CN105467480B - 一种高精度CVD ZnSe透镜非球面加工方法 - Google Patents

一种高精度CVD ZnSe透镜非球面加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于单点金刚石超精密切削技术领域，主要涉及一种高精度CVD ZnSe透镜的单点金刚石车削加工方法，目的是提供一种能够保证CVD ZnSe透镜非球面面形精度、表面疵病及中心偏等技术指标的加工方法，其主要特征是：采用单点金刚石车削机床及金刚石圆弧刀对CVD ZnSe透镜进行超精密车削加工，该工艺方法加工流程主要包括：下料、磨外圆、粗磨、加工工装、粗车、半精车、精车。本发明优点是将磨外圆工序放在首道工序，通过精加工毛坯外圆、粗磨技术指标控制及精密车削加工工装保证透镜中心偏差技术指标；同时，将单点金刚石车削工步分为半精车和精车，有效的减小粗车毛坯材料时产生的损伤层，保证了表面疵病及面形技术指标。

Description

一种高精度CVD ZnSe透镜非球面加工方法
技术领域
本发明属于单点金刚石车削技术领域，涉及一种高精度CVD ZnSe透镜非球面加工方法。
背景技术
中国专利公开号CN 1785560 A，公开日是2006年6月14日，名称为“硒化锌和硫化锌非球面光学元件的加工方法”中公开了一种非球面光学元件的加工技术，主要用于硒化锌和硫化锌非球面元件的加工。该工艺方法虽然能够达到批量生产的目的，但其不足之处是：没有磨边工序，中心偏差指标没有进行工艺控制；元件半精加工切深及进给量较大，后续精车时损伤层很难消除，车削透镜表面无法达到高等级表面疵病指标；元件半精加工与精加工车削参数相差较大，零件面形无法完美复制和重现，很难到到高精度面形指标。随着光学系统要求的提高，高精度非球面红外镜头需求迫切，本文涉及到的加工工艺方法可有效保证高精度CVD ZnSe透镜非球面的制备。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：提供一种能够保证CVD ZnSe透镜表面疵病和面形精度的非球面加工方法，采用单点金刚石车削机床，通过具有一定轮廓度的天然金刚石圆弧刀对CVDZnSe透镜进行超精密车削加工。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种高精度CVD ZnSe透镜非球面加工方法，其包括以下步骤：
第一步：下料；
第二步：磨外圆；
第三步：粗磨；
第四步：精修工装；
第五步：粗车；
第六步：半精车；
第七步：精车；
第八步：检测面形；
第九步：反馈精修。
其中，所述第一步中，用内圆切割机对CVD ZnSe材料切割下料，得到ZnSe透镜毛坯，毛坯外圆留有0.5～3mm余量；中心厚留有0.5～4mm余量。
其中，所述第二步中，用磨边机将外圆磨削至完工尺寸，外圆圆度不大于1μm。
其中，所述第三步中，依据设计图纸中的非球面方程，计算非球面边缘矢高，采用三点画圆法得出非球面的最佳拟合半径，按照该半径对上步得到的CVD ZnSe透镜毛坯进行粗磨或铣磨开球面，得到透镜粗磨毛坯；以外圆为基准测量粗磨毛坯的边缘厚度差、凸面对端面跳动量在0.01～0.08mm之内。
其中，所述第四步中，采用单点金刚石车削机床，以天然金刚石刀具对工装各个定位面进行超精密加工，粗磨毛坯的外圆与工装配合精度应小于0.01mm。
其中，所述第五步中，采用单点金刚石车削机床，以天然金刚石刀具对粗磨毛坯进行粗加工，快速去除余量，粗成形非球面；车削工艺参数：主轴转速1000～4000r/min，切深0.1～0.6mm/次，进给量5～20mm/min。
其中，所述第六步中，对粗车毛坯进行半精加工，消除刀差并去除粗车产生的损伤层，精加工非球面；车削工艺参数：主轴转速1000～4000r/min，切深0.004～0.1mm/次，进给量3～8mm/min。
其中，所述第七步中，对CVD ZnSe透镜进行超精密车削加工，车削工艺参数：主轴转速1000～4000r/min，切深0.001～0.05mm/次，进给量1～5mm/min。
其中，所述第八步中，用接触式轮廓仪依据非球面方程进行面形精度的工序检测，若面形合格，则为最终产品。
其中，所述第九步中，若检测面形工步不能达到面形精度要求，根据检测结果再次精密车削加工非球面，直到面形指标符合技术要求。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的高精度CVD ZnSe透镜非球面加工方法，具有以下优点：
(1)磨外圆工序放在首道工序，单点金刚石车削机床加工光学面之后没有设置定心磨边工序，加工不存在因定心磨边划伤光学元件表面问题。同时，中心偏差技术指标通过精加工外圆、粗磨技术指标控制及精密车削加工工装得到了有效控制，精度优于30"。
(2)将单点金刚石车削工步分为半精车和精车，有效的减小了粗车毛坯材料时产生的损伤层，表面疵病达III级，表面粗糙度达3nm，非球面面形轮廓误差PV<0.15μm，制备出了高精度CVD ZnSe透镜。
附图说明
图1是本发明的一种高精度CVD ZnSe透镜非球面加工工艺流程示意图。
图2是本发明使用的真空吸附弹性工装。
图3是本发明的高次非球面光学元件加工实施例图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
按照本发明方法，针对高次非球面CVD ZnSe透镜，采用单点金刚石车削机床及天然金刚石圆弧刀对其进行超精密车削加工。下面结合附图和实施例对本发明涉及到的一种高精度CVD ZnSe透镜非球面车削加工方法进行描述，其加工工艺流程见图1。
第一步：下料；
第二步：磨外圆；
第三步：粗磨；
第四步：精修工装；
第五步：粗车；
第六步：半精车；
第七步：精车；
第八步：检测面形；
第九步：反馈精修；
1.如上所述的下料工步，用内圆切割机对CVD ZnSe材料切割下料，得到ZnSe透镜毛坯，毛坯外圆留有0.5～3mm余量；中心厚留有0.5～4mm余量。
2.如上所述的磨外圆工步，用磨边机将外圆磨削至完工尺寸，外圆圆度不大于1μm。
3.如上所述的粗磨工步，依据设计图纸中的非球面方程，计算非球面边缘矢高，采用三点画圆法(一个中心点和两个边缘点)得出非球面的最佳拟合半径，按照该半径对上步得到的CVD ZnSe透镜毛坯进行粗磨或铣磨开球面，得到透镜粗磨毛坯；以外圆为基准测量粗磨毛坯的边缘厚度差、凸面对端面跳动量在0.01～0.08mm之内。
4.如上所述的加工工装工步，采用单点金刚石车削机床，以天然金刚石刀具对工装各个定位面进行超精密加工，粗磨毛坯的外圆与工装配合精度应小于0.01mm。
5.如上所述的粗车工步，采用单点金刚石车削机床，以天然金刚石刀具对粗磨毛坯进行粗加工，快速去除余量，粗成形非球面。车削工艺参数：主轴转速1000～4000r/min，切深0.1～0.6mm/次，进给量5～20mm/min。
6.如上所述的半精车工步，对粗车毛坯进行半精加工，消除刀差并去除粗车产生的损伤层，精加工非球面。车削工艺参数：主轴转速1000～4000r/min，切深0.004～0.1mm/次，进给量3～8mm/min。
7.如上所述的精车工步，对CVD ZnSe透镜进行超精密车削加工，得到具有一定精度和表面疵病的透镜。车削工艺参数：主轴转速1000～4000r/min，切深0.001～0.05mm/次，进给量1～5mm/min。
8.如上所述的检测面形工步，用接触式轮廓仪依据非球面方程进行面形精度的工序检测，若面形合格，则为最终产品。
9.如上所述反馈精修工步，若检测面形工步不能达到面形精度要求，根据检测结果反馈编程，按照反馈程序再次精密车削加工非球面，直到面形指标符合技术要求。
参照图2，本实施例采用的吸附式弹性工装结构由基体A和夹紧套B组成。C为透镜加工定位面，D为被吸附面。
下面以一个具体的实例来进一步详细说明本发明的技术方案。
加工一种10次CVD ZnSe弯月透镜双面非球面透镜，见图3。材料：CVD ZnSe，直径凹面非球面有效口径φ2＝12.59mm，中心厚δ1＝7±0.05mm，凹面矢高δ2＝1.58±0.05mm，凹面非球面顶点半径R0凹＝13.186mm，凸面非球面顶点半径R0凸＝21.202mm，表面疵病B＝III，PV<0.2μm，中心偏差：30"。
非球面标准方程：其中h2＝x2+y2。凹面非球面系数为：K＝0，c0＝1/R0＝0.075838，A＝-4.214502e-5，B＝-1.909031e-7，C＝4.114492e-8，D＝-5.245395e-10；凸面非球面系数为：K＝0，c0＝1/R0＝0.047165，A＝-8.925403e-6，B＝1.180359e-8，C＝3.945535e-9，D＝-3.009222e-11。
第一步：下料；
用内圆切割机对CVD ZnSe材料切割下料，得到ZnSe透镜毛坯，毛坯外圆直径Ф＝18mm，中心厚度δ＝10mm。
第二步：磨外圆；
用磨边机将外圆磨削至外圆圆度不大于1μm。
第三步：粗磨；
根据非球面标准方程的参数，计算凸面非球面边缘矢高为1.647369342mm，凹面非球面矢高为1.571789733mm，采用三点画圆法计算出最佳拟合半径SR，SR凸＝21.232mm，SR凹＝12.985mm。根据非球面最佳拟合半径铣磨球面，中心厚度7.5±0.05mm；凹面矢高：1.58±0.05mm；边缘厚度差、凸面对端面跳动量及凸面对外圆跳动量均优于0.05mm。
第四步：精修工装；
通过金刚石圆弧半径为0.2mm的天然金刚石刀具依次对真空吸附弹性工装定位面D和C进行超精密车削加工(见图2)，其中定位面C和透镜外圆的配合精度小于0.01mm。
第五步：粗车；
将粗磨毛坯与真空吸附弹性工装装配并吸附在单点金刚石车削机床上，通过天然金刚石刀具依次对粗磨毛坯凹面和凸面进行粗加工非球面，快速去除余量。中心厚：7.08±0.05mm，凹面矢高：1.58±0.05mm。车削工艺参数：主轴转速2000r/min，切深0.3mm/次，进给量15mm/min。
第六步：半精车；
采用天然金刚石刀具依次对粗车毛坯凹面和凸面进行切削加工，消除刀差并去除粗车产生的损伤层，半精车削加工后直接进行下步精加工面型。车削工艺参数：主轴转速2500r/min，切深0.008mm/次，进给量6mm/min。
第七步：精车；
采用天然金刚石刀具对透镜进行超精密切削精加工，精车非球面，中心厚：7±0.05mm，凹面矢高：1.58±0.05mm。车削工艺参数：主轴转速2500r/min，切深0.004mm/次，进给量3mm/min。
第八步：检测面形；
采用接触式超精密轮廓仪按照非球面方程进行面形检测，若符合技术要求即为成品；若不符合要求，则进行下步反馈精修。
第九步：反馈精修；
按照上述非球面面形检测结果，对加工程序进行反馈编程，按照反馈程序从第七步精密车削加工非球面。
上述实施例中，采用本发明的一种高精度CVD ZnSe透镜非球面加工方法，它是通过以下几点达到高精度指标的：
1、通过第二步：磨外圆，其圆度不大于1μm，提高了中心偏技术指标。
2、通过第三步：粗磨，其边缘厚度差、凸面对端面跳动量均优于0.05mm，提高了中心偏技术指标。
3、通过第四步：精修工装，透镜和工装配合精度小于0.01mm，保证了中心偏技术指标。
4、通过第五、六、七步，增加了半精车工步，有效的减小了粗车毛坯材料时产生的损伤层，精修面形，提高了面形精度和表面疵病及粗糙度质量。
按照上述一种高精度CVD ZnSe透镜非球面加工方法，实施例加工的透镜其中心偏指标达30"，表面疵病达III级，表面粗糙度达3nm，非球面面型轮廓误差PV<0.15μm，制备出了高精度CVDZnSe透镜。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高精度CVD ZnSe透镜非球面加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：下料；
第二步：磨外圆；
第三步：粗磨；
第四步：精修工装；
第五步：粗车；
第六步：半精车；
第七步：精车；
第八步：检测面形；
第九步：反馈精修；
所述第一步中，用内圆切割机对CVD ZnSe材料切割下料，得到ZnSe透镜毛坯，毛坯外圆留有0.5～3mm余量；中心厚留有0.5～4mm余量；
所述第二步中，用磨边机将外圆磨削至完工尺寸，外圆圆度不大于1μm。
2.如权利要求1所述的高精度CVD ZnSe透镜非球面加工方法，其特征在于，所述第三步中，依据设计图纸中的非球面方程，计算非球面边缘矢高，采用三点画圆法得出非球面的最佳拟合半径，按照该半径对上步得到的CVD ZnSe透镜毛坯进行粗磨或铣磨开球面，得到透镜粗磨毛坯；以外圆为基准测量粗磨毛坯的边缘厚度差、凸面对端面跳动量在0.01～0.08mm之内。
3.如权利要求1所述的高精度CVD ZnSe透镜非球面加工方法，其特征在于，所述第四步中，采用单点金刚石车削机床，以天然金刚石刀具对工装各个定位面进行超精密加工，粗磨毛坯的外圆与工装配合精度应小于0.01mm。
4.如权利要求3所述的高精度CVD ZnSe透镜非球面加工方法，其特征在于，所述第五步中，采用单点金刚石车削机床，以天然金刚石刀具对粗磨毛坯进行粗加工，快速去除余量，粗成形非球面；车削工艺参数：主轴转速1000～4000r/min，切深0.1～0.6mm/次，进给量5～20mm/min。
5.如权利要求4所述的高精度CVD ZnSe透镜非球面加工方法，其特征在于，所述第六步中，对粗车毛坯进行半精加工，消除刀差并去除粗车产生的损伤层，精加工非球面；车削工艺参数：主轴转速1000～4000r/min，切深0.004～0.1mm/次，进给量3～8mm/min。
6.如权利要求5所述的高精度CVD ZnSe透镜非球面加工方法，其特征在于，所述第七步中，对CVD ZnSe透镜进行超精密车削加工，车削工艺参数：主轴转速1000～4000r/min，切深0.001～0.05mm/次，进给量1～5mm/min。
7.如权利要求1所述的高精度CVD ZnSe透镜非球面加工方法，其特征在于，所述第八步中，用接触式轮廓仪依据非球面方程进行面形精度的工序检测，若面形合格，则为最终产品。
8.如权利要求1所述的高精度CVD ZnSe透镜非球面加工方法，其特征在于，所述第九步中，若检测面形工步不能达到面形精度要求，根据检测结果再次精密车削加工非球面，直到面形指标符合技术要求。
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