CN107470990A - 硫系材料非球面镜片的加工方法 - Google Patents

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白玉琢
木锐
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张万清
汪兴
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薛经纬
余晨娇
陈梦玲
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Abstract

本发明涉及光学镜片加工设备领域，具体涉及一种硫系材料非球面镜片的加工方法。硫系玻璃非球面镜片主要用于温差较大环境中工作的光学系统，由于硫系玻璃材料软化熔点低，热膨胀系数较大等特性，致使零件加工难度大，合格率低。传统的加工方式依赖于金刚石车床，对设备依赖度高、效率低。本发明提出一种硫系材料非球面镜片的加工方法，采用古典方式进行抛光，并结合车削工艺进行一次成型，从而在保证晶片加工精度的前提下，大幅提高加工效率。

Description

硫系材料非球面镜片的加工方法
技术领域
本发明涉及光学镜片加工设备领域，具体涉及一种硫系材料非球面镜片及其加工方法。
背景技术
硫系玻璃是指以元素周期表VIA族中S，Se，Te为主并引入一定量的其它类金属元素所形成的玻璃。与氧化物玻璃相比，具有较长的透红外截止波长(＞12m)，其透过波段可覆盖3个大气窗口。与传统的红外Ge单晶相比，硫系玻璃具有三点明显优势：(1)折射率温度系数dn/dT小，可作为优良的消热差的红外材料；(2)折射率较低(2.0-3.0)，折射率色散特性在长波段与硒化锌相当，可作为优良的消色散红外材料；(3)对昂贵的稀散Ge资源消耗低。利用其低热差系数的特征，与高热差系统的Ge、Si等材料组合，可实现红外光学系统的温度自适应，实时补偿系统热差。
世界三大硫系玻璃生商之一的德国VITRON公司生产的硫系玻璃有IG2、3、4、5、6五种牌号，其组成(mol％)分别为Ge33As12Se55、Ge30As13Se32Te25、Ge10As40Se60、Ge28Sb12Se60、As40Se60
因此，近年来随着红外探测器价格的下降和红外成像仪在军用及民用领域应用加快，由于硫系玻璃具有优良的透中红外和极佳的消热差性能，正逐步取代单晶锗成为应用于热成像仪镜头的极佳侯选材料，被视为新一代温度自适应红外光学系统核心透镜材料，可广泛应用于军用(夜视枪瞄、红外制导导弹、战机夜视巡航等)和民用(工业在线检测、汽车夜视、安防监控等)红外光学系统中。硫系玻璃具有优良的透中红外和极佳的消热差性能，光热特性稳定，是新一代温度自适应红外光学系统的核心透镜材料，直接导致了其产品的大量需求由于硫系玻璃在军民品市场上的广泛使用，致使硫系玻璃的使用量增加。
硫系玻璃作为优良的消热差的红外材料，硫系玻璃非球面镜片主要用于温差较大环境中工作的光学系统。由于硫系材料的软化熔点低，热膨胀系数较大等特性，致使零件加工难度大，合格率低。目前的加工方式为：先制造出球面/与非球面最为接近的球面，然后依靠金刚石车削工序，最终达到图纸设计要求。在整个加工过程中，最终面形形成均由金刚石车床完成，是这种加工方式的对金刚石车床设备依赖度高、效率低。
发明内容
为解决现有技术中在硫系玻璃加工时存在的问题，本发明采用参数优化后的传统加工方式结合金刚石车削的方式，实现了单非球面镜片的高效加工。
具体而言，本发明提供了一种硫系材料非球面镜片的加工方法。所述非球面镜片一面为球面，称为A面，另一面为非球面，称为B面。所述方法包括以下步骤：
(1)将硫系材料毛料切片并滚圆；
(2)数控铣磨和数控精磨A面球面；
(3)数控铣磨和数控精磨B面非球面；
(4)对晶片进行手工校等厚
(5)对A面进行古典抛光；
(6)对B面进行单点车削。
步骤(2)是将步骤(1)的产品放入数控加工中心内，放置于真空吸附装置中，对A面进行数控铣磨和数控精磨。所述数控铣磨进给F＝0.5mm/min，粗糙水平达到Ra＝3.2；数控精磨进给F＝0.3mm/min，粗糙水平达到Ra＝1.6
步骤(3)是在所述步骤(2)后，对B面的最佳拟合球面进行数控铣磨和数控精磨。所述数控铣磨进给F＝0.5mm/min，粗糙水平达到Ra＝3.2；所述数控精磨进给F＝0.3mm/min，粗糙水平达到Ra＝1.6。
作为优选，铣磨刀具采用金刚石磨轮。金刚石磨轮不同于金刚石车床所用金刚石车刀。金刚石磨轮由若干细小的金刚石颗粒和结合剂混合起来，烧结在金属基体上而成结合剂通常用青铜结合剂。使用金刚石磨轮，能够在保证铣磨精度的前提下，大幅缩短磨制时间，从而提高晶片的生产效率。
所述步骤(5)是将步骤(4)所得晶片粘接在胶模上，使用四轴抛光机对A面进行古典抛光，所述古典抛光是一种历史悠久的光学抛光方法，其抛光模由抛光模层和抛光模基体构成，抛光模层主要材料是抛光柏油。不同于现代技术中常采用的高效抛光和数控抛光(两者抛光模层均为聚氨酯)，古典抛光尽管效率略低但精度却非常高，更加适用于晶片材料的高精度抛光加工。该古典抛光加工采用传统四轴抛光机进行，抛光时间一般为2.5h，修光圈时间可根据操作者个人水平、工房内的温湿度等条件决定。抛光好的零件涂保护漆以保护A面，随后再进行所述步骤(6)。
最后进行的步骤(6)是在单点金刚石车床上进行步骤(5)所得晶片的B面的非球面的车削。车削是一种一次成型工艺，其与抛光工艺不同，车削优势在于能削出非球面的同时面形精度较好。具体而言，车削的加工参数为，转速3000rpm，进给F＝0.1mm/min，厚度24.8±0.03mm。
通过本发明所述方法所加工得到的硫系材料非球面镜片，其典型参数为，镜片的有效口径为53mm/52mm，厚度为24.8±0.03mm，零件的表面光洁度达到B＝V，零件球面表面面形达到N≤3，ΔN≤0.6，零件非球面表面面形达到PV≤0.8μm，RMS≤0.08μm。
本发明的有益效果如下：
1.在硫系玻璃非球面晶片的加工过程中，避免使用金刚石车床，降低了对于加工设备的依赖性。
2.使用金刚石磨轮作为铣磨刀具，能够在保证铣磨精度的前提下，大幅提高磨制效率。
3.采用以柏油为抛光剂的古典抛光工艺，从而保证了晶片的尺寸精度。
4.采用车削一次成型工艺磨制非球面，能够简单快速地获得精度满足需要的非球面形态。
附图说明
图1为本发明典型镜片产品的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1，本发明的硫系材料非球面镜片的加工工艺流程如下。
第一步，将硫系材料的毛料进行切片和滚圆，得到可进行后续加工的零件，其厚度为25.5mm，直径55mm。其中A面为球面，B面为非球面。
第二步，将零件放入数控加工中心内，放置于真空吸附装置中，对球面A面进行铣磨和精磨，数控铣磨进给F＝0.5mm/min，粗糙水平达到Ra＝3.2；数控精磨进给F＝0.3mm/min，粗糙水平达到Ra＝1.6。曲率半径R＝338.1，厚度为25.4mm。
第三步，A面处理完成后，对B面的最佳拟合球面进行进行铣磨和精磨，数控铣磨进给F＝0.5mm/min，粗糙水平达到Ra＝3.2；数控精磨进给F＝0.3mm/min，粗糙水平达到Ra＝1.6，最佳拟合球面半径R＝40.352，厚度为25.2mm。
第四步，对零件进行手工校等厚，控制厚度在25mm。
第五步，将零件粘接在胶模上，使用传统设备对A面进行古典抛光。采用柏油作为抛光剂，将柏油放置在抛光模与零件表面之间，控制底模曲率半径R＝341，柏油层曲率半径R＝338.1，具体加工参数为：转速50rpm，压力约0.1Mpa，在室温22℃下进行。具体采用四轴抛光剂作为抛光设备，抛光时间控制在2.5h。
第六步，待A面抛光好以后，向其上涂抹保护漆后，在单点金刚石车床上进行B面的非球面的车削，具体加工参数为：转速3000rpm，进给F＝0.1mm/min，厚度24.8±0.03mm。
最终得到的产品各项指标如下：A面球面，B面非球面，有效口径53mm/52mm，厚度24.8±0.03mm，零件的表面光洁度达到B＝V，零件球面表面面形达到N≤3，ΔN≤0.6，零件非球面表面面形达到PV≤0.8μm,RMS≤0.08μm，均满足设计要求。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种硫系材料非球面镜片的加工方法，所述非球面镜片一面为球面，称为A面，另一面为非球面，称为B面；其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将硫系材料毛料切片并滚圆；
(2)数控铣磨和数控精磨A面球面；
(3)数控铣磨和数控精磨B面非球面；
(4)对晶片进行手工校等厚
(5)对步骤(4)所得晶片的A面进行古典抛光；
(6)对步骤(5)所得晶片的B面进行单点车削。
2.根据权利要求1所述的一种硫系材料非球面镜片的加工方法，其特征在于，所述步骤(2)是将步骤(1)的产品放入数控加工中心内，放置于真空吸附装置中，对A面进行数控铣磨和数控精磨。
3.根据权利要求2所述的一种硫系材料非球面镜片的加工方法，其特征在于，所述数控铣磨进给F＝0.5mm/min，粗糙水平达到Ra＝3.2；数控精磨进给F＝0.3mm/min，粗糙水平达到Ra＝1.6。
4.根据权利要求1所述的一种硫系材料非球面镜片的加工方法，其特征在于，所述步骤(3)是在所述步骤(2)后，对B面的最佳拟合球面进行数控铣磨和数控精磨。
5.根据权利要求4所述的一种硫系材料非球面镜片的加工方法，其特征在于，所述数控铣磨进给F＝0.5mm/min，粗糙水平达到Ra＝3.2；所述数控精磨进给F＝0.3mm/min，粗糙水平达到Ra＝1.6。
6.根据权利要求1所述的一种硫系材料非球面镜片的加工方法，其特征在于，所述步骤(5)是将步骤(4)所得晶片粘接在胶模上，使用四轴抛光机对其A面进行古典抛光，所述古典抛光以柏油作为抛光剂。
7.根据权利要求1所述的一种硫系材料非球面镜片的加工方法，其特征在于，将所述步骤(5)的A面抛光完成的产品，涂保护漆以保护A面，随后再进行所述步骤(6)。
8.根据权利要求1所述的一种硫系材料非球面镜片的加工方法，其特征在于，所述步骤(6)为在单点金刚石车床上进行步骤(5)所得晶片的B面的非球面的车削，其加工参数为，转速3000rpm，进给F＝0.1mm/min，厚度24.8±0.03mm。
9.一种硫系材料非球面镜片，其特征在于，所述晶片通过权利要求1-8任一项所述方法加工得到。
10.根据权利要求9所述的一种硫系材料非球面镜片，其特征在于，所述镜片的有效口径为53mm/52mm，厚度为24.8±0.03mm，零件的表面光洁度达到B＝V，零件球面表面面形达到N≤3，ΔN≤0.6，零件非球面表面面形达到PV≤0.8μm，RMS≤0.08μm。
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