1概述

　　1.1非球面光學零件的作用

　　非球面光學零件是一種非常重要的光學零件肛巫，常用的有拋物面鏡据将、雙曲面鏡、橢球面鏡等衅惠。非球面光學零件可以獲得球面光學零件無可比擬的良好的成像質(zhì)量婉孙，在光學系統(tǒng)中能夠很好的矯正多種像差，改善成像質(zhì)量哗饭，提高系統(tǒng)鑒別能力抓许，它能以一個或幾個非球面零件代替多個球面零件，從而簡化儀器結(jié)構(gòu)琉阱，降低成本并有效的減輕儀器重量毛底。

　　非球面光學零件在軍用和民用光電產(chǎn)品上的應用也很廣泛，如在攝影鏡頭和取景器模聋、電視攝像管肩民、變焦鏡頭唠亚、電影放影鏡頭、衛(wèi)星紅外望遠鏡持痰、錄像機鏡頭灶搜、錄像和錄音光盤讀出頭、條形碼讀出頭工窍、光纖通信的光纖接頭割卖、醫(yī)療儀器等中。

　　1.2國外非球面零件的超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀

　　80年代以來患雏，出現(xiàn)了許多種新的非球面超精密加工技術(shù)鹏溯，主要有：計算機數(shù)控單點金剛石車削技術(shù)、計算機數(shù)控磨削技術(shù)淹仑、計算機數(shù)控離子束成形技術(shù)丙挽、計算機數(shù)控超精密拋光技術(shù)和非球面復印技術(shù)等，這些加工方法匀借，基本上解決了各種非球面鏡加工中所存在的問題颜阐。前四種方法運用了數(shù)控技術(shù)，均具有加工精度較高裤泄，效率高等特點攘霞，適于批量生產(chǎn)。

　　進行非球面零件加工時几崔，要考慮所加工零件的材料虽捺、形狀、精度和口徑等因素影塑，對于銅蝎蚣、鋁等軟質(zhì)材料，可以用單點金剛石切削(SPDT)的方法進行超精加工徘繁，對于玻璃或塑料等珍诡，當前主要采用先超精密加工其模具，而后再用成形法生產(chǎn)非球面零件示祭，對于其它一些高硬度的脆性材料尼袁，目前主要是通過超精密磨削和超精密研磨、拋光等方法進行加工的咽蚣，另外.還有非球面零件的特種加工技術(shù)如離子束拋光等化焕。

　　國外許多公司己將超精密車削、磨削铃剔、研磨以及拋光加工集成為一體撒桨，并且研制出超精密復合加工系統(tǒng)，如Rank Pneumo公司生產(chǎn)的Nanoform300键兜、Nanoform250凤类、CUPE研制的Nanocentre穗泵、日本的AHN60―3D、ULP一100A(H)都具有復合加工功能谜疤，這樣可以便非球面零件的加工更加靈活佃延。

　　1.3我國非球面零件超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀

　　我國從80年代初才開始超精密加工技術(shù)的研究，比國外整整落后了20年夷磕。近年來履肃，該項工作開展較好的單位有北京機床研究所、中國航空精密機械研究所坐桩、哈爾濱工業(yè)大學尺棋、中科院長春光機所應用光學重點實驗室等。

　　為更好的開展對此項超精密加工技術(shù)的研究爬蜜，國防科工委于1995年在中國航空精密機械研究所首先建立了國內(nèi)第一個從事超精密加工技術(shù)研究的重點實驗室嗽绑。

　　2.非球面零件超精密切削加工技術(shù)

　　美國Union Carbide公司于1972年研制成功了R―θ方式的非球面創(chuàng)成加工機床。這是一臺具有位置反饋的雙坐標數(shù)控車床披痕，可實時改變刀座導軌的轉(zhuǎn)角θ和半徑R蟀腌，實現(xiàn)非球面的鏡面加工。加工直徑達φ380mm吐莲，加工工件的形狀精度為±O.63μm，表面粗糙度為Ra0.025μm阶押。

　　摩爾公司于1980年首先開發(fā)出了用3個坐標控制的M―18AG非球面加工機床陪瘟，這種機床可加工直徑356mm的各種非球面的金屬反射鏡。

　　英國Rank Pneumo公司于1980年向市場推出了利用激光反饋控制的兩軸聯(lián)動加工機床(MSG―325)脱刷，該機床可加工直徑為350mm的非球面金屬反射鏡阐逗，加工工件形狀精度達0.25-0.5μm，表面粗糙度Ra在0.01-O.025μm之間饮码。隨后又推出了ASG2500韵谋、ASG2500T、Nanoform300等機床氏篇，該公司又在上述機床的基礎(chǔ)上振诬，于1990年開發(fā)出Nanoform600，該機床能加工直徑為600mm的非球面反射鏡衍菱，加工工件的形狀精度優(yōu)于0.1μm赶么，表面粗糙度優(yōu)于0.01μm。

　　代表當今員高水平的超精密金剛石車床是美國勞倫斯.利弗莫爾(LLNL)實驗室于1984年研制成功的LODTM脊串，它可加工直徑達2100mm辫呻，重達4500kg的工件其加工精度可達0.25μm，表面粗糙度RaO.0076μm琼锋，該機床可加工平面放闺、球面及非球面祟昭，主要用于加工激光核聚變工程所需的零件、紅外線裝置用的零件和大型天體反射鏡等怖侦。

　　英國Cranfield大學精密工程研究所(CUPE)研制的大型超精密金剛右鏡面切削機床篡悟，可以加工大型X射線天體望遠鏡用的非球面反射鏡(最大直徑可達1400mm，最大長度為600mm的圓錐鏡)础钠。該研究所還研制成功了可以加工用于X射線望遠鏡內(nèi)側(cè)回轉(zhuǎn)拋物面和外側(cè)回轉(zhuǎn)雙曲面反射鏡的金剛石切削機床恰力。

　　日本開發(fā)的超精密加工機床主要是用于加工民用產(chǎn)品所需的透鏡和反射鏡，目前日本制造的加工機床有：東芝機械研制的ULG―l00A(H)不二越公司的ASP―L15拓酵、豐田工機的AHN10镰饶、AHN30×25、AHN60―3D非球面加工機床等乱树。

　　3.非球面零件超精密磨削加工技術(shù)

　　3.1非球面零件超精磨削裝置

　　英國Rank Pneumo公司1988年開發(fā)了改進型的ASG2500烧骗、ASG2500T、Nanoform300機床吆揖，這些機床不僅能夠進切削加工铜诽，而且也可以用金剛石砂輪進行磨削，能加工直徑為300mm的非球面金屬反射鏡绳瓣，加工工件的形狀精度為0.3-O.16μm懂棘，表面粗糙度達Ra0.01μm。最近又推出Nanoform250超精密加工系統(tǒng)嗡深，該系統(tǒng)是一個兩軸超精密CNC機床先赛，在該機床上既能進行超精密車削又能進行超揚密磨削.還能進行超精密拋光。最突出的特點是可以直接磨削出能達到光學系統(tǒng)要求的具有光學表面質(zhì)量和面型精度的硬脆材料光學零件惋肾。該機床采用了許多先進的Nanoform600挪确、Optoform50設計思想，機床最大加工工件直徑達250mm暖夭，它通過一個升高裝置使機床的最大加工工件直徑達到450mm锹杈，另外通過控制垂直方向的液體靜壓導軌(Y軸)還能磨削非軸對稱零件，機床數(shù)控系統(tǒng)的分辨率達O.001μm迈着，位置反饋元件采用了分辨率為8.6nm的光柵或分辨率為1.25nm的激光干涉儀竭望，加工工件的面型精度達0.25μm，表面粗糙度優(yōu)于Ra0.01μm裕菠。

　　Nanocentre250市框、Nanocentre600是一種三軸超精密CNC非球面范成裝置，它可以滿足單點和延性磨削兩個方面的使用要求糕韧，通過合理化機床結(jié)構(gòu)設計枫振、利用高剛度伺服驅(qū)動系統(tǒng)和液體靜壓軸承使機床具有較高的閉環(huán)剛度，x和Z軸的分辨率為1.25nm萤彩，這個機床被認為是符合現(xiàn)代工藝規(guī)范的粪滤。CUPE生產(chǎn)的Nanocentre非球面光學零件加工機床斧拍，加工直徑達600mm.面型精度優(yōu)于0.1μm，表面粗糙度優(yōu)于Ra0.01μm杖小。CUPE還為美國柯達公司研究肆汹、設計和生產(chǎn)了當今世界上最大的超精密大型CNC光學零件磨床“0AGM2500”，該機床主要用于光學玻璃等硬脆材料的加工零破，可加工和測量2.5m×2.5m×O.61m的工件衫半，它能加工出2m見方的非對稱光學鏡面，鏡面的形狀誤差僅為1μm抠孤。

　　日本豐田工機研制的AHN60―3D是一臺CNC三維截形磨削和車削機床洋虫，它能在X、Y和Z三軸控制下磨削和車削軸向?qū)ΨQ形狀的光學零件悠衔，可以在X权疾、Y和Z軸二個半軸控制下磨削和車削非軸對稱光學零件，加工工件的截形精度為0.35unl锡褂，表面粗糙度達Ra0.016μm满律。另外東芝機械研制的ULG―100A(H)超精密復合加工裝置摆野，它用分別控制兩個軸的方法或舞，實現(xiàn)了對非球面透鏡模具的切削和磨削驱显，其X軸和Z軸的行程分別為150mm和100mm缩棉，位置反饋元件是分辨率為0.01μm的光柵。

　　3.2非球面光學零件的ELID鏡面磨削技術(shù)

　　日本學者大森整等人從1987年對超硬磨料砂輪進行了研究球及，開發(fā)了使用電解In Process Dressing(ELID)的磨削法挡毅，實現(xiàn)了對硬脆材料高品位鏡面磨削和延性方式的磨削民珍，現(xiàn)在該方法己成功的應用于球面败去、非球面透鏡、模具的超精密加工烈拒。

　≡苍！①ELID鏡面磨削原理

　　ELID磨削系統(tǒng)包括：金屬結(jié)合劑超微細粒度超硬磨料砂輪、電解修整電源荆几、電解修整電極吓妆、電解液(兼作磨削液)、接電電刷和機床設備吨铸。磨削過程中行拢，砂輪通過接電電刷與電源的正極相接，安裝在機床上的修整電極與電源的負極相接诞吱，砂輪和電極之間澆注電解液舟奠，這樣，電源房维、砂輪沼瘫、電極跳蚓、砂輪和電極之間的電解液形成一個完整的電化學系統(tǒng)。

　　采用ELID磨削時房包，對所用的砂輪抠建、電源、電解液均有一些特殊要求他案。要求砂輪的結(jié)合劑有良好的導電性和電解性盛己、結(jié)合劑元素的氫氧化物或氧化物不導電，且不溶于水质驻，ELID磨削使用的電源弊肢，可以采用電解加工的直流電源或采用各種波形的脈沖電源或直流基量脈沖電源。在ELID磨削過程中零硫，電解液除作為磨削液外盯窜，還起著降低磨削區(qū)溫度和減少摩撩的作用，ELID磨削一般采用水溶性磨削液萄蕾，全屬基結(jié)合劑砂輪的機械強度高领靖，通過設定合適的電解量，砂輪磨損小以躯。同時能得到高的形狀精度槐秧。應用這個原理，能實現(xiàn)從平面到非球面忧设，各種形狀的光學元件的超精密鏡面磨削刁标。

　　②ELID鏡面磨削實驗系統(tǒng)

　　在Rank Pneumo公司的ASG―2500T機床上址晕，裝上由砂輪膀懈、電源、電極谨垃、磨削液等組成大森整ELID系統(tǒng)毛坯粗成形加工時使用400#启搂、半精加工時使用1000#或2000#、作鏡面磨削時使用4000#(平均粒徑約為4μm)或8000#(平均粒徑約為2μm)的鑄鐵結(jié)合劑金剛石砂輪刘陶，電解修銳電源(ELID電源)胳赌，使用的是直流高頻脈沖電壓式專用電源，工作電壓為60V匙隔，電流為lOA疑苫。所用的磨削液，使用時要求用純水將水溶性磨削液AFH―M和CEM稀釋50倍纷责。

　『憬ā③ELID鏡面磨削實驗方法和實驗結(jié)果

　　作非球面加工時，通過安裝在工件軸上的碗形砂輪(325#鑄鐵結(jié)合劑金剛石砂輪為φ30×W2mm)進行平砂輪的只成形體整，作10min的電解初期修銳之后匿贴，經(jīng)過400#的粗磨和1000#的半精加工凑篇，最后再用4000#進行ELID鏡面磨削，在超精密非球面加工機床上耗述，借助ELID磨削技術(shù)托蜡，成功地加工出了光學玻璃BK―7非球面透鏡。面型精度達到優(yōu)于o.2μm妒彭，表面粗糙度達Ra20nm谢燎，而對于稍軟如LASFN30和Ge等材料的非球面加工，同樣能達到面型精度優(yōu)于O.2-O.3μm幕笋，表面粗糙度達Ra30nm钧椿。

　　4.非球面零件的超精密拋光(研磨)技術(shù)

　　超精密拋光是加工速度極慢的一種加工方法。不適合形狀范成法加工椿笤，近年來盹屠，由于短波長光學元件、OA儀器和AV機器等的飛速發(fā)展鞋诗，對零件的表面粗糙度提出了更高的要求膀捷，到目前為止還沒有比超精密拋光更好的實用的方法，尤其當零件的表面粗糙度要求優(yōu)于0.0lμm時削彬，這種方法是不可缺少的全庸，對形狀精度要求很高的工件，如果采用強制進給的方法進行切削或進行磨削時融痛，其形狀精度將直接受到機床進給定位精度的影響壶笼，達到所在反應，并由此引起的加工作用雁刷，在工件表面上存在同樣微小凹的部分覆劈，在一般情況下，只能獲得波紋起伏較大的表面沛励。

　　日本大阪大學工學部森勇芷教授等人利用EEM開發(fā)了一種三軸(x责语、z、C)數(shù)控光學表面范成裝置侯勉，利用該裝置加工時鹦筹，一邊在工件表面上控制聚胺脂球的滯留時間铝阐，一邊用聚胺脂球掃描加工對象的物全領(lǐng)域以睦，利用該裝置能加工高精度的任意曲面。

　　5.非球面零件等離子體的CVM(Chemical Vaporization Machining)技術(shù)

　　目前廣泛采用的切削昂游、研磨滤钠、拋光等機械加工方法，由于加工材料中存在微細裂紋或結(jié)晶中的品格缺陷等原因跳窖，無論怎樣提高加工精度祠裸，改進加工裝置贵郎，總存在一定的局限性，為此眶昵，日本大阪大學工學部森勇正教授提出了一種用化學氣體加工的新的加工工藝方法蒂轨，稱為等離子CVM法，這是一種利用原子化學反應拔衙，獲得超精密表面的一種技術(shù)檩榕，其加工原理和等離子體刻蝕一樣，在等離子體中栓稻，被激活的游離基和工件表面原于起反應关揣，將之變成揮發(fā)性分子，并通過氣體蒸發(fā)實現(xiàn)加工的土辩，在高壓力下所產(chǎn)生的等離子體支救，能夠生成密度非常高的游離基，所以這種加工方法能達到與機械加工方法相匹敵的加工速度拷淘。在高壓力下各墨，由于氣體分子的平均自由行程極小，等離子體局限在電極附近辕棚。所以可以通過電極掃描欲主，加工出O.01μm精度的任意形狀的零件，另外可以以50μm／min的速度加工單晶硅平面逝嚎，加工工件的表面粗糙度可達0.1nm(Rrms)扁瓢。

　　下個世紀，在硅芯片加工和半導體曝光裝置用的非球面透鏡加工等很多領(lǐng)域中补君，將應用CVM技術(shù)引几，當前有人正在研究通過CVM和EEM的組合，加工同步加速器用的X射線反射鏡等原子級平坦的任意曲面挽铁。

　　6.非球面零件復制技術(shù)

　　用控制除去厚度的拋光(研磨)方法能夠制造出高精度的非球面零件伟桅，但和一般的光學零件加工方法相比，這種方法的加工效率很低迟伤，解決這個問題的方法之一有復制技術(shù)窖升，即塑料注射成形和玻璃的模壓成形技術(shù)，這種技術(shù)能夠制造一部分非球面透鏡娘型。塑料透鏡注射成形是將熔化的樹脂注入模具內(nèi)呕瞎，一邊施加壓力，一邊冷卻固化的加工方法铝矢，這種方法能夠進行廉價婉肆、大批量生產(chǎn)，但存在塑料自身的某些問題，如溫度變化衰惜、吸濕導致透鏡折射率的變化差讼。

　　玻璃的模壓成形是代替切削、磨削挤夕、研磨加工透鏡赫斥、棱鏡的最佳的小型零件大批量生產(chǎn)方法。模壓成形技術(shù)是將模具內(nèi)的溫度控制在沖壓的玻璃轉(zhuǎn)移溫度以上p軟化溫度以下沪么，在模具內(nèi)乌企，進入有流動性的玻璃，加壓成形成玫，并且保持這種狀態(tài)20s以上加酵，直到成形了的玻璃溫度分布均勻化，將模具的形狀精度作到0.1μm哭当，表面粗糙度作到0.01μm以下猪腕，在上述條件下加壓成形，能加工出和模具精度相近的零件钦勘。

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