非球面零件超精密加工技術(shù)

1、非球面零件超精密加工技術(shù)非球面零件超精密加工技術(shù)來源：數(shù)控機床網(wǎng)發(fā)布日期：20075101概述概述1.1非球面光學零件的作用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，常用的有拋物面鏡、雙曲面鏡、橢球面鏡等。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，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，提高系統(tǒng)鑒別能力，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)，降低成本并有效的減輕儀器重

2、量。非球面光學零件在軍用和民用光電產(chǎn)品上的應(yīng)用也很廣泛，如在攝影鏡頭和取景器、電視攝像管、變焦鏡頭、電影放影鏡頭、衛(wèi)星紅外望遠鏡、錄像機鏡頭、錄像和錄音光盤讀出頭、條形碼讀出頭、光纖通信的光纖接頭、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，出現(xiàn)了許多種新的非球面超精密加工技術(shù)，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)、計算機數(shù)控離子束成形技術(shù)、計算機數(shù)控超精

3、密拋光技術(shù)和非球面復(fù)印技術(shù)等，這些加工方法，基本上解決了各種非球面鏡加工中所存在的問題。前四種方法運用了數(shù)控技術(shù)，均具有加工精度較高，效率高等特點，適于批量生產(chǎn)。進行非球面零件加工時，要考慮所加工零件的材料、形狀、精度和口徑等因素，對于銅、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，對于玻璃或塑料等，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，對于其它一些高硬度的脆性材料，目前主要是通過超精密磨削

4、和超精密研磨、拋光等方法進行加工的，另外，還有非球面零件的特種加工技術(shù)如離子束拋光等。國外許多公司己將超精密車削、磨削、研磨以及拋光加工集成為一體，并且研制出超精密復(fù)合加工系統(tǒng)，如RankPneumo公司生產(chǎn)的Nanofm300、Nanofm250、CUPE研制的Nanocentre、日本的AHN60―3D、ULP一10OA（H）都具有復(fù)合加工功能，這樣可以便非球面零件的加工更加靈活。1.3我國非球面零件超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀我國非球面零

5、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。近年來，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、哈爾濱工業(yè)大學、中科院長春光機所應(yīng)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，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。2非球面零件超精密切削加工技術(shù)非球面零件超精密切削加工技術(shù)美國UnionCarbi

6、de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，可實時改變刀座導軌的轉(zhuǎn)角θ和半徑R，實現(xiàn)非球面的鏡面加工。加工直徑達φ380mm，加工工件的形狀精度為0.63μm，表面粗糙度為Ra0.025μm。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，這種機床可加工直徑356mm的各種非球面的金屬反射鏡。英國RankPneumo公司于1980年向市場推出了利用激光反

7、饋控制的兩軸聯(lián)動加工機床（MSG―325），該機床可加工直徑為350mm的非球面金屬反射鏡，加工工件形狀精度達0.250.5μm，表面粗糙度Ra在0.010.025μm之間。隨后又推出了ASG2500、ASG2500T、Nanofm300等機床，該公司又在上述機床的基礎(chǔ)上，于1990年開發(fā)出Nanofm600，該機床能加工直徑為600mm的非球面反射鏡，加工工件的形狀精度優(yōu)于0.1μm，表面粗糙度優(yōu)于0.01μm。裝在機床上的修整電極與

8、電源的負極相接，砂輪和電極之間澆注電解液，這樣，電源、砂輪、電極、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，對所用的砂輪、電源、電解液均有一些特殊要求。要求砂輪的結(jié)合劑有良好的導電性和電解性、結(jié)合劑元素的氫氧化物或氧化物不導電，且不溶于水，ELID磨削使用的電源，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，電解液除作為磨削液外，還起著降低磨削區(qū)溫度和減少摩撩的作用

9、，ELID磨削一般采用水溶性磨削液，全屬基結(jié)合劑砂輪的機械強度高，通過設(shè)定合適的電解量，砂輪磨損小。同時能得到高的形狀精度。應(yīng)用這個原理，能實現(xiàn)從平面到非球面，各種形狀的光學元件的超精密鏡面磨削。②ELID鏡面磨削實驗系統(tǒng)在RankPneumo公司的ASG―2500T機床上，裝上由砂輪、電源、電極、磨削液等組成大森整ELID系統(tǒng)毛坯粗成形加工時使用400#、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4

10、μm）或8000#（平均粒徑約為2μm）的鑄鐵結(jié)合劑金剛石砂輪，電解修銳電源（ELID電源），使用的是直流高頻脈沖電壓式專用電源，工作電壓為60V，電流為l0A。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。③ELID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φ30W2mm）進行平砂輪的只成形體整，作10min的電解初期修銳之后，經(jīng)過400#的粗磨和

11、1000#的半精加工，最后再用4000#進行ELID鏡面磨削，在超精密非球面加工機床上，借助ELID磨削技術(shù)，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0.2μm，表面粗糙度達Ra20nm，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0.20.3μm，表面粗糙度達Ra30nm。4非球面零件的超精密拋光（研磨）技術(shù)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

12、形狀范成法加工，近年來，由于短波長光學元件、OA儀器和AV機器等的飛速發(fā)展，對零件的表面粗糙度提出了更高的要求，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，這種方法是不可缺少的，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，其形狀精度將直接受到機床進給定位精度的影響，達到所在反應(yīng)，并由此引起的加工作用，在工件表面上存在同樣微小凹的部分，在一般情況下，只能獲得波紋起伏

13、較大的表面。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、z、C）數(shù)控光學表面范成裝置，利用該裝置加工時，一邊在工件表面上控制聚胺脂球的滯留時間，一邊用聚胺脂球掃描加工對象的物全領(lǐng)域，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非球面零件等離子體的CVM（ChemicalVap0rizati0nMachining）技術(shù)）技術(shù)目前廣泛采用的切削、研磨、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

14、缺陷等原因，無論怎樣提高加工精度，改進加工裝置，總存在一定的局限性，為此，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，稱為等離子CVM法，這是一種利用原子化學反應(yīng)，獲得超精密表面的一種技術(shù)，其加工原理和等離子體刻蝕一樣，在等離子體中，被激活的游離基和工件表面原于起反應(yīng)，將之變成揮發(fā)性分子，并通過氣體蒸發(fā)實現(xiàn)加工的，在高壓力下所產(chǎn)生的等離子體，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