光學玻璃的磨削加工方法

1、光學玻璃的磨削加工方法摘要：在現(xiàn)代光學透鏡表面加工中，加工過程分為粗磨、精加工和拋光，在平 面磨床、鏡片銑床、精加工、拋光等特殊設備上分別進行。由于這些光學加工機 床的行程、工作臺等結(jié)構(gòu)參數(shù)的限制，可以加工的零件的尺寸是有限的。研究了 光學玻璃的研磨方法。關(guān)鍵詞：光學玻璃；磨削加工；方法前言：在高速精密磨削中，工件由磨床組成，即工件的幾何精度由磨床的幾 何精度保證。零件的幾何精度可能會隨著磨料磨損的不同而變化。在研磨過程中， 金剛石顆粒和粘結(jié)劑具有較高的強度，金剛石顆粒不易脫落。在精細研磨過程中， 研磨表面的粘結(jié)劑要么是由于金剛石本身的自旋性質(zhì)而機械地自銳，要么是由于 一種優(yōu)良的制冷劑而化學地

2、自銳。特別是，用于機械和化學切割的精密銅基破碎 機在低粗糙度表面很難精煉。鈍化磨料的使用無疑降低了精整機的效率和質(zhì)量。 通過消除磨機的被動精加工方式，提高磨機的效率和質(zhì)量是當務之急。1傳統(tǒng)加工工藝存在的問題由于光學玻璃的硬度和脆性，傳統(tǒng)的加工工藝常用于高精度光學玻璃零件。 但該工藝適用于大型普通表面的磨削和拋光，難以滿足基體鉆孔、掘進和精加工 的高精度要求。體積為（830.05）mmx（520.02）mmx（100.02）mm；的玻 璃基板；8個公差為0.05 mm的圓孔；前緣1.3 mm寬的4個凹槽公差為0.01 mm，窄槽橫向粗糙度低，對稱性好。如果使用傳統(tǒng)的處理方法，會出現(xiàn)以下問 題。1

3、.1鉆孔的精美問題在光學元件的制造中，鉆孔是常用的。在打孔過程中，存在圓錐度、中心偏 轉(zhuǎn)、邊緣破碎、破片等問題。這種鉆孔方法可以滿足精度不高的孔的加工要求， 但傳統(tǒng)方法不能滿足精度高、軸向定位誤差大的孔的加工要求。與此同時，鉆孔 的質(zhì)量也取決于操作者的能力，因為傳統(tǒng)的鉆孔方法是由工人操作的。1.2切槽問題由于玻璃的硬脆特性，崩邊是不可避免的。然而，玻璃基板的切邊現(xiàn)象直接 影響到工件后續(xù)涂層的平整度，從而影響成品的測量精度。因此，有必要將邊緣 塌陷控制在最小值。如果不注意工藝，邊緣塌陷現(xiàn)象會導致玻璃基板報廢。1.3切割精度由于對精確測量的要求，一對玻璃基板對涂層表面的重合性有很高的要求， 誤差不

4、超過絲米水平。傳統(tǒng)的拋光工藝不僅周期長、成本高，而且難以保證涂層 表面處理的準確性。2光學玻璃精密加工技術(shù)光學玻璃超精密加工的技術(shù)難點在于，光學玻璃是一種典型的堅硬脆性材料， 其特點是脆性高，斷裂強度低。傳統(tǒng)的處理方法很難達到高表面質(zhì)量。光學玻璃 的高精度加工一般采用以下幾種方法進行：2.1在線電化學在線SS敷料（ELID）光學零件不僅加工精度高，而且表面無變質(zhì)層。在這樣的加工要求下，硬脆 材料的延性磨削就發(fā)生了。當每個磨粒去除的材料體積小到塑性流動而不發(fā)生脆 性斷裂即裂紋時，實現(xiàn)了韌性模式的無損傷磨削。自1987年以來，日本學者開 始研究鑄鐵纖維結(jié)合劑金剛石砂輪等具有高強度金屬結(jié)合劑的超硬磨

5、料，并發(fā)展 了電熔tic磨削法（ELID）。利用ELID在線修整金剛石砂輪磨削硅片、陶瓷等硬 脆材料，可以獲得納米加工表面，實現(xiàn)硬脆材料的超精密磨削。目前已成功應用 于球面、非球面透鏡及模具的超精密加工。采用ELID磨削技術(shù)在超精密非球面加 工機上加工BK7光學玻璃的非球面透鏡。表面粗糙度為20nm，表面精度優(yōu)于 0.2M；對于lasfn30和Ge的非球面，表面粗糙度為0.20.3M，表面粗糙度為 30nm。ELID磨削技術(shù)作為一種實用的非球面光學零件制造技術(shù)，可以將零件的最 終拋光量降至最低。用ELID磨削光學玻璃時，脈沖頻率的大小也很重要。在其他 參數(shù)不變的情況下，脈沖頻率越高加工的工件表

6、面質(zhì)量越好，但頻率過高則表面 質(zhì)量下降；頻率過低，表面質(zhì)量會顯著降低。為了在磨削過程中保持良好的刃口 狀態(tài)，必須使氧化膜薄而致密。選擇較小的電壓可以提高加工質(zhì)量。2.2激光加工激光加工是一種更適合于單件、小批量加工的現(xiàn)代精密加工方法。其獨特的 優(yōu)點是無接觸、無切削力、熱沖擊小、加工環(huán)境整潔。在生產(chǎn)和試驗中，利用激 光的高能量密度，使玻璃局部瞬間熔化甚至汽化，進行刻印、內(nèi)外刻印、鉆孔和 切割，或利用熱應力使材料內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，使裂紋沿規(guī)定方向擴展，達到切割的 目的。理論上，激光可以將任何材料研磨到所需的尺寸。在本研究中，使用兩束 CO2激光進行處理。一種用于對光學玻璃工件進行預熱以降低溫度梯度，另

7、一種 用于加工工件。預熱激光束在加工激光束的前面，兩束激光束之間有固定的距離。 加工所用工件為碳酸鈣玻璃，試驗分為預熱和非預熱兩種情況。結(jié)果表明，采用 單光束CO2激光（即不預熱）時，工件表面溫度變化迅速。雖然采用單束和雙束 CO2激光使工件表面達到合適的加工溫度，但兩束CO2激光產(chǎn)生的熱應力為 23.6mpa，遠低于單束CO2激光產(chǎn)生的34.7mpa的熱應力。同時，單次激光加工 所產(chǎn)生的最大拉應力遠大于兩束激光的最大拉應力。因此，采用雙光束激光加工 不僅可以提高加工質(zhì)量，而且可以有效降低試樣表面的熱應力。2.3超聲磨削超聲磨削是將超聲技術(shù)與磨削技術(shù)相結(jié)合的一種復合加工方法。超聲磨削包 括超聲

8、拋光和超聲珩磨。超聲磨削具有加工效率高、表面質(zhì)量好、刀具磨損小、 成本低等優(yōu)點。表面粗糙度隨超聲振幅、切削深度和刀具橫向進給量的增加而增 大，隨超聲頻率、粒度和刀具轉(zhuǎn)速的增加而減小。超聲磨削的材料去除率很高， 約為常規(guī)磨削的2-2.5倍。而且刀具磨損很小，僅為常規(guī)磨削的1/5-1/10。隨著 磨料粒度的增大，加工表面質(zhì)量和刃口塌陷直徑均隨磨料粒度的增大而增大。但 不存在熱變形、內(nèi)應力變形等加工缺陷。超聲波拋光屬于超精密加工的范疇?？?作為超精密加工的最終加工工序，保證被加工工件的尺寸精度和表面質(zhì)量。廣泛 用于加工各種硬脆材料，以及平面和復雜曲面。與普通珩磨相比，超聲珩磨的磨 削槽不僅寬而平，而

9、且槽頂平整，沒有斷續(xù)現(xiàn)象。常規(guī)珩磨的延性域臨界磨削深 度小于1.5m，而超聲珩磨的臨界磨削深度可達3m，在較高轉(zhuǎn)速下獲得的粗糙 度值比常規(guī)珩磨高1-2個等級。2.4精密銑削及超聲銑削硬脆材料光學玻璃的銑削加工，使其表面達到高精度是不可能的，但通過合 理的設計方法是不可能實現(xiàn)的。在銑削加工過程中，當?shù)毒邇A斜一定角度時，可 以大大提高表面質(zhì)量。當?shù)毒邇A斜一定角度時，通過選擇合適的工藝參數(shù)，可以 使銑削過程保持在延性狀態(tài)。結(jié)果表明，加工表面無裂紋，表面粗糙度Ra控制 在60nm以下。超聲銑削是近年來發(fā)展起來的一種新的加工方法，特別適用于硬 脆材料復雜型腔的加工。超聲銑削加工是在計算機的控制下，利用簡

10、單的成形刀 具和數(shù)控程序，在X-Y平面上實現(xiàn)二維輪廓加工。同時，實現(xiàn)了 z軸方向的逐層 送料，將復雜曲面的成形過程轉(zhuǎn)化為逐層的去除加工。在刀具三種運動的綜合作 用下，磨粒不斷錘擊、沖擊、拋光和劃傷工件表面，完成加工。通過銑削力實驗， 發(fā)現(xiàn)超聲銑削的銑削力遠低于普通銑削。在加工過程中，銑削參數(shù)和進給量對銑 削力影響較大，對切削深度影響較小。與傳統(tǒng)超聲加工相比，超聲銑削大大簡化 了超聲加工過程的控制，不僅提高了整個系統(tǒng)的加工柔性，而且降低了加工成本。 該加工方法適用于中小型腔、薄曲面、復雜曲面和組合曲面的加工。超聲加工可 使加工時間縮短5倍，因此超聲銑削是加工光學玻璃的最佳選擇之一。由于玻璃 對切削力的變化很敏感，為了獲得良好的加工表面，必須盡量保持磨削系統(tǒng)的穩(wěn) 定性。然后將研磨