第8章 光学非球面零件的超精密加工

第8章光学非球面零件的超精密加工技术与设备8.1.1光学非球面零件的性能特点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。8.1概述8.1.2光学非球面零件的制作工艺按特点分：模具成形法：是在非球面模具上用可塑化材料注射或模压，形成有非球面的光学部件；适应大批量生产，但很难保证非球面形状的高精度。切除加工：是利用切削、磨削和抛光将工件直接加工成非球面。按制作工艺分：玻璃镜头：在耐热非球面模具中将玻璃材料加温到软化温度400～700℃再模压成形。塑化镜头：是利用镀镍硬质钢模具将非球面注射成形。微型镜头：是在超精密机床上将树脂材料直接加工成形后再抛光，或者在球面模具中注射树脂再加热硬化。复合镜头：是在非球面模具与球面镜头之间注入紫外线树脂，然后用紫外线照射使其硬化成形。8.1.3非球面的切除加工方法无论是注射成形/模压成形所需的模具还是高精度光学非球面部件，都必须采用切削、磨削和抛光直接进行切除加工。切削加工主要采用单晶金刚石刀具磨削加工主要采用金刚石砂轮抛光主要采用游离磨料。近年来，进行直接切削或磨削可达到最终的形状精度和表面粗糙度。（1）单点金刚石切削（2）弧形金刚石砂轮磨削加工8.2非球面零件超精密加工技术国外非球面零件的超精密加工技术的现状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。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。“Nanosys-300”非球面曲面超精密复合加工系统8.2.1非球面零件超精密切削加工技术美国UnionCarbide1972年R-θ非球面机床摩尔公司1980M―18AG非球面加工机床英国RankPneumo1980年MSG-325,随后ASG2500、ASG2500T、Nanoform300；1990年开发出Nanoform600美国LODTM，(LLNL)实验室于1984年研制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日本，ULG―l00A(H)不二越公司的ASP―L15、丰田工机的AHN10、AHN30×25、AHN60―3D非球面加工机床等硬脆材料的塑性域超精密磨削加工实现塑性域超精密磨削加工的条件是：砂轮单个磨粒的最大切削深度小于脆性材料的临界切削厚度。HKHEacc2115.0压痕的临界深度：E-弹性模量H-显微硬度K1c－断裂韧性8.2.2非球面零件超精密磨削加工技术2/10max/4daCNvvapdswg砂轮单个磨粒的最大切削深度：wvmaxga单个磨粒的最大切削深度工件的进给速度pa砂轮速度dN砂轮动态有效磨刃数0d砂轮直径C磨削常数cgaamax微晶玻璃、单晶硅等脆性材料才能进行塑性域的超精密磨削加工在考虑其他磨削条件下，只有采用平均磨粒尺寸低于20μm（或平均磨粒尺寸的最大值不超过25μm）的金刚石砂轮才能获得塑性域的超精密磨削加工，从而消除表面的裂纹缺陷。要实现塑性域的超精密磨削加工，必须保证机床系统精度和工具与工件之间高的动态精度，具体条件为：微细磨粒砂轮的高精密“修整”和“修锐”，以保证砂轮足够锋利；高动态刚度的主轴，主轴的运动误差（径向和轴向）必须小于0.1μm；高动态刚度的导轨，运动误差（线性和回转）必须小于0.1μm；光滑、无噪声、高刚度伺服驱动控制成形切削运动。非球面零件超精磨削设备英国RankPneumoNanoform250超精密加工系统CUPE生产的Nanocentre非球面光学零件加工机床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”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8.2.3光学非球面零件的ELID镜面磨削技术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。①ELID镜面磨削原理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。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ELID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。②ELID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4μm)或8000#(平均粒径约为2μm)的铸铁结合剂金刚石砂轮，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。③ELID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φ30×W2mm)进行平砂轮的R成形修整，约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。面型精度达到优于o．2μm，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，同样能达到面形精度优于O．2～O．3μm，表面粗糙度达Ra30nm的良好镜面。8.2.4非球面零件的超精密抛光(研磨)技术①非球面零件超精密机械抛光技术日本CANON公司研制出光学非球面元件超光滑抛光装置，交替反复地对工件形状进行测量和进行修正抛光，达到工件的设计精度要求。采用的修正抛光法一边改变抛光头在工件表面上的滞留时间，一边进行扫描的修整抛光法。抛光头必须能够实现在任意方向上对工件表面进行加工，因而定位机构需要有六个自由度，即工作台的X、Z、θ和3个直线机构构成的摆动臂运动。用计算机实时计算控制滞留时间和扫描速度，同时控制抛光头的位置。②光学非球面曲面的EEM(ElasticEmissionMachining)以弹性流体润滑流态使均匀悬浮于水中的微粒子加速作用于被加工表面，借粒子与加工表面之间的相互作用，来进行原子级加工余量的去除。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。③非球面零件的等离子体CVM（ChemicalVaporizationMachining）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子起反应，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当的加工速度。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O．01μm精度的任意形状的零件，另外可以以50μm／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。8.2.5非球面零件复制技术复制技术，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，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。将模具的形状精度做到0．1μm，表面粗糙度做到0．01μm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。8.3光学非球面零件的检测技术8.3.1光学非球面零件的形状精度8.3.2非球面的非接触测试仪①非接触光干涉三维形状测试仪采用白色光源在半反射镜上分叉到测试表面和参照镜，再反射回来结合于半反射镜，当光路差相等时发生干涉。白色光的干涉性较小，能够在很小的范围内产生干涉条纹，因此，通过采集的光的干涉强度驱动干涉计的垂直光轴方向，使之能够调节到干涉条纹的零位置。利用此原理，垂直移动参照镜观察测试面上的CCD各点的干涉条纹，确定其等光路位置，然后在水平方向的测试面上进行一定速度的扫描，最终检测出非球面的高度数据。②非接触激光三维形状测试仪激光通过显微镜镜筒，从物镜的一端开始向光轴中心聚焦，再由工件反射后经物镜返回，在聚焦AF感应器聚焦成像。然后，通过移动物镜，使激光点最小且达到光轴心确定垂直方向的位置。此时，将聚焦点的XYZ坐标以线性形式输入到计算机中，获取非球面表面的三维形状数据。测试精度直接取决于工作台面向工件聚焦的移动精度。③原子力探针测试仪利用探针与物体的原子间范德瓦尔斯吸引力和静电力的作用接近测试表面，从而确定非球面表面的三维形状。8.4大型非球面镜的研抛加工8.4.1计算机控制光学表面成形技术计算机控制光学表面成形技术CCOS（ComputerControlledOpticalSurfacing）,又称计算机控制小工具抛光技术，在大口径、高精度非球面的加工中地位重要。①CCOS的形成原理以下列二次回转曲面加工为例2202)1(2xexry)(8223022yhryet234096eDA最接近球面的曲率半径和非球面表面各点的非球面度t非球面与最接近球面的最大偏离量实际加工中，首先用研磨的方法得到最接近球面，然后根据最大偏离量确定在哪个工序将这个最接近球面修改成需要的非球面；如果最大偏离量只有几微米，可以在最接近球面抛光结束后进行修抛；最大偏离量在几十到几百微米时，可在细磨时进行；最大偏离量达到几毫米，需