CN112222954B - 一种带平台非球凸面硅透镜的加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种带平台非球凸面硅透镜加工方法，用以解决现有技术中中非球凸面装配平台不易加工的问题。所述加工方法包括：S1，将硅透镜毛坯料的非加工面及外圆固定，将加工面粗磨形成球面，在中心厚度方向预留第一加工余量；S3，利用点接触的方式，将加工面的球面加工成所需要的非球面形状，并加工出平台，在中心厚度方向预留第三加工余量；S5，利用单点金刚石车削或超精密点接触磨削的方式，逐层去掉第三加工余量，将加工面加工成带平台的非球凸面，达到加工尺寸，达到光学指标要求。本发明将面(线)接触和点接触超精加工相结合，制备出精密的带平台非球凸面硅透镜，实现了非球凸面硅透镜的制备，使其顺利完成非球凸面硅透镜在应用中的装配。
Description
技术领域
本发明属于光学超精密加工领域，具体涉及一种带平台非凸球面硅透镜的加工方法。
背景技术
光学系统中应用非球面可以起到优化成像质量、简化系统结构的作用，并且随着光学设计和光学零件制造技术的不断进步，非球面在光学系统中的应用越来越广泛。
现有技术中，考虑到加工工艺性，多将非球面透镜的凹面设计成平台形式，而凸面很少设计成平台形式，带平台凸非球面透镜的加工也鲜见报道。现有非球面的加工，首先应用铣磨或者研磨的方式加工出最佳拟合球面，再加工非球面。但是，按照一般非球面先加工最佳拟合球面再加工非球面的工艺路线，应用现有范成法线接触铣磨或利用磨盘面接触形式粗磨成形最佳拟合球面加工带平台凸非球面最佳拟合球面过程中，砂轮或者磨盘将与平台发生干涉；在进行光学表面加工时，硅材料非球面采用面接触加工时，在平台与凸面连接处也将发生干涉，很难完成带平台的双凸非球面透镜的加工。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明旨在提供一种带平台非球凸面硅透镜的加工方法，将面接触和点接触相结合，经过球面加工、带平台的凸面加工和超精细加工，制备出精密的带平台非球凸面硅透镜，实现了非球凸面硅透镜的制备，也可顺利完成非球凸面硅透镜在应用中的装配。
为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：
一种带平台非球凸面硅透镜加工方法，所述加工方法包括如下步骤：
步骤S1，将硅透镜毛坯料的非加工面及外圆固定，将加工面粗磨形成球面，在中心厚度方向预留第一加工余量；
步骤S3，利用点接触的方式，将加工面的球面加工成所需要的非球面形状，并加工出平台，在中心厚度方向预留第三加工余量；
步骤S5，利用单点金刚石车削或超精密点接触磨削的方式，逐层去掉第三加工余量，将加工面加工成带平台的非球凸面，达到加工尺寸，所述非球凸面、平台及相接处达到预设光学指标要求。
上述方案中，所述带平台非球凸面硅透镜为单面或双面；当所述硅透镜为双凸非球面时，加工过程中，步骤S1后将硅透镜翻面，重复步骤S1；步骤S3后将硅透镜翻面，重复步骤S3；步骤S5后将硅透镜翻面，重复步骤S5。
上述方案中，球面半径为第一面平台两个边缘点以及非球凸面中心顶点三点确定的圆弧的半径。
上述方案中，所述粗磨形成球面，采用杯形砂轮线接触范成法铣磨或者磨盘面接触粗磨的方式进行加工。
上述方案中，所述步骤S3中，点接触加工方式采用直角杯形轮铣磨成形或者单点金刚石车削粗车成形方式。
上述方案中，第一加工余量取值为0.5mm-0.8mm；第三加工余量取值为0.1mm-0.3mm。
上述方案中，所述步骤S5中，采用单点金刚石刀具，直接车削出加工面所需要形状及精度，中心厚度直接打到指标要求尺寸；或采用超精密机床利用超精密磨削出加工面带平台的非球凸面。
上述方案中，所述加工方法，还包括：
步骤S7，清洗，完成后转下道工序。
本发明具有如下有益效果：
本发明实施例带平台非球凸面硅透镜的加工方法，将面(线)接触和点接触相结合，改变了原有的通过加工最佳拟合球面后加工非球面的加工方式，经过球面加工、带平台的凸面加工和超精细加工，制备出精密的带平台非球凸面硅透镜，实现了带平台非球凸面硅透镜的制备，完成了非球凸面硅透镜在应用中的装配。该方法中球面半径选择了待加工零件外圆边缘和中心点的方式，使得后续带平台凸非球面加工时的余量最小，有利于提高加工效率，同时解决了面(线)加工球面时与平台干涉的问题。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明第一实施方式提供的带平台双凸非球面硅透镜示意图；
图2为本发明第一实施方式提供的带平台双凸非球面硅透镜加工方法流程图；
图3为本发明第一实施方式中加工形貌和余量示意图；
图4为本发明第二实施方式提供的带平台单面非球凸面硅透镜示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1为本发明第一实施方式涉及的带平台双凸非球面硅透镜形状示意图。如图1所示，本发明针对硅材料透镜的硬度高、加工过程中易出现微裂纹等特性，提出了一种加工带平台双凸非球面形的方法。通过超精密加工，不仅实现双凸非球面透镜的高抛光度、高透明度及高精度，而且实现对平台的加工，便于凸非球面透镜的装配。
本发明实施方式采用线性接触或者面接触的方式粗成形球面，之后采用点接触方式铣磨成形非球面和平台，最后采用点接触的方式完成非球面表面光学表面和平台表面的最终加工，实现带平台凸非球面硅透镜快捷高质量的制造。图2示出了本发明实施方式带平台双凸非球面硅透镜的加工方法流程图，图3示出了本流程中加工形貌和余量示意图。如图2和图3所示，具体地，所述加工方法包括如下步骤：
步骤S1，将硅透镜的毛坯料第二面及外圆固定，将第一面粗磨形成球面，在中心厚度方向预留第一加工余量d11。
本步骤中，所述粗磨形成球面，采用杯形砂轮线接触范成法铣磨或者磨盘面接触粗磨的方式进行加工。面接触的方式为选用粗磨盘研磨加工或者采用金刚石砂轮铣磨加工完成。采用粗磨盘加工时，所采用的金刚石粒度不得超过240#金刚砂，采用金刚石砂轮铣磨加工时，砂轮的粒度不大于D70。其中，球面半径为第一面平台边缘点A1、C1以及非球凸面中心顶点B1三点确定的圆弧的半径。
优选地，所述d11取值为0.5mm-0.8mm。
步骤S2，将硅透镜的毛坯料第一面球面及外圆固定，将第二面粗磨形成球面，在中心厚度方向预留第二加工余量d21。
本步骤中，所述粗磨形成球面，采用杯形砂轮线接触范成法铣磨或者磨盘面接触粗磨的方式进行加工，可与第一面加工方式相同，也可不同。其中，球面半径为第二面平台边缘点A2、C2以及凸面中心顶点B2三点确定的圆弧的半径。
步骤S3，利用点接触的方式，将第二面球面加工成所需要的非球面形状，并加工出平台，在中心厚度方向预留第三加工余量d22。
本步骤中，所述点接触加工方式采用直角杯形轮铣磨成形或者单点金刚石车削粗车成形方式。优选地，采用直角形式的金刚石杯轮编程加工，以直角点直接铣磨成形第二面轮廓，为了保证后续加工质量，此次杯轮粒度不大于D46。
优选地，d22取值为0.1mm-0.3mm。
步骤S4，将硅透镜的毛坯料第二面非球面及外圆固定，利用点接触的方式，将第一面球面加工成所需要的非球面形状，并加工出平台，在中心厚度方向预留第四加工余量d12。
本步骤中，所述点接触加工方式采用直角杯形轮铣磨成形或者单点金刚石车削粗车成形方式。
优选地，d22取值为0.1mm-0.3mm。
步骤S5，利用单点金刚石车削或超精密点接触磨削的方式，逐层去掉第四加工余量，将第一面加工成带平台的非球凸面，达到加工尺寸，所述非球凸面、平台及相接处达到光学指标要求。
本步骤中，采用单点金刚石车床加工，采用单点金刚石刀具，直接车削出第一面所需要形状及精度，中心厚度直接打到指标要求尺寸；或采用超精密机床利用超精密磨削出第一面带平台的非球凸面。
步骤S6，在外圆固定的前提下翻面，利用单点金刚石车削或超精密点接触磨削的方式，逐层去掉第四加工余量，将第二面加工成带平台的非球凸面，达到加工尺寸，所述非球凸面、平台及相接处达到光学指标要求。
优选地，本实施方式中的带平台双凸非球面硅透镜加工方法，还包括：
步骤S7，清洗，完成后转下道工序。
本实施方式中，所述步骤S1和步骤S2，可以在固定外圆的基础上，仅进行翻面，进行第一面和第二面的调整；步骤S3和步骤S4，也可以在固定外圆的基础上，进行翻面。从而在一次装夹下，仅仅通过翻面，完成两道工序。
图4示出了本发明第二实施方式的带平台非球凸面硅透镜外形示意图。如图4所示，单面的带平台非球凸面硅透镜与第一实施方式的双凸非球面硅透镜相比，仅仅在于单双面的区别。本实施方式对带平台单面非球凸面硅透镜的加工方法，基本流程与第一实施方式基本相同，不同仅在于不需要翻面，省去了步骤S2、S4和S6。
由以上技术方案可以看出，本实施方式中的带平台非球凸面硅透镜的加工方法，通过粗、精成形和超精密加工等工序，以面接触和点接触相结合的方式，兼顾了带平台非球凸面硅透镜的超精密加工的效率和加工精度，有效解决了带平台非球凸面硅透镜的超精密加工的难题。通过粗成形去除较大余量，点接触成形方式去除球面到非球面转化的余量，兼顾了加工效率与加工精度，为后续超精密加工奠定了基础，是一种快捷有效的非球凸面硅透镜的加工方法。
本发明不局限于上述实例中所描述的加工方方式、机床和工具，也不局限于带平台双面或单面非球凸面透镜，只要任意一面为带平台凸光学表面的透镜或者反射镜均在本发明的保护范围之内。
以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (7)
1.一种带平台非球凸面硅透镜加工方法，其特征在于，所述加工方法包括如下步骤：
步骤S1，将硅透镜毛坯料的非加工面及外圆固定，将加工面粗磨形成球面，在中心厚度方向预留第一加工余量；球面半径为第一面平台两个边缘点以及非球凸面中心顶点三点确定的圆弧的半径；
步骤S3，利用点接触的方式，将加工面的球面加工成所需要的非球面形状，并加工出平台，在中心厚度方向预留第三加工余量；
步骤S5，利用单点金刚石车削或超精密点接触磨削的方式，逐层去掉第三加工余量，避免面加工或线加工球面时与平台间的干涉，将加工面加工成带平台的非球凸面，达到加工尺寸，所述非球凸面、平台及相接处达到预设光学指标要求。
2.根据权利要求1所述的带平台非球凸面硅透镜加工方法，其特征在于，所述带平台非球凸面硅透镜为单面或双面；当所述硅透镜为双凸非球面时，加工过程中，步骤S1后将硅透镜翻面，重复步骤S1；步骤S3后将硅透镜翻面，重复步骤S3；步骤S5后将硅透镜翻面，重复步骤S5。
3.根据权利要求1或2所述的带平台非球凸面硅透镜加工方法，其特征在于，所述粗磨形成球面，采用杯形砂轮线接触范成法铣磨或者磨盘面接触粗磨的方式进行加工。
4.根据权利要求1或2所述的带平台非球凸面硅透镜加工方法，其特征在于，所述步骤S3中，点接触加工方式采用直角杯形轮铣磨成形或者单点金刚石车削粗车成形方式。
5.根据权利要求1或2所述的带平台非球凸面硅透镜加工方法，其特征在于，第一加工余量取值为0.5mm-0.8mm；第三加工余量取值为0.1mm-0.3mm。
6.根据权利要求1或2所述的带平台非球凸面硅透镜加工方法，其特征在于，所述步骤S5中，采用单点金刚石刀具，直接车削出加工面所需要形状及精度，中心厚度直接达到指标要求尺寸；或采用超精密机床利用超精密磨削出加工面带平台的非球凸面。
7.根据权利要求1或2所述的带平台非球凸面硅透镜加工方法，其特征在于，所述加工方法，还包括：
步骤S7，清洗，完成后转下道工序。
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