī)床采用了很多先進(jìn)的Nanoform600、Optoform50設(shè)計(jì)思想，機(jī)床最大加工工件直徑達(dá)250mm ，它通過一個(gè)升高裝置使機(jī)床的最大加工工件直徑達(dá)到450mm ，另外通過控制垂直方向的液體靜壓導(dǎo)軌(Y軸 還能磨削非軸對(duì)稱零件，機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的分辨率達(dá)0.001m ，位置反饋元件采用了分辨率為8.6nm 的光柵或分辨率為1.25nm 的激光干涉儀，加工工件的面型精度達(dá)0.25m

17、 ，表面粗糙度優(yōu)于Ra0.01m 。Nanocentre250、Nanocentre600是一種三軸超精密CNC 非球面范成裝置，它可以滿足單點(diǎn)和延性磨削兩個(gè)方面的使用要求，通過公道化機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、利用高剛度伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和液體靜壓軸承使機(jī)床具有較高的閉環(huán)剛度， x 和 Z 軸的分辨率為1.25nm ，這個(gè)機(jī)床被以為是符合現(xiàn)代工藝規(guī)范的。CUPE 生產(chǎn)的Nanocentre 非球面光學(xué)零件加工機(jī)床，加工直徑達(dá)600mm 面型精度優(yōu)于0.1m ，表面粗糙度優(yōu)于Ra0.01m 。CUPE 還為美國(guó)柯達(dá)公司研究、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)了當(dāng)今世界上最大的超精密大型 CNC 光學(xué)零件磨床“0AGM2500”，該機(jī)床主

18、要用于光學(xué)玻璃等硬脆材料的加工，可加工和丈量2.5m ×2.5m ×0.61m 的工件，它能加工出2m 見方的非對(duì)稱光學(xué)鏡面，鏡面的外形誤差僅為1m 。日本豐田工機(jī)研制的AHN603D 是一臺(tái)CNC 三維截形磨削和車削機(jī)床，它能在X 、Y 和Z 三軸控制下磨削和車削軸向?qū)ΨQ外形的光學(xué)零件，可以在X 、Y 和Z 軸二個(gè)半軸控制下磨削和車削非軸對(duì)稱光學(xué)零件，加工工件的截形精度為0.35unl ，表面粗糙度達(dá)Ra0.016m 。另外東芝機(jī)械研制的ULG 100A(H超精密復(fù)合加工裝置，它用分別控制兩個(gè)軸的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)非球面透鏡模具的切削和磨削，其X 軸和Z 軸的行程分別為150

19、mm 和100mm ，位置反饋元件是分辨率為0.01m 的光柵。3.2 非球面光學(xué)零件的ELID 鏡面磨削技術(shù)日本學(xué)者大森整等人從1987年對(duì)超硬磨料砂輪進(jìn)行了研究，開發(fā)了使用電解In Process Dressing(ELID的磨削法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)硬脆材料高品位鏡面磨削和延性方式的磨削，現(xiàn)在該方法己成功的應(yīng)用于球面、非球面透鏡、模具的超精密加工。 ELID 鏡面磨削原理ELID 磨削系統(tǒng)包括：金屬結(jié)合劑超微細(xì)粒度超硬磨料砂輪、電解修整電源、電解修整電極、電解液(兼作磨削液 、接電電刷和機(jī)床設(shè)備。磨削過程中，砂輪通過接電電刷與電源的正極相接，安裝在機(jī)床上的修整電極與電源的負(fù)極相接，砂輪和電極之間澆

20、注電解液，這樣，電源、砂輪、電極、砂輪和電極之間的電解液形成一個(gè)完整的電化學(xué)系統(tǒng)。采用 ELID 磨削時(shí)，對(duì)所用的砂輪、電源、電解液均有一些特殊要求。要求砂輪的結(jié)合劑有良好的導(dǎo)電性和電解性、結(jié)合劑元素的氫氧化物或氧化物不導(dǎo)電，且不溶于水，ELID 磨削使用的電源，可以采用電解加工的直流電源或采用各種波形的脈沖電源或直流基量脈沖電源。在ELID 磨削過程中，電解液除作為磨削液外，還起著降低磨削區(qū)溫度和減少摩撩的作用，ELID 磨削一般采用水溶性磨削液，全屬基結(jié)合劑砂輪的機(jī)械強(qiáng)度高，通過設(shè)定合適的電解量，砂輪磨損小。同時(shí)能得到高的外形精度。應(yīng)用這個(gè)原理，能實(shí)現(xiàn)從平面到非球面，各種外形的光學(xué)元件的超

21、精密鏡面磨削。 ELID 鏡面磨削實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 在 Rank Pneumo 公司的 ASG2500T 機(jī)床上，裝上由砂輪、電源、電極、磨削液等組成大森 整 ELID 系統(tǒng)毛坯粗成形加工時(shí)使用 400#、半精加工時(shí)使用 1000#或 2000#、作鏡面磨削時(shí) 使用 4000#(均勻粒徑約為 4m或 8000#(均勻粒徑約為 2m的鑄鐵結(jié)合劑金剛石砂輪， 電 解修銳電源(ELID 電源，使用的是直流高頻脈沖電壓式專用電源，工作電壓為 60V，電流為 l0A。所用的磨削液，使用時(shí)要求用純水將水溶性磨削液 AFHM 和 CEM 稀釋 50 倍。 ELID 鏡面磨削實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果 作非球面加工時(shí)，通過安

22、裝在工件軸上的碗形砂輪(325#鑄鐵結(jié)合劑金剛石砂輪為30× W2mm進(jìn)行平砂輪的只成形體整， 10min 的電解初期修銳之后， 作 經(jīng)過 400#的粗磨和 1000# 的半精加工，最后再用 4000#進(jìn)行 ELID 鏡面磨削，在超精密非球面加工機(jī)床上，借助 ELID 磨削技術(shù)，成功地加工出了光學(xué)玻璃 BK7 非球面透鏡。面型精度達(dá)到優(yōu)于 0.2m，表面 粗糙度達(dá) Ra20nm，而對(duì)于稍軟如 LASFN30 和 Ge 等材料的非球面加工，同樣能達(dá)到面型精 度優(yōu)于 0.2-0.3m，表面粗糙度達(dá) Ra30nm。 4非球面零件的超精密拋光(研磨技術(shù) 超精密拋光是加工速度極慢的一種加工方法

23、。不適合外形范成法加工，近年來，由于短波長(zhǎng) 光學(xué)元件、OA 儀器和 AV 機(jī)器等的飛速發(fā)展，對(duì)零件的表面粗糙度提出了更高的要求，到 目前為止還沒有比超精密拋光更好的實(shí)用的方法，尤其當(dāng)零件的表面粗糙度要求優(yōu)于 0.0l m 時(shí)，這種方法是不可缺少的，對(duì)外形精度要求很高的工件，假如采用強(qiáng)制進(jìn)給的方法進(jìn) 行切削或進(jìn)行磨削時(shí)，其外形精度將直接受到機(jī)床進(jìn)給定位精度的影響，達(dá)到所在反應(yīng)，并 由此引起的加工作用，在工件表面上存在同樣微小凹的部分，在一般情況下，只能獲得波紋 起伏較大的表面。 日本大阪大學(xué)工學(xué)部森勇芷教授等人利用 EEM 開發(fā)了一種三軸(x、z、C數(shù)控光學(xué)表面范成 裝置，利用該裝置加工時(shí)，一邊在工件表面上控制聚胺脂球的滯留時(shí)間，一邊用聚胺脂球掃 描加工對(duì)象的物全領(lǐng)域，利用該裝置能加工高精度的任意曲面。 5非球面零件等離子體的 CVM(Chemical Vaporization Machining技術(shù) 目前廣泛采用的切削、研磨、拋光等機(jī)械加工方法，由于加工材料中存在微細(xì)裂紋或結(jié)晶中 的品格缺陷等原因，無論怎樣進(jìn)步加工精度，改進(jìn)加工裝置，總存在一定的局限性，為此， 日本大阪大學(xué)工學(xué)部森勇正教授提出了一種用化學(xué)氣體加工的新的加工工藝方法， 稱為等離 子 CV