光学玻璃粗磨精磨抛光培训教材

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1、光学 加工v第2章粗磨 精磨 抛光讲授：郎贤礼 单位：仪器科学与光电工程学院(HFUT)LOGO仪器科学与光电工程学院2009v2.3 抛光概述 光学零件的抛光是获得光学表面的最主要工序。其目 的：一是去除精磨的破坏层，达到规定的表面质量要 求；二是精修页型，达到图纸要求的光圈和局部光圈 ，最后形成透明规则的表面 抛光的过程十分复杂。并且对抛光机理未形成普遍的 理论。 抛光机转速、压力、抛光模和抛光剂质量等都对抛光 效率和零件有重要的影响。2LOGO仪器科学与光电工程学院2009v2.3.1抛光机理 概述 迄今为止，对抛光的本质仍然没一个统一的看法。但 大致可以归纳为三种理论：机械磨削理论、化

2、学作用 理论和热的表面流动理论。 抛光机转速、压力、抛光模和抛光剂质量等都对抛光 效率和零件有重要的影响。 关于抛光的本质的三种基本假说，概述如下： 一.机械磨削理论 机械磨削理论认为：抛光是研磨的继续，其本质与研 磨是相同的，都是尖硬的磨料颗粒对玻璃表面进行微 小切削作用的结果。由于抛光是用较细颗粒的抛光剂 ，所以微小的切削作用可以在分子大小范围内进行3LOGO仪器科学与光电工程学院2009v一.机械磨削理论理 其主要实验依据如下： (一)抛光后的零件质量明显减轻 零件抛光后质量明显减轻。通过实验测得，被抛掉的玻璃颗 粒尺寸平均为112nm。 (二)抛光表面有起伏层和机械划痕 用氧化铈抛光时

3、，零件表面凸凹层厚度为3090nm；用氧 化铁抛光，凸凹层要2090nm .用电子显微镜观察玻璃表面 发现：每平方厘米的抛光表面有3万至7万条深为0.008- 0.070微米的微痕，约占抛光总面积的1020。综上说 明，抛光是机械作用的过程。 (三)抛光剂的粒度和硬度对抛光效率的影响 抛光剂直接作用于玻璃表面，其粒度和硬度对机械磨削作用 都有重要影响 实验表明4LOGO仪器科学与光电工程学院2009v一.机械磨削理论 光粉粒度直径在一定范围内，粒度愈大，抛光速率愈高抛光 速率与颗粒大小成正比。抛光剂硬度愈高，抛光速率愈高， 如目前广泛使用的氧化铈抛光粉(Ce0。)比氧化铁 (红粉)的硬度高，所

4、以前者比后者的抛光速率高23倍。 (四)抛光速率与压力、速度成线性关系 在抛光过程中，压力和相对速度在一定限度内，抛光速率 与压力、速度近似成线性关系。因此，通过增加压力和转速 可以显著提高抛光速率，高速抛光就是依此发展而来。 5LOGO仪器科学与光电工程学院2009v一.机械磨削理论 (五)磨料也能用作抛光剂 磨料很细而且加工压力很小时，也能作为抛光剂。如碳化 硼(B4C)和刚玉(Al2O3)，本属磨料，但其粒度直径为0.5m 左右时，也能用于玻璃抛光。 综上可以说明，抛光过程机械磨削作用是基本的。但 抛光的本质并不仅仅是微小切削作用，其理由是： (1)如果抛光仅仅是机械磨削过程，那么，抛光

5、速率应 与玻璃硬度有关，愈软的玻璃，抛光愈快，反之亦然 。可是，这个结论不适用于硅酸盐玻璃ZK9和所有硼酸 盐玻璃(仅研究18种玻璃)。 (2)机械磨削理论，尽管得到普遍承认，但它不能解释 各种化学因素对抛光速率所声生的重要影响6LOGO仪器科学与光电工程学院2009v二.化学作用理论二、化学作用理论 化学说认为：抛光过程是在玻璃表层、抛光剂、抛光模和水的作 用下发生错综复杂的化学过程，主要是玻璃表面发生的水解过 程。 纯粹的化学理论，力图把抛光过程都归结于化学作用，这当然是 不全面的，但水解作用确实存在于抛光过程的始终，并起重要作 用。 (一)抛光介质水对玻璃的侵蚀作用 1玻璃的亲水性 光学

6、玻璃的表面结构和内部结构并不相同。 表面结构往往处于不稳定状态，这是由于表面上每个金属阳离子 所需要的氧离子数得不到满足，就出现不平衡，产生表面力。这 个力决定了玻璃表面的张力和吸湿性，而最普遍最容易吸引的便 是水。实验表明，水分子与玻璃表面的亲和力是相当大的，要从 玻璃表面消除水迹，需要800C的高温。因此，处于室温下的玻 璃表面，很容易吸附空气中的水分。况且，光学零件在加工过程 中，时刻在与水接触，这更加剧了水对玻璃的侵蚀作用水解 作用。 7LOGO仪器科学与光电工程学院2009v二.化学作用理论 (一)抛光介质水对玻璃的侵蚀作用 2玻璃的水解反应 许多学者在研究水对玻璃的侵蚀作用时 ，基

7、本观点是一致的，认为水与玻璃表面的硅酸盐产生水解反 应，结果玻璃表面的碱金属或碱土金属溶解出来，生成氢氧化 物，使溶液成碱性。同时玻璃表面形成硅酸凝胶层，从而减缓 了水的侵蚀作用。但由于硅胶层往往是多孔的或因龟裂而产生 裂纹，于是在水溶液中OH-就会进一步侵蚀玻璃的网络内体。 硅酸凝胶层，在正常情况下，硅酸凝胶层能保护玻璃表面，大 大减缓侵蚀速度。但在抛光粉的作用下，胶层不断被刮去，露 出新的表面又被水解如此往复循环，构成抛光过程。因此，水 解作用是非常重要的。如果用其他介质代替水时，抛光速度显 著下降，这是由于这些介质不能进行水解反应。此外，水能使 抛光粉均匀分布在抛光膜的工作表面上，同时水

8、还有良好的冷 却和洗涤作用8LOGO仪器科学与光电工程学院2009v二.化学作用理论 (二)光学玻璃化学稳定性与抛光速度的关系 实验表明：玻璃的抛光速度与玻璃的硬度和软化点无 关，而与化学稳定性有关。如图6-2所示。 由此可以得出结论：玻璃是否容易抛光取决于表面水 解后形成的腐蚀层，抛光速度则取决于破坏腐蚀层的 难易程度。 一般来说，抛光困难的玻璃，不易出现表面疵病；反 之，容易抛光的玻璃，也容易出现疵病球面铣削加工原理图6-19LOGO仪器科学与光电工程学院2009v二.化学作用理论 (三)抛光液pH值的影响 实验表明：大多数光学玻璃是不耐碱的，至于耐酸的程度，则 视光学玻璃的牌号不同而异。

9、因此，光学加工中，大多数光学 玻璃，在弱酸性抛光液中抛光(pH=5.5-7)，具有较高的速率和 表面质量。 (四)添加剂对抛光过程的影响 在抛光液中加入少量的其他物质，以达到提高速率和改善 表面质量的目的，这种物质称为抛光液的添加剂。 (五)抛光剂的作用 抛光剂两种作用：其一是以抛光剂颗粒的坚硬特性，在模具和 机床的作用下，对玻璃表面的硅胶层进行微小的切削玻璃被去 除，并使玻璃露出新表面，进而得以水解；其二是以抛光剂颗 粒表面的吸附特征，使硅胶层以分子级程度被抛光剂吸附而剥 落。这两种作用在抛光剂使用寿命内，自始至终都存在。前者 作用与抛光剂的粒度、硬度和形状有关；后者与抛光剂的化学 活性有关

10、，而化学活性与抛光剂颗粒的有效表面积有关。有效 表面积是指单位质量的抛光剂所具有的外表面积总和。10LOGO仪器科学与光电工程学院2009v二.化学作用理论 (六)抛光模的作用 光学零件的抛光，是在抛光机上，由模具对工件施加 压力，使其与工件紧密接触，在抛光剂作用下，通过 两者(模具和工件)的相对运动而达到抛光的。由此看 来，抛光模层不仅起着承载抛光粉的作用，同时也起 一定的化学作用，能与玻璃的阳离子发生交换反应 使玻璃表面以微量的分子形式进行剥落。 实验表明，使用柏油或毛毡抛光模抛光，不用抛光剂 ，只用清水也能抛光。由于毛毡抛光盘比柏油抛光模 层有较多的活基性，所以它的抛光速率比柏油的高，

11、这正是毛毡至今仍被国内外用于抛光的原因。用棉花 植物纤维则不能进行抛光，因为它们不含有化学活性 基。11LOGO仪器科学与光电工程学院2009v三.热的表面流动理论 三、热的表面流动理论 热的表面流动理论认为：玻璃表面由于高压和相对运 动，摩擦生热致使表面产生塑性流动，凸起的部分将 凹陷填平，形成光滑的抛光表面。这种理论的实验依 据是：抛光表面用金刚石刀划成图案，然后抛掉，再 用酸腐蚀，结果看到划痕再现。另一实验发现，由抛 去厚度计算的抛去质量比实测的大得多，于是认为抛 去的玻璃填到表面凸凹层的谷部。由此说明抛光过程 是流动作用的覆盖。但这与工件抛光后有质量减轻的 事实相矛盾，另外，软化点高的

12、玻璃，抛光速率低， 这也可以说明这种理论的正确性12LOGO仪器科学与光电工程学院2009v2.3.2样板检验原理 概述 光学设计者要求透镜、棱镜等光学元件具有与理想的 几何形状极接近的精度，两者之差往往以波长为计量 单位计量，如/2， /10甚至更小。 对于这样高精度的抛光表面，检验面形偏差，常用的 方法有干涉图样法和阴影法。 干涉图样法，又可分为接触法(即样板法)和非接触法 (即干涉仪法)。本节着重讲样板检验，亦称光圈检验 。 样板检验是光学零件制造中使用最广泛、最简便的一 种精密检测方法。13LOGO仪器科学与光电工程学院2009v一.样板检验原理 一.样板检验原理 被检验光学表面相对于

13、参考光学表面的偏差称面形偏 差。通常，在光学加工中，光学零件的面形偏差是通 过与样板参考表面比较而鉴别出来的。若两者的面形 (球面或平面)不一致，存在微小误差时，就形成一个 楔形空气隙，类似一个薄膜，从而产生薄膜干涉现象 ，如图63(a)所示。若用单色光源，空气隙呈环形 对称时，则产生明暗相间的同心圆干涉环，用白光照 射产生彩色圆环。这些圆环称作光圈，又叫牛顿环。 光学零件面形偏差是在圆形检验范围内，通过垂直位 置所观察到的光圈数目、形状、变化和颜色来确定的 ，并且面形误差用光圈数表示，所以，样板检验亦称 “光圈检验”14LOGO仪器科学与光电工程学院2009v一.样板检验原理 一.样板检验原

14、理光圈检验原理图6-315LOGO仪器科学与光电工程学院2009v一.样板检验原理 (一).光圈数与空气隙厚度的关系 考察(b)中的s1,s2两束光，产生干涉。两束光的光程 差为 当 产生第k级亮条纹 当 产生第k级暗条纹 那么第k级和k+1级亮条纹所对应空气隙的厚度为： 光线垂直照射 ,则相邻亮条纹空气厚度16LOGO仪器科学与光电工程学院2009v一.样板检验原理 则相邻亮条纹空气隙厚度差近似为 由此可知相邻亮条纹空气厚度近似等于，即一道光圈相当于空 气隙厚度厚度。总的光圈N与空气总厚度之间关系为 牛顿球干涉为等厚干涉。光圈，即干涉条纹的形状是由空气隙 等厚层的轨迹决定的，即同一级干涉条纹

15、对应的空气隙厚度是 相等的。因此，对于规则平面干涉条纹为直线，若有微小不平 度，则干涉条纹出现弯曲，根据不直度的方向和弯曲程度，即 可判定面形误差。对于规则球面，空气隙的等厚层是环形，所 以干涉条纹为圆环状，利用干涉条纹的数量和不规则程度，可 以判定球面的面形误差。由此可以判定面形误差。17LOGO仪器科学与光电工程学院2009v一.样板检验原理 (二).光圈数N与曲率半径偏差R关系 光学零件曲率半径尺与工作样板半径R0之间的偏差 R，以干涉条纹数，即光圈数N表示。R值不仅取 决光圈数N、零件与样板的接触口径D(在此口径范围 内显示干涉环)和干涉光的波长，还取决于样板是沿 边缘接触(低光圈)，还是在中部接触(高光圈)。 图64是样板与透镜沿边缘接触情况。 对上式微分18LO