非球面光学零件超精密加工技术.pdf

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1、非球面光学零件超精密加工技术 11 非球面光学零件的作用 非球面光学零件是一种非常重要的光学零件，常用的有抛物面镜、双曲面镜、 椭球面镜等。非球面光学零件可以获得球面光学零件无可比拟的良好的成像质 量，在光学系统中能够很好的矫正多种像差，改善成像质量，提高系统鉴别能力， 它能以一个或几个非球面零件代替多个球面零件，从而简化仪器结构， 降低成本 并有效的减轻仪器重量。 非球面光学零件在军用和民用光电产品上的应用也很广泛，如在摄影镜头和 取景器、电视摄像管、 变焦镜头、电影放影镜头、 卫星红外望远镜、 录像机镜头、 录像和录音光盘读出头、条形码读出头、光纤通信的光纤接头、医疗仪器等中。 12 国外

2、非球面零件的超精密加工技术的现状 80 年代以来，出现了许多种新的非球面超精密加工技术，主要有：计算机 数控单点金刚石车削技术、计算机数控磨削技术、计算机数控离子束成形技术、 计算机数控超精密抛光技术和非球面复印技术等，这些加工方法， 基本上解决了 各种非球面镜加工中所存在的问题。前四种方法运用了数控技术， 均具有加工精 度较高，效率高等特点，适于批量生产。 进行非球面零件加工时， 要考虑所加工零件的材料、 形状、精度和口径等因 素，对于铜、铝等软质材料，可以用单点金刚石切削(SPDT)的方法进行超精加 工，对于玻璃或塑料等， 当前主要采用先超精密加工其模具，而后再用成形法生 产非球面零件，

3、对于其它一些高硬度的脆性材料，目前主要是通过超精密磨削和 超精密研磨、 抛光等方法进行加工的， 另外还有非球面零件的特种加工技术如 离子束抛光等。 国外许多公司己将超精密车削、磨削、研磨以及抛光加工集成为一体，并且 研制出超精密复合加工系统，如RankPneumo 公司生产的Nanoform300、 Nanoform250、CUPE研制的 Nanocentre 、日本的 AHN60 3D 、ULP 一 100A(H) 都具有复合加工功能，这样可以便非球面零件的加工更加灵活。 13 我国非球面零件超精密加工技术的现状 我国从 80 年代初才开始超精密加工技术的研究，比国外整整落后了20 年。 近

4、年来， 该项工作开展较好的单位有北京机床研究所、中国航空精密机械研究所、 哈尔滨工业大学、中科院长春光机所应用光学重点实验室等。 为更好的开展对此项超精密加工技术的研究，国防科工委于1995 年在中国 航空精密机械研究所首先建立了国内第一个从事超精密加工技术研究的重点实 验室。 2非球面零件超精密切削加工技术 美国 UnionCarbide 公司于 1972 年研制成功了 R 方式的非球面创成加工 机床。这是一台具有位置反馈的双坐标数控车床，可实时改变刀座导轨的转角 和半径 R，实现非球面的镜面加工。加工直径达380mm ，加工工件的形状精度 为 O63m ，表面粗糙度为 Ra0.025m 。

5、 摩尔公司于 1980 年首先开发出了用3 个坐标控制的 M 18AG非球面加工 机床，这种机床可加工直径356mm 的各种非球面的金属反射镜。 英国 RankPneumo公司于 1980 年向市场推出了利用激光反馈控制的两轴联 动加工机床 (MSG 325) ，该机床可加工直径为350mm的非球面金属反射镜， 加 工工件形状精度达025-05m ，表面粗糙度 Ra在 001-O025m之间。随 后又推出了 ASG2500、ASG2500T、Nanoform300 等机床，该公司又在上述机床 的基础上， 于 1990 年开发出 Nanoform600，该机床能加工直径为600mm 的非球 面反

6、射镜，加工工件的形状精度优于01m ，表面粗糙度优于001m 。 代表当今员高水平的超精密金刚石车床是美国劳伦斯利弗莫尔(LLNL) 实 验室于 1984 年研制成功的 LODTM ，它可加工直径达2100mm，重达 4500kg的 工件其加工精度可达025m ，表面粗糙度 RaO0076m ，该机床可加工平面、 球面及非球面， 主要用于加工激光核聚变工程所需的零件、红外线装置用的零件 和大型天体反射镜等。 英国 Cranfield 大学精密工程研究所 (CUPE)研制的大型超精密金刚右镜面切 削机床，可以加工大型X 射线天体望远镜用的非球面反射镜(最大直径可达 1400mm，最大长度为 60

7、0mm 的圆锥镜 )。该研究所还研制成功了可以加工用于 X 射线望远镜内侧回转抛物面和外侧回转双曲面反射镜的金刚石切削机床。 日本开发的超精密加工机床主要是用于加工民用产品所需的透镜和反射镜， 目前日本制造的加工机床有：东芝机械研制的ULG l00A(H)不二越公司的 ASP L15 、丰田工机的 AHN10、AHN30 25、AHN60 3D非球面加工机床等。 3非球面零件超精密磨削加工技术 31 非球面零件超精磨削装置 英国 RankPneumo 公司 1988 年开发了改进型的ASG2500、ASG2500T、 Nanoform300 机床，这些机床不仅能够进切削加工，而且也可以用金刚石

8、砂轮进 行磨削，能加工直径为300mm 的非球面金属反射镜，加工工件的形状精度为 0.3-0.16 m，表面粗糙度达Ra0.01m。最近又推出Nanoform250 超精密加工系 统，该系统是一个两轴超精密CNC 机床，在该机床上既能进行超精密车削又能 进行超扬密磨削 还能进行超精密抛光。 最突出的特点是可以直接磨削出能达到 光学系统要求的具有光学表面质量和面型精度的硬脆材料光学零件。该机床采用 了许多先进的Nanoform600、Optoform50 设计思想，机床最大加工工件直径达 250mm，它通过一个升高装置使机床的最大加工工件直径达到450mm，另外通 过控制垂直方向的液体静压导轨(

9、Y 轴)还能磨削非轴对称零件，机床数控系统的 分辨率达0.001m ，位置反馈元件采用了分辨率为8.6nm 的光栅或分辨率为 1.25nm 的激光干涉仪，加工工件的面型精度达0.25 m，表面粗糙度优于 Ra0.01m。 Nanocentre250 、Nanocentre600是一种三轴超精密CNC 非球面范成装置， 它 可以满足单点和延性磨削两个方面的使用要求，通过合理化机床结构设计、 利用 高刚度伺服驱动系统和液体静压轴承使机床具有较高的闭环刚度，x 和 Z 轴的分 辨率为 1.25nm， 这个机床被认为是符合现代工艺规范的。 CUPE生产的 Nanocentre 非球面光学零件加工机床，

10、加工直径达600mm面型精度优于0.1m ，表面粗 糙度优于 Ra0.01m 。CUPE 还为美国柯达公司研究、设计和生产了当今世界上 最大的超精密大型CNC 光学零件磨床 “0AGM2500 ”，该机床主要用于光学玻璃 等硬脆材料的加工， 可加工和测量 2.5m 2.5m 0.61m的工件，它能加工出 2m 见 方的非对称光学镜面，镜面的形状误差仅为1m 。 日本丰田工机研制的AHN60 3D是一台 CNC 三维截形磨削和车削机床， 它能在 X、Y 和 Z 三轴控制下磨削和车削轴向对称形状的光学零件，可以在X、 Y 和 Z 轴二个半轴控制下磨削和车削非轴对称光学零件，加工工件的截形精度为 0

11、.35unl，表面粗糙度达 Ra0.016m。另外东芝机械研制的ULG 100A(H) 超精密 复合加工装置， 它用分别控制两个轴的方法， 实现了对非球面透镜模具的切削和 磨削，其 X 轴和 Z 轴的行程分别为 150mm 和 100mm，位置反馈元件是分辨率 为 0.01m 的光栅。 32 非球面光学零件的ELID 镜面磨削技术 日本学者大森整等人从1987 年对超硬磨料砂轮进行了研究，开发了使用电 解 InProcessDressing(ELID)的磨削法，实现了对硬脆材料高品位镜面磨削和延性 方式的磨削，现在该方法己成功的应用于球面、 非球面透镜、模具的超精密加工。 ELID 镜面磨削原

12、理 ELID 磨削系统包括： 金属结合剂超微细粒度超硬磨料砂轮、电解修整电源、 电解修整电极、电解液 (兼作磨削液 )、接电电刷和机床设备。磨削过程中，砂轮 通过接电电刷与电源的正极相接，安装在机床上的修整电极与电源的负极相接， 砂轮和电极之间浇注电解液，这样，电源、砂轮、电极、砂轮和电极之间的电解 液形成一个完整的电化学系统。 采用 ELID 磨削时，对所用的砂轮、电源、电解液均有一些特殊要求。要求 砂轮的结合剂有良好的导电性和电解性、结合剂元素的氢氧化物或氧化物不导 电，且不溶于水， ELID 磨削使用的电源，可以采用电解加工的直流电源或采用 各种波形的脉冲电源或直流基量脉冲电源。在ELI

13、D 磨削过程中，电解液除作为 磨削液外，还起着降低磨削区温度和减少摩撩的作用，ELID 磨削一般采用水溶 性磨削液， 全属基结合剂砂轮的机械强度高，通过设定合适的电解量， 砂轮磨损 小。同时能得到高的形状精度。应用这个原理，能实现从平面到非球面，各种形 状的光学元件的超精密镜面磨削。 ELID 镜面磨削实验系统 在 RankPneumo公司的 ASG 2500T机床上，装上由砂轮、电源、电极、磨 削液等组成大森整ELID 系统毛坯粗成形加工时使用400#、半精加工时使用 1000#或 2000#、作镜面磨削时使用4000#(平均粒径约为 4m) 或 8000#(平均粒径 约为 2m) 的铸铁结

14、合剂金刚石砂轮，电解修锐电源(ELID 电源)，使用的是直流 高频脉冲电压式专用电源，工作电压为60V，电流为 lOA。所用的磨削液，使用 时要求用纯水将水溶性磨削液AFH M和 CEM 稀释 50 倍。 ELID 镜面磨削实验方法和实验结果 作非球面加工时，通过安装在工件轴上的碗形砂轮(325#铸铁结合剂金刚石 砂轮为 30W2mm) 进行平砂轮的只成形体整，作10min 的电解初期修锐之后， 经过 400#的粗磨和 1000#的半精加工，最后再用4000#进行 ELID 镜面磨削，在 超精密非球面加工机床上， 借助 ELID 磨削技术，成功地加工出了光学玻璃BK 7 非球面透镜。面型精度达

15、到优于0.2m，表面粗糙度达Ra20nm，而对于稍软如 LASFN30 和 Ge 等材料的非球面加工，同样能达到面型精度优于0.2-0.3 m，表 面粗糙度达 Ra30nm。 4非球面零件的超精密抛光(研磨)技术 超精密抛光是加工速度极慢的一种加工方法。不适合形状范成法加工， 近年 来，由于短波长光学元件、OA 仪器和 AV 机器等的飞速发展，对零件的表面粗 糙度提出了更高的要求， 到目前为止还没有比超精密抛光更好的实用的方法，尤 其当零件的表面粗糙度要求优于00l m 时，这种方法是不可缺少的， 对形状精 度要求很高的工件， 如果采用强制进给的方法进行切削或进行磨削时，其形状精 度将直接受到

16、机床进给定位精度的影响， 达到所在反应，并由此引起的加工作用， 在工件表面上存在同样微小凹的部分，在一般情况下， 只能获得波纹起伏较大的 表面。 日本大阪大学工学部森勇芷教授等人利用EEM 开发了一种三轴 (x、z、C) 数控光学表面范成装置， 利用该装置加工时， 一边在工件表面上控制聚胺脂球的 滞留时间，一边用聚胺脂球扫描加工对象的物全领域，利用该装置能加工高精度 的任意曲面。 5非球面零件等离子体的CVM(ChemicalVaporizationMachining) 技术 目前广泛采用的切削、 研磨、抛光等机械加工方法， 由于加工材料中存在微 细裂纹或结晶中的品格缺陷等原因，无论怎样提高加

17、工精度， 改进加工装置， 总 存在一定的局限性， 为此，日本大阪大学工学部森勇正教授提出了一种用化学气 体加工的新的加工工艺方法， 称为等离子 CVM 法， 这是一种利用原子化学反应， 获得超精密表面的一种技术。 其加工原理和等离子体刻蚀一样，在等离子体中， 被激活的游离基和工件表 面原于起反应， 将之变成挥发性分子， 并通过气体蒸发实现加工的，在高压力下 所产生的等离子体， 能够生成密度非常高的游离基， 所以这种加工方法能达到与 机械加工方法相匹敌的加工速度。在高压力下，由于气体分子的平均自由行程极 小，等离子体局限在电极附近。所以可以通过电极扫描，加工出O01m 精度 的任意形状的零件，另

18、外可以以50m min 的速度加工单晶硅平面，加工工件 的表面粗糙度可达0.1nm(Rrms)。 下个世纪，在硅芯片加工和半导体曝光装置用的非球面透镜加工等很多领域 中，将应用 CVM 技术，当前有人正在研究通过CVM 和 EEM 的组合，加工同 步加速器用的 X 射线反射镜等原子级平坦的任意曲面。 6非球面零件复制技术 用控制除去厚度的抛光 (研磨)方法能够制造出高精度的非球面零件，但和一 般的光学零件加工方法相比， 这种方法的加工效率很低， 解决这个问题的方法之 一有复制技术， 即塑料注射成形和玻璃的模压成形技术，这种技术能够制造一部 分非球面透镜。塑料透镜注射成形是将熔化的树脂注入模具内，一边施加压力， 一边冷却固化的加工方法， 这种方法能够进行廉价、 大批量生产， 但存在塑料自 身的某些问题，如温度变化、吸湿导致透镜折射率的变化。 玻璃的模压成形是代替切削、 磨削、研磨加工透镜、 棱镜的最佳的小型零件 大批量生产方法。模压成形技术是将模具内的温度控制在冲压的玻璃转移温度以 上 p 软化温度以下，在模具内，进入有流动性的玻璃，加压成形，并且保持这种 状态 20s 以上，直到成形了的玻璃温度分布均匀化，将模具的形状精度作到 01m ，表面粗糙度作到001m 以下，在上述条件下加压成形，能加工出和 模具精度相近的零件。