非球面零件的加工

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1、目 录一、引言二、非球面的介绍（一）非球面机床的开发背景（二）非球面与球面的区别（三）非球面的种类（四）非球面的优点（五）非球面的应用领域三、非球面光学零件加工方法四、非球面光学零件加工技术（一)计算机数控单点金刚石技术(SPDT)（二)超精密磨削技术（三)计算机控制光学表面成形(ccos)技术（四)光学玻璃模压成型技术（五)光学塑料成型技术（六)其他非球面加工技术五、超精密非球面机床Nanosystem 300介绍（一）机械系统（二）NC装置及测量光栅系统（三）伺服系统（四）ELID镜面磨削系统（五）环境装置六、非球面形状的测量方法七、非球面零件加工研究方向及发展趋势摘要：文章较系统的介绍了

2、非球面零件超精密加工各方面的技术，继而介绍了非球面光学零件加工的各种技术、方法，例如单点金刚石车削技术、光学塑料成型技术、光学玻璃模压技术、ELID磨削技术等，并结合正研制的Nanosystem 300非球面复合加工系统.展望了非球面加工的研究方向和生产趋势。关键词：非球面；光学零件：非球面；ELID 磨削;复合加工1 引言近年来，随着光电子学的发展，光学零件在 军用和民用产品上的应用也越来越普及，如在电视摄像管、卫星红外望远镜、录像机镜头 、激光视盘装置、光纤通信的接头、医 疗仪器等中都有广泛的应用。但是 这些高精度 设备的关键部件大都是由数枚球面透镜组合而成的，由于球面透镜在原理上存在像差

3、，为消除像差，需要增加透镜的片数，同时还要加上材料、加工和多层镀膜等技 术来实现高性能的光学系统。同时又把轻量化和自动化作为追求的目标，高精度的非球面透镜就成了最佳的选择。2 非球面的介绍（1） 非球面机床的开发背景使用非球面透镜不但使光学设备的结构大为简化，而且能大大提高其光学性能。1982 年，Moore Special Tool 公司采用超精密CNC车床(M18AG)，制造出非球面模具，通过注射模型成形法，开辟出大量生 产塑料非球面透镜之路，使 应用廉价的非球面透镜变成可能。图1 显示了应用球面和非球面透镜的新旧光学系统。图 1 新旧电视摄像管的比较由于应用注射模型成形法的模具形状会复映

4、给坯料，所以模具的精度则直接左右着透镜的性能。为了实现 0.1m这样的零件精度，必须加工出优于0.1m精度的非球面模具，所以更高分辨率、更高精度的机床是必需的。我国于八十年代开始研制超精密加工设备，如超精密车床、超精密 镗床、超精密研磨机、超精密大型平磨等，在此技术储备基础上，开始研制非球面零件超精密复合加工设备Nanisys-tem300，该设备 可对非球面零件进行车、磨复合加工，直至达到所需零件精度。（2）非球面与球面的区别所谓球面和非球面。主要是针对各种光学仪器的镜头或者眼镜的镜片几何形状而言，即球面镜片与非球面 镜片。球面是一种旋 转 曲面，球面上每一点的曲率半径是相同的，球面镜片，其

5、镜片呈球面的弧度，其横切面亦呈弧状。当不同波长的光线，以平行于光轴的方向入射到镜片上不同的位置时，通过球面镜片的折射作用，在菲林平面(与 镜片中心和镜片焦点联机相垂直的、通过焦点的平面)上不能聚焦成一点，而形成像差的问题，影响影像的质素，例如出现清晰度下降和变形等现象。一般普通镜头基本上都是采用球面镜片组成的。而非球面可以说就是没有一定曲率半径的曲面。非球面镜片，其镜片并非呈球面的弧度，而是 镜片边缘部份被“削去”少许，其横切面呈平面状。当光线入射到非球面镜面时，光线能够聚焦于一点，亦即菲林平面上，以消除各种像差。例如耀光现象，在球面镜作用下，使用大光圈会比细光圈下拍摄来得严重，但若然加入非球

6、面镜便可将耀光情况大大降低；又例如影像呈现变形( 枕状或桶状)，是因为镜头内的光线没有适当折射而产生，以变焦镜为例，短焦距时通常是桶状 变形，而 变焦至长焦距 时则为枕状变形，若采用非球面镜，则 可以改善这方面的像差。如图2显示。图 2 球面与非球面的区别（3）非球面的种类非球面主要应用于光学零件，非球面光学曲面包括有回转轴的回转非球面，如抛物面、椭球面、渐开面、双曲面 等二次曲面以及高次曲面，和没有任何 对称轴的非回转非球面，如离轴非球面 以及自由光学曲面。（4）非球面的优点非球面技术应用于光学零件，相对于球面而言，具有许多优点，它可以消除球面镜片在光传递过程中产生的球差、彗差、像散、场曲及

7、畸变等诸多不利因素 ，减少光能损失，从而获得高质 量的图象效果和高品质的光学特征。一般来说，在光学仪器上，一块非球面透镜的作用相当于三块球面镜，因此，光学 仪器设备采用非球面镜片具有重量轻、透光性能好、成本低、且使光学系统设计更具灵活性的优点（5）非球面的应用领域非球面曲面光学零件因其优良的光学性能而日益成为一类非常重要的光学零件，可广泛应用于各种现代光 电子产品，几乎在所有的工程应用领域中，无 论是现代国防科技技术领域，还是普通的工业领域都有着广泛的应用前景。军用方面，西方国家在70年代以后研制和生产的军用光电系统，如军用激光装置、热成像装置、微光夜视头盔、红外扫描装置、导弹引导头和各种变

8、焦镜头，均已在不同程度上采用了非球面光学零件。在一般民用光电系统方面，自由非球面零件可以大量地应用到各种光电成像系统中，如 飞机中提供飞行信息的显示系统；摄像机的取景器、变焦镜头；红外广角地平仪中的锗透镜；录像、录音用显微物镜读出头；医疗诊断用的间接眼底镜，内窥镜，渐进镜片等，以及数 码相机、 VCD、DVD、电脑、CCD 摄像镜头，大屏幕投影电视机等图 像处理产品。如今，非球面光学零件在机载设备卫星惯性制导及惯性导航系统激光制导系统红外探测系统等国防科技工业领域以及民用光电产品方面都有着越来越广泛越来越重要的应用。3 非球面光学零件加工方法非球面透镜、非球面透镜的模具、自由曲面透镜和其模具的

9、加工，因工件的形状和被加工的材料的不同，如图2所示，其刀具和加工方法也不同。在 1、2、3.、4、的加工方法中，通过对工件轴 附加NC 控制，使得能进行非轴对称形状的加工。另外1的加工方法，通过对刀具附加超声波椭圆振动， 则可以用单晶金刚石刀头进行高刚性钢的超精密切削。无论是哪一种加工方法，都因为存在加工误差，如加工点和坐标系统的误差、机床的运动误差、刀头的形状 误差、砂 轮直径的测量 误差、加工力及 热变形误差等，所以加工的形状都与计算的形状有很大的不同。测量结果中都会包含这些加工误差，只有利用修正这些误差的 补偿程序进行数次反复补偿加工，才可以接近目标精度。为了每当进行补偿加工 时，就能使

10、精度提高，必 须使刀具和加工机床非常稳定。图3 非球面形状的加工方法4 非球面光学零件加工技术国外从上世纪60年代就开始了对非球面加工技术的研究，20世纪80年代以来出现了许多新的非球面超精密加工技术，它们主要是：计算机数控单点金刚石车削技术(SPDT)、计算机数控超精密磨削及抛光技术以及光学塑料成型技术等。这些加工方法基本解决了各类非球面零件的加工问题，加工零件精度和效率高，适于批量生产非球面曲面加工。根据工件材料形状精度和口径等因素的不同，加工非球面零件采用的加工方法也不同。对于铜、 铝等软质材料可采用单点金刚石切削(SPDT)进行超精密加工，对于玻璃陶瓷等硬脆材料则主要是通过超精密磨削、

11、研磨和抛光进行加工，也可以采用玻璃模压成型法，而 对于光学树脂材料则采用光学塑料成型技术，如注射成型技术等。下面简单介绍一下目前非球面加工的各项主要技术：（1）计算机数控单点金刚石技术(SPDT)计算机数控单点金刚石技术(SPDT)是美国国防科研机构于20世纪60年代率先开发、80 年代得以推广应用的一项非球面光学零件加工技术，它是在超精密数控车床上，采用天然单晶金刚石刀具，在对机床和加工环 境进行精确控制条件下，直接利用天然金刚石刀具单点车削加工出符合光学质量要求的非球面光学零件，该技术主要用于加工中小尺寸、中等批量的红外晶体和软金属材料的光学零件，其特点是生产效率高、加工硬度较 低、重复性

12、好、适合批量生 产、加工成本比传统的加工技术明显降低。采用该项金 刚石车削技术加工出来的直径120mm以下的光学零件，面形精度达1211，表面粗糙度值为0.020.06mm目前采用单点金刚石技术可以加工的材料有：有色金属、锗、塑料、红外光学晶体、无电镍等。上述材料均可直接达到光学表面质量要求。此技术还可用来加工玻璃、钛、 钨等材料，但是目前还不能直接达到光学表面质量要求，还要进一步研磨抛光。该技术与粒子束抛光技术相结合，可以加工高精度非球面光学零件；与镀硬钛膜工艺和环氧树脂技术相结合，可以生产高精度非球面光学零件，且价格相对低廉。单点金刚石车削光学零件技术经济效果非常明显，例如加工一个直径10

13、0mm的9O。离 轴抛物面镜，若用传统的研磨研磨抛光工 艺方法加工，面形精度最高达到3mm，加工时间需要l2个月，加工成本为5万美元，而采用金刚石单点车削技术，3个星期即可完成，成本仅 0.4美元，面形精度高达 0.5m。（2）超精密磨削技术对于玻璃、陶瓷等硬材料来说，若采用 车削方式加工非球面光学零件，其面形精度及表面粗糙度很难达到光学零件的要求，必须通过磨削或抛光进一步提高其表面精度。在磨削加工中，为了使加工表面不产生脆性断裂现象，使材料以 “塑性”流动方式去除，必须保证未变形切削厚度小于脆性塑性(或称延性)转换临界值。该临界值因材料而异，大约为0.1m。能 满足这种磨削条件的方式称为延性

14、磨削方式 。延性磨削方式要求超精密磨床具有优于0.1m的运动精度和足够的动刚度，要求微细磨粒砂轮能在磨削过程中保持足够锋利。1987年日本理化学研究所的大森整教授提出的在线电解砂轮修整(electrolytic in process dressing，ELID)方法，可以用于超精密延性磨削。ELID方法采用具有良好导电性和电解性的金属结合剂制成超微细粒度超硬磨料砂轮。砂轮在工作中接正电极，安装在机床上的修整 电极为负电极，通 过砂 轮与电机之间浇注的电解液进行电化学作用，在线修整砂 轮，使砂 轮保持锋利。日本理化学研究所将ELID磨削技术应用于ASG-2500超精密数控车床，成功地加工出了光学

15、玻璃和碳化硅陶瓷等材料的高精度非球曲面，大森整使用ELID方法加工光学玻璃非球面透 镜，面形精度达到0.2m ，表面粗糙度R 达20nm。ELID精密磨削技术的先进 性和特点：在线电解修整 ELID(Electrolytic Inprocess Dressing)金属基超硬磨料超微细粒度砂轮的超精密镜面磨削技术，利用在线电解的微量修整作用，使得微米级、 亚微米级甚至 纳米级超微细粒度砂轮在磨削过程中始终保持良好的切削性，充分发挥了超微粒度砂轮稳定的微量切削作用，实现了工程陶瓷、光学玻璃、硬质合金、单晶硅、 铁氧体、模具钢等诸多难加工材料的高效超精密镜面磨削，表面粗糙度可达Ral5纳米。该技术具

16、有效率高、精度高、表面质量好、加工装置简单 及加工材料适应性广等特点，实现了以磨代研、代抛的工艺革命，被国际上最权威的制造技术组织CIRP 评价为“2l世纪的超精密加工技术”。图4 ELID磨削原理不意图（3）计算机控制光学表面成形(ccos)技术美国Itek公司的wJRupp于20世纪70年代初首次提出 计算机控制非球面加工技术计算机控制光学表面成形技术(ccos )思想，从而开创了非球面元件的数控制造的新纪元。计算机控制光学表面成形(computer optical surfa cing，CCOS)技术即用计算机控制的方法，使得在单位时间 内，加工面上某一点的材料去除量正比于磨盘压强及磨盘与加工点之间的相对速度。这种加工方法的实现难度很大。（4）光学玻璃模压成型技术光学玻璃模压成型技术是一种高精度光学元件加工技术，它是把软化的玻璃放入高精度的模具中，在加温加压和无氧的条件下，一次性直接模压成型出达到使用要求的光学零件。这项技术 自20世纪8O年代