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1、实验二十五 放大镜的制作 第一章 光学零件制造工艺一般知识1.1 光学零件制造工艺的特点及一般过程制作光学零件的常见材料有三大类，即光学玻璃、光学晶体和光学塑料，其中以光学玻璃，特别是无色光学玻璃的使用量最大。虽然光学零件的加工按行业划分归入机械加工一类，但由于加工对象的材料性质和加工精度要求显著地不同于金属材料，因而加工工艺上也完全不同于金属工艺而具有特殊性。1.1.1 光学零件的加工精度及其表示光学零件属于高精度零件。平面零件的加工精度主要有角度和平面面形；球面零件的加工精度要求主要有曲率半径和球面面形。高精度棱镜的角误差要求达到秒级。高精度平面面形精度可达到几十分之一到几百分之一波长。平
2、面零件的平面性和球面零件的球面性统一称为面形要求。光学车间一般用干涉法计量，用样板叠合观察等厚干涉条纹（俗称看光圈）。表示面形误差的光圈数符号是N，不规则性（或称局部误差）符号是N。除面形精度外，光学零件表面还要有粗糙度要求。光学加工中各工序的表面粗糙度如表6-1所示。光学零件抛光表面粗糙度用微观不平十点高度表示为R2=0.025um，用轮廓算术平均偏差表示为R2=0.025um，用符号表示则为0.008，在此基础上，还有表面疵病要求，即对表面亮丝、擦痕、麻点的限制。1.1.2 光学零件加工的一般工艺过程及特点光学零件加工的工艺过程随加工方式不同而异。光学零件的加工方式主要有两类：传统（古典）
3、加工工艺和机械化加工工艺，这里我们只介绍传统加工工艺。传统工艺的特点主要有：（1）使用散粒磨料及通用机床，以轮廓成形法对光学玻璃进行研磨加工。操作中以松香柏油粘结胶为主进行粘结上盘。先用金刚砂对零件进行粗磨与精磨，然后使用松香柏油抛光模与抛光粉（主要是氧化铈）对零件进行抛光加工。影响工艺的因素多而易变，加工精度可变性也大，通常是几个波长数量级。高精度者可达几百分之一波长数量级。（2）手工操作量大，工序多，操作人员技术要求高。对机床精度，工夹磨具要求不那么苛刻，适于多品种，小批量、精度变化大的加工工艺采用。传统加工工艺过程，以一个透镜为例，先后依次经过以下一些工序：1、毛坯加工。包括按光学零件图
4、选择合适的块料，切割整平、划分、胶条、滚圆开球面。开球面是单件进行的。2、粗磨加工。使表面粗糙度及球面半径符合细磨要求。传统工艺中粗磨是单件进行的。一般采用传统工艺加工的工厂中，粗磨车间往往包括毛坯加工。3、上盘：粗磨之后，经清洗，将一个个透镜毛坯按同半径组合成盘。即依靠粘结胶把分散的透镜固定在球形粘结膜上，应注意的是成盘时要使每一个透镜毛坯的被加工面都处于同一半径的球面上。4、细磨抛光工序。在加工第一表面时，细磨到抛光过程中一般是不需拆盘的，即一次一盘完成。操作中，先使用粒度依次变细的三至四道金钢砂将被加工面研磨到抛光要求的表面粗糙度，然后清洗，进行抛光。抛光是用一定半径的抛光模加抛光粉进行
5、。一面加工完毕后，涂上保护膜，翻面再进行上盘。细磨抛光加工第二表面。5、定心磨边工序。透镜加工过程中会出现光轴和定位轴偏离（称为偏心）。定心磨边的任务是消除偏心，并使侧圆柱面径向尺寸达到装配要求。传统工艺的磨边常在光学定心磨边机上进行。6、镀膜工序，对表面有透光要求的透镜，要加镀增透膜。球面反射镜要镀反射膜。有的还要镀其它性质的薄膜，依使用要求由设计决定。7、胶合工序。对成象质量要求较高的镜头，往往采用几块透镜胶合而成。胶合应在镀膜以后进行。以上这些工艺过程可简略表示如下：选料切割整平胶条滚圆开球面粗磨球面上盘细磨抛光下盘；第二面上盘细磨抛光下盘定心磨边镀膜1.2 光学工艺安全操作知识光学加工
6、由于精度高，加工对象特殊，必须在专门的光学车间内进行。因此，除了遵守一般的机械加工规则外，还必须遵守光学加工所特有的安全操作要求。1.2.1 光学车间的特点在光学零件加工过程中，大多数工序对温度、湿度、尘埃、振动、光照等环境因素是敏感的，特别是高精度零件和特殊零件的加工尤其如此。因此，光学车间都是封闭形，并要求恒温、恒湿、限制空气流动、人工采光，防尘。1、温度对光学工艺的影响恒温是光学车间一个明显特点之一。这里包括恒温温度及波动范围两个问题。光学车间各工作场所由于要求不同，对恒温温度及其波动范围的要求是各不相同的。（1）温度对抛光效率与质量的影响由于抛光过程中存在的化学作用随温度升高而加剧，因
7、而升温会提高抛光效率。但由于古典工艺中采用的抛光模制模用胶、粘结胶等主要由松香和沥青按一定配比制成，一定的配比只在一定的温度下使用。而且它们对温度的变化较为敏感，温度过低，抛光模具与零件吻合性不好；温度过高，抛光模具抛光工作面变形。这两者将使加工零件的精度难以保证，具体表现在光圈难以控制和修改。实践得出：抛光间的温度一般应控制在222为宜。（2）检验对室温的要求温度的波动直接影响检验精度。一方面因为精密光学仪器对温度的波动很敏感；另一方面被检零件不恒温时，检具和零件间有温差会直接影响读数精度。所以，检验室必须恒温，并且也应控制在222范围内。2、湿度对光学工艺的影响在光学零件加工过程中，凡要求
8、恒温或空调的地方，均因控制湿度所需。因为，水份蒸发速度直接影响湿度恒定状态。湿度过低，易起灰尘，零件表表清擦时也易产生静电而吸附灰尘，影响其光洁度。特殊零件如晶体零件的加工以及光胶工艺等，对湿度的要求尤为严格。光学加工过程中室内温度一般应控制在60%左右。3、防尘由于光学零件对表面质量即表面光洁度和表面疵病有极高的要求，所以光学车间的防尘问题也特别突出。灰尘在抛光时会使零件表面产生道子、划痕、亮丝；在镀膜时，会使膜层出现针孔、斑点、灰雾；在刻划时会引起刻线位置误差、断线等。灰尘来源主要有：外间空气带入；由工作人员衣物上落下（粒径一般在l一5m左右，直径小于1m的灰尘，往往不能依靠自重降落，而长
9、时间悬浮于空气中，影响产品质量）；不洁净的材料、辅料、工夹具等带入；生产过程中产生的灰尘（光学车间的净化条件，若按室内含尘的重量浓度要求，应控制在毫克米3的数量级。胶合室的要求更严,一般以颗粒浓度作为要求，达到粒数升的数量级）。1.2.2 光学生产安全操作规则由于光学车间的特殊性和光学零件加工的高精度要求，学生进入光学车间实习时，必须遵守以下安全技术及操作规则： 1、进入光学车间，特别是进入细磨、抛光、检验、磨边、胶合、镀膜、刻划等工作间时，应穿白色工作服，戴工作帽，穿专用鞋子或干净拖鞋，以防止将室外灰尘带入光学车间；2、在操作过程中禁止用手指直接触摸光学表面，需要拿起光学零件时，手指也只能接
10、触光学零件的侧面或非工作面。因为手指上留有汗渍、各种有机酸、盐类等对光学表面有害物质，它们往往会使光学零件表面受到侵蚀。如果不小心触摸后，必须立即用脱脂纱布或脱脂棉花蘸上酒精、乙醚混合液擦拭干净； 3、为保持光学车间的恒温条件，不能在一个工作场所聚集过量人员，致使周围气温上升。门窗也不能随意打开；4、开机前，须先检查机床设备、工夹具是否完好。发现电机有异常现象或其它机械毛病时，应立即拉开电闸或停机检查。安装、拆卸零件和夹具时，机床主轴必须完全停止转动；5、为了清洗光学零件和其它工作需要，光学车间常常使用或临时存放多种易燃物质，如溶剂汽油、无水酒精、乙醚等。因此光学车间必须严格注意防火，加热设备
11、必须远离上述物质。为了防火，同时也为了空气卫生，光学车间内严格禁止吸烟；6、在加工过程中，粗砂禁止带入细砂，细砂禁止带入抛光区，因此在换砂以后，在磨砂完毕进入抛光前，必须对工件、工夹具、工作台等进行彻底清洗，以防砂子带入使工件表面出划痕、亮丝，破坏光洁度； 7、在上盘、下盘，或其它需要加热光学零件情况时，不可使零件急热急冷。加热时应注意零件升高的温度必须控制在材料的退火温度以下。由于电炉表面温度已接近或超过许多材料的退火温度，所以不能将光学零件直接放置在电炉盘上加热，必须垫上衬垫；8、在未了解实习所用机床及仪器设备的操作规范前，不允许擅自开动机床，试看试用有关的仪器设备。也不允许操作不在实习范
12、围内的仪器与设备，以免造成损坏和人身不安全事故。1.3 光学零件和光学零件图光学零件是光学制造最后完成的目标，光学零件图是加工和检验的依据，所以在加工之前必须熟悉光学零件图及相应的技术指标、符号、尺寸等的含义。1.3.1光学零件及有关术语、符号 光学工艺使用的图纸，通常有光学零件图、胶合部件图、工序图(毛坯图、粗磨图、抛光图等)其中光学零件图规定了加工时所必须的全部资料，包括外形尺寸，材料、技术要求及其它需说明的各项内容如图(111)、图(112)、图(113)所示。其它工艺图纸均按光学零件图画出，标注各工序完工后的尺寸和检验要求。绘制光学零件工艺图样的一般原则是：光学零件的光轴用点划线表示，
13、一般水平放置，光线方向应自左向右，零件一般对称于光轴放置，圆零件只画出沿光轴剖开的剖面图。图纸左上角的表格依次列出对玻璃的要求和对零件的加工要求，包括面形精度，表面质量等零件的外形尺寸，有关技术要求在图上注明或在图纸下方用文字或符号注明。常用符号、术语说明如下：N 光圈数符号。表示被检的零件表面和样板标准表面曲率半径偏差时产生的干涉条纹数(通称光圈)数目；N 光圈局部误差符号，表示表面形状的局部误差；R 样板精度等级符号即样板曲率半径实际值对名义值的偏差量符号；B(P) 光学零件表面疵病符号，也称为光洁度。光学零件工作表面的粗糙度一般都要求达到R1=0025m，旧标准为V14。在此基础上还需限
14、制表面上存在的亮丝、擦痕、麻点，应与机械加工中的光洁度概念区分开。C(X) 透镜偏心差符号，亦称透镜的中心偏差符号。用透镜表面的球心对透镜定位轴的偏离量表示； 尖塔差符号。表示反射棱镜的棱向误差； 平行差符号。玻璃平板两表面间的不平行度；S 屋脊棱镜双角差符号。屋脊棱镜屋脊角有偏差时造成的双象差的程度；d 透镜中心厚度； 透镜的口径；镀膜符号：为增透膜， 为增反镜；nd 玻璃材料折射率允许误差，包括对标准值的允差和同一批玻璃中的一致性允差。(nFnC) 色散允差，与nd一样同样包括二项： 光学均匀性：玻璃内因折射率渐变造成的不均匀程度，影响零件的鉴别率，以鉴别率表示；双折射：玻璃存在应力时呈现
15、各向异性，产生双折射现象，以双折射光程差表示；纹：玻璃中的化学不均匀区，因折射率不同于主体而出现丝状或层状的疵病，块料玻璃有从三个方向检查的，也有二个或者一个方向检验的；气泡：玻璃体内残留气泡程度，有大小与个数两项指标。 1.4 光学零件的加工余量1.4.1 加工余量的基本概念 在光学零件加工过程中，为了从玻璃毛坯获得所需要零件的形状、尺寸，表面必须预留一定量的玻璃层，这一定量的玻璃层就称为加工余量。加工余量的正确给出是十分重要的，如果给出的余量小，则加工不出符合技术要求的零件；如果余量太大，又会造成材料与工时的浪费。 根据光学零件加工工序，零件的加工余量分为：锯切余量、整平余量、滚圆余量、粗磨余量、细磨及抛光余量、定中心磨边余量；在每一工序之后给下一道工序留下的余量称为中间工序的余量；由加工中各个中间工序的余量所组成的余量总和称为总加工余量；鉴于各工序的加工特点不同，需要很好地研究如何合理地规定各道工序的加工余量。1.4.2 确定加工余量的原则光学零件的绝大部分余量都是借助于散粒磨料或固着磨料磨除去的。在研磨过程中，磨料对玻璃表面施加压力，形成一定的破坏层，往后的细磨、抛光等各道工序就是要除去这一破坏层，使玻璃表面形成符合要求的光学表面。因此，确定加工余量的原则应该是每道工序
