CN103659520A - 离轴薄壁非球面光学零件的超精密加工装置及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离轴薄壁非球面光学零件的超精密加工装置及其加工方法，步骤1、光学零件设置在楔角工装内，光学零件的底平面与楔角工装的凹槽顶面相互贴合，并使得光学零件非球面垫平；步骤2、在光学零件的通孔处垫入垫片；步骤3、在光学零件外圆壁与楔角工装顶面之间安装垫圈；步骤4、铣磨机同步铣磨光学零件、垫片和垫圈，铣磨出该光学零件的非球面；步骤5、抛光机对光学零件的非球面、垫片及外圆处的垫圈进行抛光。本发明巧妙的利用楔角工装、垫片及垫圈，精准地加工出离轴薄壁非球面光学零件，解决了离轴薄壁非球面光学零件难加工的问题。

Description

离轴薄壁非球面光学零件的超精密加工装置及其加工方法

技术领域

本发明涉及光学零件的加工装置及其加工方法，特别涉及一种离轴薄壁非球面光学零件的超精密加工装置及其加工方法。

背景技术

如图1、2所示为离轴薄壁非球面光学零件的结构示意图，该光学零件1的光学面为非球面11，非球面对称光轴与几何中心轴的夹角为非球面的楔角α，且在中心部位设有通孔12，加工出光学零件成品的楔角α的精度在±1′以内，中心部位通孔的厚度控制在±0.01mm。

现有技术中加工非球面加工技术包括：光学玻璃模压技术、单点金刚石车削技术、古典法修带技术、磁流变抛光技术、离子束抛光技术以及计算机控制光学表面成型技术。

1、光学玻璃模压成型技术

美国柯达公司在20世纪70年代研究成功玻璃的精密模压成型技术，一次就完成光学球面或非球面的零件成型，不需要研磨抛光的加工。光学玻璃模压成型技术，是利用了玻璃从熔融态向固态转化的过程是连续可逆的热加工性质，在玻璃的转变温度Tg附近，在无氧条件下，对玻璃和模具进行加温加压，一次性将光学玻璃模压成达到使用要求的光学零件。由于光学玻璃模压成型法摒弃了传统的粗磨、精磨、抛光以及定心磨边等工序，直接一次成型，大大节省了材辅料、时间、设备及人力，且能模压出不同形状，尤其是在非球面光学玻璃零件制造方面，有着广阔的应用前景。光学玻璃模压成型技术，是一项综合技术，需考虑玻璃材料、模具材料、模压设备及模压的工艺参数。该技术主要适用于小型非球面制造，目前最大模压尺寸在50mm以内，而且不能模压离轴非球面光学零件。

2、单点金刚石车削技术

计算机数控单点金刚石车削技术，是由美国国防科研机构于60年代率先开发、80年代得以推广应用的非球面光学零件加工技术。它是在超精密数控车床上，采用天然单晶金刚石刀具，在对机床和加工环境进行精确控制条件下，直接利用金刚石刀具单点车削加工出符合光学质量要求的非球面光学零件。目前，采用金刚石车削技术可以加工的材料：有色金属、锗、塑料、红外光学晶体，但是不能车削玻璃。

3、古典法修带技术

古典法修带技术是传统的非球面光学零件材料去除式加工方法。这种方法，是先把零件研磨成最接近球面形状，然后用机器或手工继续局部研磨或抛光，边加工边测量，直至修磨出符合要求的非球面面形。由于主要依靠手工，所以这种方法只适用于大口径且非球面度较小的非球面。按此方法加工出的非球面，可达到很高的精度，但效率低，且精度重复性差，只适用于单件或小批量生产，古典法修带技术适合于回转对称的非球面的加工,不能用来加工离轴非球面。

4、磁流变抛光技术

磁流变抛光技术（MRF），是美国Rochester大学提出的一种新型的光学零件加工方法，其将电磁学流体动力学理论、分析化学有机结合起来。磁流变抛光液在高强度的梯度磁场中会变硬，而成为具有粘塑性的Bingham介质，形成类似缎带的凸起。当这种介质流经工件与运动盘形成的很小空隙时，工件表面材料会被工件表面与其接触的区域产生的剪切力去除。由于磁流变抛光能够获得品质很高的光学表面，与CCOS相结合，可实现计算机控制，从而得到较复杂的面形，且去除效率高，不会存在刀具磨损、堵塞现象。因其独特的剪切去除机理在保证较高去除效率的同时不引入亚表面损伤，可以高效消除磨削产生的亚表面损伤层，实现近零亚表面损伤和纳米级精度抛光。缺点是有磁介质不能使用，且磁流变液特性随材料变化，抛光去除函数必须随时标定，同时受到磁盘尺寸的限制，对于一些高陡度的非球面光学零件无法加工。 

5、离子束抛光

离子束抛光是1965年美国亚利桑那大学的工作人员发现并研制成功的。目前，美国离子光学公司、法兰克福兵工厂早已研制成功离子束抛光设备，并应用于生产。此外，日本、英国、法国等国也已开发和研究了这一新技术。离子束抛光的原理，是将惰性气体（如氩、氪、氙等）原子在低真空中电离为离子，再加速撞击到放在高真空度的真空室内的工件表面上，以原子量级将其表面材料予以去除。离子束加工玻璃的主要特点，是加工工具精度非常好，表面不产生正压力，加工量的控制极其精确稳定。被加速的离子与工件材料的原子核直接产生弹性碰撞，使其逸出表面，可以轻易实现原子量级的材料去除，加工精度可达λ／100，且不受被加工零件表面和材料的限制。该项技术的缺点是成本昂贵，操作复杂，工作时有振动，且抛光速度缓慢。

6、计算机控制光学表面成型技术

计算机控制光学表面（CCOS）加工技术是20世纪70年代初，美国Itek公司率先提出的一种新光学表面加工的技术构想，它是通过计算机控制一个小型工具，将控制软件、机床设备和检测方法有机结合起来，进行光学表面加工。随后美、法、德、俄的科研中心都在此领域开展了深入的研究。如美国的亚利桑那大学光学科学中心、法国空间光学制造中心、德国蔡司公司、俄罗斯瓦维洛夫国家光学研究所等。随着计算机技术和精密计量技术的飞速发展，CCOS加工技术从计算速度到加工精度等，都得到了进一步的提高与完善。CCOS加工技术的基本原理是用计算机来控制一个比被加工零件尺寸小得多的抛光模，以一定的路线、速度和压力抛光工件表面。通过改变任何一个区域的抛光时间，可以精确地获得要求的材料去除量。由于抛光的去除量不大，所以工件要先用通常的方法研磨、抛光成接近的比较球面。计算机控制抛光，仅仅是抛去球面和要求的非球面在各点处所存在的偏离量。在加工中，使用迭代的方式，使表面误差逐步收敛。

上述加工技术均无法满足该离轴薄壁非球面光学零件的精度要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种离轴薄壁非球面光学零件的超精密加工装置及其加工方法，巧妙的利用楔角工装、垫片及垫圈，精准地加工出离轴薄壁非球面光学零件，解决了离轴薄壁非球面光学零件难加工的问题。

为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种离轴薄壁非球面光学零件的超精密加工装置，用来加工离轴薄壁非球面光学零件，该光学零件的光学面为非球面，非球面对称光轴与几何中心轴的夹角为非球面的楔角，且在中心部位设有通孔，其特点是，包含：

楔角工装，其顶面设有凹槽，所述的光学零件设置在凹槽内；

垫片，其填充在所述光学零件的通孔内；

垫圈，其安装在光学零件外圆壁与楔角工装顶面之间；

所述凹槽顶面的楔角由光学零件非球面的楔角和零件口径计算所得将光学零件的非球面垫平，使得非球面对称光轴与几何中心轴相重合。

一种利用上述的离轴薄壁非球面光学零件的超精密加工装置的加工方法，其特点是，该方法包含如下步骤：

步骤1、光学零件设置在楔角工装内，光学零件的底平面与楔角工装的凹槽顶面相互贴合，并使得光学零件的非球面垫平；

步骤2、在光学零件的通孔处垫入垫片；

步骤3、在光学零件外圆壁与楔角工装顶面之间安装垫圈；

步骤4、铣磨机同步铣磨光学零件、垫片和垫圈，铣磨出该光学零件的非球面；

步骤5、抛光机对光学零件的非球面、垫片及外圆处的垫圈进行抛光。

所述的步骤1包含如下子步骤：

步骤1.1、将光学零件的底平面作为基准面，清洗干净基准面；

步骤1.2、在凹槽内侧面点上均匀的胶，并将光学零件底面与凹槽顶面相互贴合，垫平光学零件非球面，使得非球面的对称光轴与几何中心轴相重合。

所述凹槽顶面的楔角精度高于光学零件所需加工出的楔角精度。

所述凹槽顶面的楔角精度2倍于光学零件所需加工出的楔角精度。

所述的步骤4包含如下子步骤：

步骤4.1、铣磨机将光学零件、位于光学零件内的垫片、光学零件外圆处的垫圈同步铣磨，并将光学零件、垫片、垫圈同步初铣磨出球面；

步骤4.2、铣磨机铣磨出光学零件的非球面及垫片、垫圈的非球面。

所述的步骤5包含如下子步骤：

步骤5.1、抛光机对光学零件的非球面、垫片和垫圈进行抛光，通过测量垫片的厚度，控制中心部位通孔的厚度；

步骤5.2、抛光机对光学零件进行抛光，将抛光中产生的外圆塌边呈现在外圆垫圈上，保证了抛光后的面型精度。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、通过设计超精密的楔角工装，将光学零件非球面垫平，使得非球面对称光轴与几何中心轴相重合，只需加工出对称的非球面，从而巧妙得到离轴的非球面，提高了楔角精度。

2、垫片垫入在通孔内，并与光学零件同步加工，用高度尺可以测量垫片的厚度，通过控制垫片的厚度可以将离轴薄壁非球面光学零件的中心通孔厚度控制在±0.01mm以内。

3、将垫圈上盘在离轴薄壁非球面光学零件的外圆，随着离轴薄壁非球面光学零件一起抛光，将抛光中产生的外圆塌边呈现在外圆垫圈上，很好的保证了抛光后的面型精度。。

附图说明

图1为离轴薄壁非球面光学零件的结构示意图；

图2为离轴薄壁非球面光学零件的楔角的Ⅰ处局部放大图

图3为本发明离轴薄壁非球面光学零件的超精密加工装置的结构示意图；

图4为本发明的楔角工装的结构示意图；

图5为本发明楔角工装Ⅱ处的局部放大图；

图6为本发明铣磨时的结构示意图；

图7为本发明抛光时的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1、2所示，一种离轴薄壁非球面光学零件，该光学零件1的光学面为非球面11，非球面对称光轴与几何中心轴的夹角为非球面的楔角α，且在中心部位设有通孔12。

如图3、4所示，一种离轴薄壁非球面光学零件的超精密加工装置，用来加工离轴薄壁非球面光学零件，包含：楔角工装2，其顶面设有凹槽21，所述的光学零件1安装在凹槽21内；垫片3，其垫入在所述光学零件1的通孔12内；垫圈4，其安装在光学零件外圆壁与楔角工装顶面之间；所述凹槽顶面的楔角β由光学零件非球面的楔角α和光学零件口径计算所得（参见图5），将光学零件非球面垫平，使得非球面11的对称光轴与几何中心轴相重合。

一种利用上述的离轴薄壁非球面光学零件的超精密加工装置的加工方法，该方法包含如下步骤：

步骤1、光学零件1安装在楔角工装2内，光学零件1的底平面与楔角工装2的凹槽顶面相互贴合，并使得光学零件的非球面11垫平，凹槽顶面的楔角精度高于光学零件所需加工出的楔角精度，凹槽顶面的楔角精度2倍于光学零件所需加工出的楔角精度，本实施例中，光学零件所要求的楔角精度为±1’，而采用的楔角工装的楔角精度为30″；

步骤1.1、将光学零件1的底平面作为基准面，清洗干净基准面；

步骤1.2、在凹槽21内侧面点上均匀的胶，保证光学零件1的基准面不进胶，并将光学零件底平面与凹槽顶面相互贴合，垫平光学零件的非球面11，使得非球面11的对称光轴与几何中心线相重合。

步骤2、在光学零件1的通孔12处垫入垫片3；

步骤3、在光学零件外圆壁与楔角工装顶面之间安装垫圈4；

步骤4、采用型号为LOH SPM50-1SL的铣磨机同步铣磨光学零件1、垫片3和垫圈4，铣磨出该光学零件的非球面11；

步骤4.1、铣磨机将在光学零件1、及位于光学零件内的垫片3、光学零件1外圆处的垫圈4同步铣磨，并将光学零件1、垫片3和垫圈4同步初铣磨出非球面11的最接近球面；

步骤4.2、在铣磨机的数控界面上输入一系列非球面的参数，调整好砂轮转速、进给速度、径向进给量等一系列机床参数，通过砂轮5铣磨出光学零件1的非球面11，用泰勒霍普森测量仪测量非球面11的面形，制作修整面形数据档，并反馈给铣磨机铣磨，通过不断铣磨、测量、反馈，控制好零件带工装的中心厚度，最终将光学零件面形精度Rt控制在Rt<2um（参见图6）。

步骤5采用型号为LOH SPS140的抛光机对光学零件1的非球面11、垫片3及外圆处的垫圈4进行抛光；

步骤5.1、在抛光机上输入非球面参数，安装好抛光垫6，设置抛光垫参数、抛光转速、抛光压力、抛光的去除因子等工艺参数，抛光非球面，用泰勒霍普森测量仪测量非球面的面形，制作修整面形数据档，并反馈给抛光机抛光，通过不断抛光、测量、反馈，控制好零件带工装中心厚度，同时将抛光中产生的外圆塌边呈现在外圆垫圈上，很好的保证了抛光后的面型精度，终将离轴薄壁非球面光学零件的面形精度Rt控制在Rt<0.5um，用高度尺可以测量垫片3的厚度，通过控制垫片3的厚度将离轴薄壁非球面光学零件的中心厚度控制在±0.01mm以内（参见图7）；

步骤5.2、抛光机对光学零件进行抛光，将抛光中产生的外圆塌边呈现在外圆垫圈上，保证了抛光后的面型精度。

离轴薄壁非球面光学零件材料以K9玻璃为主，最终表面粗糙度Ra要求控制在Ra<6nm，而表面粗糙度的控制是一个综合型的技术，需要开展以下几方面的研究。通过工艺试验找出抛光时间、抛光转速、抛光压力、抛光液PH值等抛光参数对K9玻璃高速抛光表面粗糙度的影响，选择最适合离轴薄壁非球面光学零件高速抛光的工艺参数。

抛光时间

在抛光工艺中，时间参数决定实际抛光效率。对于光学玻璃表面的抛光加工，旨在去除铣磨过程中产生的损伤和加工变质层，以减小表面粗糙度，获得表面质量较高的工件。实验只考虑抛光时间对K9玻璃表面粗糙度的影响，分别取5块K9玻璃，抛光10 min，20 min，30 min，45 min和60min，试验结果如表1所示。

 

序号	抛光时间(min)	表面粗糙度（nm）	备注
				试验1	10	28
试验2	20	5.8
				试验3	30	5.9
试验4	45	5.9
				试验5	60	5.85

表1

根据实验结果可见，在抛光初始阶段，光学零件与抛光垫6尚处于磨合状态，表面粗糙度Ra为28nm，在抛光20min时表面粗糙度Ra达到了5.8nm，已经符合要求。随着加工的进行，光学零件表面越来越光滑，与抛光垫6两者间的摩擦作用逐渐减小，使得抛光效率逐渐降低。从被抛光学零件表面粗糙度方面可以看出，若抛光时间太短，光学零件表层材料的去除还没能完全改变上一道工序造成的损伤和变质层，表面质量达不到理想状态；抛光20min后表面粗糙度将降至最小值5.8nm，较之抛光前的光学零件表面质量，有很大程度的提高；之后随着抛光时间的延长，表面质量并不会提高，甚至稍有恶化，并将趋向某一稳定值，这是因为长时间抛光时抛光液中化学成分的腐蚀作用将破坏工作表面质量。故为提高资源利用效率，减少浪费，节省时间，对离轴薄壁非球面光学零件非球面的高速抛光时间选20min为宜。

抛光转速

分别取转速为500r/min，600r/min，700r/min，800r/min，900r/min，1000r/min，其他参数均不变，经抛光20 min后，得到不同转速下的离轴薄壁非球面光学零件的表面粗糙度见表2所示。实验结果表明，适当提高抛光盘的转速，光学零件切削效率随之提高，这也和经典的普雷斯顿方程相吻合。但是转速太高，面形变化明显，表面粗糙度有所提高，故对离轴薄壁非球面光学零件非球面的高速抛光转速选800r/min为宜。

 

序号	抛光转速(r/min)	表面粗糙度（nm）	备注
				试验1	500	6.8
试验2	600	6.5
				试验3	700	6.7
试验4	800	5.8
				试验5	900	5.9
试验6	1000	6.1

表2

抛光压力

分别取抛光压力为0.25MPa，0.50MPa，0.75MPa和1MPa，其他参数均不变，经抛光20min后，得到不同压力下的表面粗糙度，如表3所示。实验结果表明：随着抛光压力的增大，光学零件的表面粗糙度将相应地增大，这是因为增大压力将导致抛光垫和工件间的摩擦力增大，即磨粒对光学零件的微切削作用增大，这与传统的游离磨料抛光中普雷斯顿方程基本吻合，故对离轴薄壁非球面光学零件非球面的高速抛光压力选0.25MPa为宜。

 

序号	压力（MPa）	表面粗糙度（nm）	备注
				试验1	0.25	5.8
试验2	0.5	6.73
				试验3	0.75	7.68
试验4	1	7.82

表3

抛光液PH值

改变抛光液的pH值，分别取pH为7，9，10.5，12，其他参数均不变，经抛光20 min后，得到不同pH值下的表面粗糙度如表4所示。实验结果表明，当pH为7时，表面粗糙度最低可以获得高质量的表面，但是抛光效率较低；当pH为9时，抛光效率显著升高；当pH升高到10.5和12时，抛光效率变化不大。这是因为在碱性抛光液的化学作用下，K9玻璃表面将更容易形成一层软化层，继而在抛光垫的机械作用下更容易被去除。故当pH<9时，制约抛光效率的主要环节是化学作用；而当pH>9时，化学作用已经达到饱和，制约抛光效率的主要环节则是机械作用。在效率允许的前提下，对离轴薄壁非球面光学零件高速抛光液的PH值选7为宜。

 

序号	PH值	表面粗糙度（nm）	备注
				试验1	7	5.8
试验2	9	6.2
				试验3	10.5	6.8
试验4	12	7

表4

通过上述工艺试验，选用PH值为7的抛光液、抛光压力0.25MPa、抛光转速800r/min、抛光时间20min，可以获得高质量的表面。

综上所述，本发明一种离轴薄壁非球面光学零件的超精密加工装置及其加工方法，可通用于各种楔角薄壁非球面光学零件的超精密加工。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。 

Claims (7)

1.一种离轴薄壁非球面光学零件的超精密加工装置，用来加工离轴薄壁非球面光学零件，该光学零件（1）的光学面为非球面（11），非球面对称光轴与几何中心轴的夹角为非球面的楔角（α），且在中心部位设有通孔（12），其特征在于，包含：

楔角工装（2），其顶面设有凹槽（21），所述的光学零件（1）设置在凹槽（21）内；

垫片（3），其填充在所述光学零件（1）的通孔（12）内；

垫圈（4），其安装在光学零件外圆壁与楔角工装顶面之间；

所述凹槽顶面的楔角（β）由光学零件非球面的楔角（α）和零件口径计算所得将光学零件的非球面（11）垫平，使得非球面对称光轴与几何中心轴相重合。

2.一种利用如权利要求1所述的离轴薄壁非球面光学零件的超精密加工装置的加工方法，其特征在于，该方法包含如下步骤：

步骤1、光学零件（1）设置在楔角工装（2）内，光学零件（1）的底平面与楔角工装的凹槽顶面相互贴合，并使得光学零件的非球面（11）垫平；

步骤2、在光学零件的通孔（12）处垫入垫片（3）；

步骤3、在光学零件外圆壁与楔角工装顶面之间安装垫圈（4）；

步骤4、铣磨机同步铣磨光学零件（1）、垫片（3）和垫圈（4），铣磨出该光学零件的非球面（11）；

步骤5、抛光机对光学零件（1）的非球面（11）、垫片（3）及外圆处的垫圈（4）进行抛光。

3.如权利要求2所述的离轴薄壁非球面光学零件的超精密加工装置的加工方法，其特征在于，所述的步骤1包含如下子步骤：

步骤1.1、将光学零件（1）的底平面作为基准面，清洗干净基准面；

步骤1.2、在凹槽（21）内侧面点上均匀的胶，并将光学零件底面与凹槽顶面相互贴合，垫平光学零件非球面，使得非球面（11）的对称光轴与几何中心轴相重合。

4.如权利要求3所述的离轴薄壁非球面光学零件的超精密加工装置的加工方法，其特征在于，所述凹槽顶面的楔角精度高于光学零件所需加工出的楔角精度。

5.如权利要求3所述的离轴薄壁非球面光学零件的超精密加工装置的加工方法，其特征在于，所述凹槽顶面的楔角精度2倍于光学零件所需加工出的楔角精度。

6.如权利要求3所述的离轴薄壁非球面光学零件的超精密加工装置及其加工方法，其特征在于，所述的步骤4包含如下子步骤：

步骤4.1、铣磨机将光学零件（1）、位于光学零件内的垫片（3）、光学零件（1）外圆处的垫圈（4）同步铣磨，并将光学零件（1）、垫片（3）、垫圈（4）同步初铣磨出球面；

步骤4.2、铣磨机铣磨出光学零件（1）的非球面（11）及垫片（3）、垫圈（4）的非球面。

7.如权利要求3所述的离轴薄壁非球面光学零件的超精密加工装置及其加工方法，其特征在于，所述的步骤5包含如下子步骤：

步骤5.1、抛光机对光学零件的非球面（11）、垫片（3）和垫圈（4）进行抛光，通过测量垫片（3）的厚度，控制中心部位通孔（12）的厚度；

步骤5.2、抛光机对光学零件进行抛光，将抛光中产生的外圆塌边呈现在外圆垫圈上，保证了抛光后的面型精度。

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