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) 1概述 11非球面光學(xué)零件的作用 非球面光學(xué)零件是一種非常重要的光學(xué)零件，常用的有拋物面鏡、雙曲面鏡、橢球面鏡等。非球面光學(xué)零件可以獲得球面光學(xué)零件無可比擬的良好的成像質(zhì)量，在光學(xué)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(gè)或幾個(gè)非球面零件代替多個(gè)球面零件，從而簡(jiǎn)化儀器結(jié)構(gòu)，降低成本并有效的減輕儀器重量。非球面光學(xué)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(yuǎn)鏡、錄像機(jī)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。12國外非球面零件的超精密加工

2、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(jì)算機(jī)數(shù)控單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控磨削技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控離子束成形技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控超精密拋光技術(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(yùn)用了數(shù)控技術(shù)，均具有加工精度較高，效率高等特點(diǎn)，適于批量生產(chǎn)。進(jìn)行非球面零件加工時(shí)，要考慮所加工零件的材料、形狀、精度和口徑等因素，對(duì)于銅、鋁等軟質(zhì)材料，可以用單點(diǎn)金剛石切削(SPDT)的方法進(jìn)行超精加工，對(duì)于玻璃或塑料等，當(dāng)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(duì)于其它一些高硬度的脆性材料，目前主要是通過超精密磨

3、削和超精密研磨、拋光等方法進(jìn)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Rank Pneumo公司生產(chǎn)的Nanoform300、 Nanoform250、 CUPE研制的 Nanocentre、日本的 AHN603D、ULP一100A(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。13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。近年來，該項(xiàng)工作開展較好的單位有北京機(jī)床研究所、中國航空精密機(jī)械研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)

4、、中科院長(zhǎng)春光機(jī)所應(yīng)用光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等。 為更好的開展對(duì)此項(xiàng)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(jī)械研究所首先建立了國內(nèi)第一個(gè)從事超精密加工技術(shù)研究的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。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方式的非球面創(chuàng)成加工機(jī)床。這是一臺(tái)具有位置反饋的雙坐標(biāo)數(shù)控車床，可實(shí)時(shí)改變刀座導(dǎo)軌的轉(zhuǎn)角和半徑 R，實(shí)現(xiàn)非球面的鏡面加工。加工直徑達(dá)380mm，加工工件的形狀精度為±O63m，表面粗糙度為 Ra0.025m。摩爾公司于1980年首先開發(fā)出了用3個(gè)坐標(biāo)控制的M18AG非球面加工機(jī)床，這種機(jī)床可加工直徑356mm的

5、各種非球面的金屬反射鏡。 英國 Rank Pneumo公司于1980年向市場(chǎng)推出了利用激光反饋控制的兩軸聯(lián)動(dòng)加工機(jī)床(MSG325)，該機(jī)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(dá) 025-05m，表面粗糙度 Ra在001-O025m之間。隨后又推出了 ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等機(jī)床，該公司又在上述機(jī)床的基礎(chǔ)上，于1990年開發(fā)出 Nanoform600，該機(jī)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01m，表面粗糙度優(yōu)于001m。 代表當(dāng)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(shí)驗(yàn)室于1984年研制成

6、功的 LODTM，它可加工直徑達(dá)2100mm，重達(dá)4500kg的工件其加工精度可達(dá)025m，表面粗糙度RaO0076m，該機(jī)床可加工平面、球面及非球面，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。 英國 Cranfield大學(xué)精密工程研究所(CUPE)研制的大型超精密金剛右鏡面切削機(jī)床，可以加工大型 X射線天體望遠(yuǎn)鏡用的非球面反射鏡(最大直徑可達(dá)1400mm，最大長(zhǎng)度為600mm的圓錐鏡)。該研究所還研制成功了可以加工用于 X射線望遠(yuǎn)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(jī)床。 日本開發(fā)的超精密加工機(jī)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

7、本制造的加工機(jī)床有：東芝機(jī)械研制的 ULGl00A(H)不二越公司的 ASPL15、豐田工機(jī)的 AHN10、 AHN30×25、 AHN603D非球面加工機(jī)床等。3 非球面零件超精密磨削加工技術(shù)31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(jìn)型的 ASG2500、 ASG2500T、Nanoform300機(jī)床，這些機(jī)床不僅能夠進(jìn)切削加工，而且也可以用金剛石砂輪進(jìn)行磨削，能加工直徑為300mm的非球面金屬反射鏡，加工工件的形狀精度為03-O16m，表面粗糙度達(dá)Ra001m。最近又推出 Nanoform250超精密加工系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個(gè)兩軸超精密 CNC機(jī)

8、床，在該機(jī)床上既能進(jìn)行超精密車削又能進(jìn)行超揚(yáng)密磨削還能進(jìn)行超精密拋光。最突出的特點(diǎn)是可以直接磨削出能達(dá)到光學(xué)系統(tǒng)要求的具有光學(xué)表面質(zhì)量和面型精度的硬脆材料光學(xué)零件。該機(jī)床采用了許多先進(jìn)的 Nanoform600、Optoform50設(shè)計(jì)思想，機(jī)床最大加工工件直徑達(dá)250mm，它通過一個(gè)升高裝置使機(jī)床的最大加工工件直徑達(dá)到450mm，另外通過控制垂直方向的液體靜壓導(dǎo)軌(Y軸)還能磨削非軸對(duì)稱零件，機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的分辨率達(dá) O001m，位置反饋元件采用了分辨率為86nm的光柵或分辨率為125nm的激光干涉儀，加工工件的面型精度達(dá)0.25m，表面粗糙度優(yōu)于 Ra001m。 Nanocentre250、

9、 Nanocentre600是一種三軸超精密 CNC非球面范成裝置，它可以滿足單點(diǎn)和延性磨削兩個(gè)方面的使用要求，通過合理化機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、利用高剛度伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和液體靜壓軸承使機(jī)床具有較高的閉環(huán)剛度， x和 Z軸的分辨率為125nm，這個(gè)機(jī)床被認(rèn)為是符合現(xiàn)代工藝規(guī)范的。 CUPE生產(chǎn)的 Nanocentre非球面光學(xué)零件加工機(jī)床，加工直徑達(dá)600mm面型精度優(yōu)于01m，表面粗糙度優(yōu)于 Ra0.01m。 CUPE還為美國柯達(dá)公司研究、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)了當(dāng)今世界上最大的超精密大型 CNC光學(xué)零件磨床“0AGM2500”，該機(jī)床主要用于光學(xué)玻璃等硬脆材料的加工，可加工和測(cè)量25m×25m×

10、;O61m的工件，它能加工出2m見方的非對(duì)稱光學(xué)鏡面，鏡面的形狀誤差僅為1m。 日本豐田工機(jī)研制的 AHN603D是一臺(tái) CNC三維截形磨削和車削機(jī)床，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(xué)零件，可以在 X、 Y和 Z軸二個(gè)半軸控制下磨削和車削非軸對(duì)稱光學(xué)零件，加工工件的截形精度為035unl，表面粗糙度達(dá) Ra0016m。另外東芝機(jī)械研制的 ULG100A(H)超精密復(fù)合加工裝置，它用分別控制兩個(gè)軸的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)非球面透鏡模具的切削和磨削，其 X軸和 Z軸的行程分別為150mm和100mm，位置反饋元件是分辨率為001m的光柵。 32非球面光學(xué)零件的 ELID鏡面磨

11、削技術(shù) 日本學(xué)者大森整等人從1987年對(duì)超硬磨料砂輪進(jìn)行了研究，開發(fā)了使用電解 In Process Dressing(ELID)的磨削法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)硬脆材料高品位鏡面磨削和延性方式的磨削，現(xiàn)在該方法己成功的應(yīng)用于球面、非球面透鏡、模具的超精密加工。 ELID鏡面磨削原理 ELID磨削系統(tǒng)包括：金屬結(jié)合劑超微細(xì)粒度超硬磨料砂輪、電解修整電源、電解修整電極、電解液(兼作磨削液)、接電電刷和機(jī)床設(shè)備。磨削過程中，砂輪通過接電電刷與電源的正極相接，安裝在機(jī)床上的修整電極與電源的負(fù)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(gè)完整的電化學(xué)系統(tǒng)。 采用 ELID磨

12、削時(shí)，對(duì)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(dǎo)電性和電解性、結(jié)合劑元素的氫氧化物或氧化物不導(dǎo)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，ELID磨削一般采用水溶性磨削液，全屬基結(jié)合劑砂輪的機(jī)械強(qiáng)度高，通過設(shè)定合適的電解量，砂輪磨損小。同時(shí)能得到高的形狀精度。應(yīng)用這個(gè)原理，能實(shí)現(xiàn)從平面到非球面，各種形狀的光學(xué)元件的超精密鏡面磨削。ELID鏡面磨削實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 在 Rank Pneumo公司的 ASG2500T機(jī)床上，裝上由砂輪、電源、電極、