非球面光學零件超精密加工技術

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，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量，在光學系統(tǒng)中能夠很好的矯正多種像差，改善成像質量，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，從而簡化儀器結構，降低成本并有效的減輕儀器重量。
        非球面光學零件在軍用和民用光電產品上的應用也很廣泛，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的現狀
        80年代以來，出現了許多種新的非球面超精密加工技術，主要有：計算機數控單點金剛石車削技術、計算機數控磨削技術、計算機數控離子束成形技術、計算機數控超精密拋光技術和非球面復印技術等，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控技術，均具有加工精度較高，效率高等特點，適于批量生產。
        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合加工系統(tǒng)，如Rank Pneumo公司生產的Nanoform300、Nanoform250、 CUPE研制的 Nanocentre、日本的 AHN60―3D、ULP一100A(H)都具有復合加工功能，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的現狀
        我國從80年代初才開始超精密加工技術的研究，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第一個從事超精密加工技術研究的重點實驗室。
2． 非球面零件超精密切削加工技術
        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控車床，可實時改變刀座導軌的轉角θ和半徑 R，實現非球面的鏡面加工。加工直徑達φ380mm，加工工件的形狀精度為±O．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 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)，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 0．25-0．5μm，表面粗糙度 Ra在0．01-O．025μm之間。隨后又推出了 ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等機床，該公司又在上述機床的基礎上，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，加工工件的形狀精度優(yōu)于0．1μm，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，它可加工直徑達2100mm，重達4500kg的工件其加工精度可達0．25μm，表面粗糙度RaO．0076μm，該機床可加工平面、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，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)。該研究所還研制成功了可以加工用于 X射線望遠鏡內側回轉拋物面和外側回轉雙曲面反射鏡的金剛石切削機床。
        日本開發(fā)的超精密加工機床主要是用于加工民用產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、豐田工機的 AHN10、 AHN30×25、 AHN60―3D非球面加工機床等。
3．非球面零件超精密磨削加工技術
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、 ASG2500T、Nanoform300機床，這些機床不僅能夠進切削加工，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，加工工件的形狀精度為0．3-O．16μm，表面粗糙度達Ra0．01μm。最近又推出 Nanoform250超精密加工系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個兩軸超精密 CNC機床，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量和面型精度的硬脆材料光學零件。該機床采用了許多先進的 Nanoform600、Optoform50設計思想，機床最大加工工件直徑達250mm，它通過一個升高裝置使機床的最大加工工件直徑達到 450mm，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，機床數控系統(tǒng)的分辨率達 O．001μm，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，加工工件的面型精度達0.25μm，表面粗糙度優(yōu)于 Ra0．01μm。
        Nanocentre250、 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，通過合理化機床結構設計、利用高剛度伺服驅動系統(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，這個機床被認為是符合現代工藝規(guī)范的。 CUPE生產的 Nanocentre非球面光學零件加工機床，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。 CUPE還為美國柯達公司研究、設計和生產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，可加工和測量2．5m×2．5m×O．61m的工件，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。
        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，它能在 X、Y和Z三軸控制下磨削和車削軸向對稱形狀的光學零件，可以在 X、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，表面粗糙度達 Ra0．016μm。另外東芝機械研制的 ULG―100A(H)超精密復合加工裝置，它用分別控制兩個軸的方法，實現了對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0．01μm的光柵。
3．2非球面光學零件的 ELID鏡面磨削技術
        日本學者大森整等人從1987年對超硬磨料砂輪進行了研究，開發(fā)了使用電解 In Process Dressing(ELID)的磨削法，實現了對硬脆材料高品位鏡面磨削和延性方式的磨削，現在該方法己成功的應用于球面、非球面透鏡、模具的超精密加工。
① ELID鏡面磨削原理
        ELID磨削系統(tǒng)包括：金屬結合劑超微細粒度超硬磨料砂輪、電解修整電源、電解修整電極、電解液(兼作磨削液)、接電電刷和機床設備。磨削過程中，砂輪通過接電電刷與電源的正極相接，安裝在機床上的修整電極與電源的負極相接，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。要求砂輪的結合劑有良好的導電性和電解性、結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，ELID磨削一般采用水溶性磨削液，全屬基結合劑砂輪的機械強度高，通過設定合適的電解量，砂輪磨損小。同時能得到高的形狀精度。應用這個原理，能實現從平面到非球面，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 Rank Pneumo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4μm)或8000#(平均粒徑約為2μm)的鑄鐵結合劑金剛石砂輪，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 lOA。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。
③ ELID鏡面磨削實驗方法和實驗結果
        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，經過400#的粗磨和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，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，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 O．2-O．3μm，表面粗糙度達 Ra30nm。
4．非球面零件的超精密拋光(研磨)技術
        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，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，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 CVM(Chemical Vaporization Machining)技術
        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晶中的品格缺陷等原因，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，獲得超精密表面的一種技術，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，將之變成揮發(fā)性分子，并通過氣體蒸發(fā)實現加工的，在高壓力下所產生的等離子體，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敵的加工速度。在高壓力下，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。所以可以通過電極掃描，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，加工工件的表面粗糙度可達0.1nm(Rrms)。
        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域中，將應用 CVM技術，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。
6．非球面零件復制技術
        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，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，解決這個問題的方法之一有復制技術，即塑料注射成形和玻璃的模壓成形技術，這種技術能夠制造一部分非球面透鏡。塑料透鏡注射成形是將熔化的樹脂注入模具內，一邊施加壓力，一邊冷卻固化的加工方法，這種方法能夠進行廉價、大批量生產，但存在塑料自身的某些問題，如溫度變化、吸濕導致透鏡折射率的變化。
玻璃的模壓成形是代替切削、磨削、研磨加工透鏡、棱鏡的最佳的小型零件大批量生產方法。模壓成形技術是將模具內的溫度控制在沖壓的玻璃轉移溫度以上p軟化溫度以下，在模具內，進入有流動性的玻璃，加壓成形，并且保持這種狀態(tài)20s以上，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0．1 μm，表面粗糙度作到0．01μm以下，在上述條件下加壓成形，能加工出和模具精度相近的零件。