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1、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、
2、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： p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。 p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： p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400700再模压成形。 p塑化镜头：是利用镀镍硬质钢模具将非球面注射 成形。 p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。 p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
3、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。 l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 u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Rank Pneumo公司生产的 Nanoform300、
4、Nanoform250、 CUPE研制的 Nanocentre、日本的 AHN603D、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。 u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
5、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Union Carbide 1972年 R-非球面机床 摩尔公司 1980 M18AG非球面加工机床 英国Rank Pneumo 1980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 ，ULGl00A(H)不二越公司的 ASPL15、丰田工机的 AHN10、 AHN3025、 AHN603D非球面加
6、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。 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 砂轮单个磨粒的最大切削深度： 单个磨粒的最大切削深度 工件的进给速度 砂轮速度 砂轮动态有效磨刃数 砂轮直径 磨削常数 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20m（或平均磨粒尺寸的最大值不超过 25m）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
7、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 ： u微细磨粒砂轮的高精密“修整”和“修锐”，以保证砂轮足 够锋利； u高动态刚度的主轴，主轴的运动误差（径向和轴向）必须小 于0.1m； u高动态刚度的导轨，运动误差（线性和回转）必须小于 0.1m； u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 Rank Pneumo Nanoform250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 “0AGM2
8、500” 日本丰田工机研制的 AHN603D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 In Process Dressing(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
9、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。 ELID镜面磨削实验系统 在 Rank Pneumo公司的 ASG
10、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 AFHM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R成形修整，约10
11、min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 BK7非球面透镜。面型精度达到优 于 o2m，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 O2O3m，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 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。
12、 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、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。 光学非球面曲面的EEM(Elastic Emission Machining) 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，
13、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。 非球面零件的等离子体CVM（Chemical Vaporization Machining） 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
14、体局限在电极附近。所以可以通过电极扫描，加工出 O 01m精度的任意形状的零件，另外可以以50mmin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
15、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01 m，表面粗 糙度做到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。 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 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
16、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。 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。 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
