CN112496876A - 一种硅透镜非球面的超精密车削加工方法 - Google Patents

一种硅透镜非球面的超精密车削加工方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112496876A
CN112496876A CN202011410049.6A CN202011410049A CN112496876A CN 112496876 A CN112496876 A CN 112496876A CN 202011410049 A CN202011410049 A CN 202011410049A CN 112496876 A CN112496876 A CN 112496876A
Authority
CN
China
Prior art keywords
turning
ultra
lens
silicon
silicon lens
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202011410049.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112496876B (zh
Inventor
杨坤
王朋
李伟皓
蒙建雄
刘洋
李宁
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianjin Jinhang Institute of Technical Physics
Original Assignee
Tianjin Jinhang Institute of Technical Physics
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin Jinhang Institute of Technical Physics filed Critical Tianjin Jinhang Institute of Technical Physics
Priority to CN202011410049.6A priority Critical patent/CN112496876B/zh
Publication of CN112496876A publication Critical patent/CN112496876A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112496876B publication Critical patent/CN112496876B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B1/00—Processes of grinding or polishing; Use of auxiliary equipment in connection with such processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B13/00—Machines or devices designed for grinding or polishing optical surfaces on lenses or surfaces of similar shape on other work; Accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28D—WORKING STONE OR STONE-LIKE MATERIALS
    • B28D1/00—Working stone or stone-like materials, e.g. brick, concrete or glass, not provided for elsewhere; Machines, devices, tools therefor
    • B28D1/16—Working stone or stone-like materials, e.g. brick, concrete or glass, not provided for elsewhere; Machines, devices, tools therefor by turning

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Grinding And Polishing Of Tertiary Curved Surfaces And Surfaces With Complex Shapes (AREA)

Abstract

本发明属于单点金刚石超精密车削技术领域，涉及一种硅透镜非球面的超精密车削加工方法，流程包括：下料、粗磨、精磨抛光、定心磨边、车削辅助件和车削非球面。本发明采用古典法对硅透镜的球面和拟合球面进行加工，此时可保证球面面形精度和表面质量，同时基本消除了拟合球面损伤层；采用光学定心法磨削硅透镜的外圆和端面，以外圆和端面为基准加工非球面，保证中心偏差技术指标；采用车削辅助件方式调整车削面形，避免后续车削硅透镜非球面时面形的反复修整，减小刀具磨损，提高硅透镜非球面面形质量。基于上述加工方法，采用单点金刚石车削硅透镜非球面，在金刚石刀具车削去除量极小的情况下，加工除符合技术要求的硅非球面透镜。

Description

一种硅透镜非球面的超精密车削加工方法
技术领域
本发明属于单点金刚石超精密车削技术领域，主要涉及一种硅透镜非球面的超精密车削加工方法。
背景技术
中国专利号：ZL201510823567.3，授权公告日是2017年08月11日，名称为“一种高精度CVD ZnSe透镜非球面加工方法”中公开了一种非球面透镜的加工技术，主要用于硒化锌材料非球面透镜的加工。该加工方法采用的工艺流程是：下料、磨外圆、粗磨、精修工装、粗车、半精车、精车、检测面型、反馈精修。上述加工工艺方法适用于硬度较小的红外材料(如：锗、硒化锌和硫化锌等)，对于硬度较高的硅材料非球面加工若采用该方法，使用的金刚石圆弧刀具在粗车和半精车时圆弧刃会产生极大的磨损，无法加工出符合技术要的面形精度和表面质量。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：提供一种能够保证硅透镜非球面的表面疵病等级和面形精度的超精密车削工艺方法。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种硅透镜非球面的超精密车削加工方法，采用古典法加工球面和拟合球面，然后采用定心磨边机进行定心，最后在用辅助件调整好车削精度前提下，用CNC超精密金刚石车床及金刚石圆弧刀具对硅透镜非球面进行超精密车削加工，具体包括以下步骤：
第一步：下料；
第二步：粗磨；
第三步：精磨抛光；
第四步：定心磨边；
第五步：精修工装；
第六步：车削辅助件；
第七步：金刚石车削。
如上所述的下料工步，用内圆切割机对硅材料切割下料，得到硅透镜毛坯，毛坯外圆留有0.5～3mm余量；中心厚留有0.5～4mm余量。
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硅透镜毛坯进行粗磨或铣磨开球面，得到透镜粗磨毛坯；粗磨毛坯的边缘厚度差、凸面对端面跳动量以及凸面对外圆跳动量应在0.01～0.08mm之内。
如上所属的精磨抛光工步，采用单轴机或数控铣磨抛光机加工球面和拟合球面，得到透镜精磨抛光毛坯。精磨抛光毛坯的边缘厚度差、凸面对端面跳动量以及凸面对外圆跳动量应在0.001～0.01mm之内，球面面形精度和表面质量符合技术要求，拟合球面表面质量符合技术要求，且对其光圈进行控制。
如上所述的定心磨边工步，球面采用光定心方式用磨边机将外圆和端面(总高)磨削至完工尺寸，外圆圆度不大于1μm。
如上所述的精修工装工步，采用CNC超精密金刚石车床，通过天然金刚石刀具对工装各个定位面进行超精密加工，毛坯的外圆与工装配合精度应小于0.005mm。
如上所属的车削辅助件，采用CNC超精密金刚石车床，车削加工同样规格的铝或锗零件，以面形精度为参考指标，将该指标调整至符合技术要求的精度；
如上所述的金刚石车削工步，采用CNC超精密金刚石车床，以外圆和端面为基准，采用天然金刚石圆弧刀具超精密车削加工非球面。车削工艺参数：主轴转速1000～4000r/min，切深0.004～0.1mm/次，进给量1～5mm/min。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的硅透镜非球面的超精密车削加工方法，具有以下有益效果：
(1)精磨抛光工步将零件边缘厚度差、凸面对端面跳动量以及凸面对外圆跳动量控制在0.001mm～0.01mm之内，且对拟合球面表面疵病等级和光圈进行了控制，消除了破层。在后续金刚石车削过程中，车削去除量在0.001mm～0.005mm之间即可达到表面质量要求，避免了去除破坏层引入的刀具磨损；
(2)定心磨边工序以球面为基准，采用光定心方式磨削外圆和端面，将零件基准转换为球面、外圆和端面，为后续加工非球面提供更为准确的加工基准，提高了完工中心偏差技术指标精度；
(3)车削相同规格的辅助件，提前将面形调整至符合技术要求的精度，避免了车削硅透镜非球面时面形精度的反复修整引入的刀具磨损，提高加工表面质量和面形精度。
附图说明
图1是本发明的一种硅透镜非球面的超精密车削加工工艺流程示意图。
图2是本发明的硅透镜非球面光学元件加工实施例图。
具体实施方式
按照本发明方法，针对非球面硅透镜，采用CNC超精密金刚石车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硅透镜非球面的超精密车削加工方法进行描述，其加工工艺流程见图1。
加工一种10次硅材料弯月透镜，见图2。材料：单晶硅，外圆mm，凹面非球面有效口径mm，中心厚δ1＝5.29±0.02mm，凹面矢高δ2＝1.23±0.1mm，凹面半径R0凹＝11.614mm，凸面非球面顶点半径R0凸＝11.334mm，表面疵病B：IR-V，球面光圈N＝3，局部光圈ΔN＝0.5，非球面PV<0.5μm，中心偏差：30"。
非球面标准方程：
Figure BDA0002815752190000041
其中h2＝x2+y2。凸面非球面系数为：K＝0，c0＝1/R0＝-0.08823，A＝-2.962805e-5，B＝1.966459e-7，C＝-1.657996e-9，D＝-4.708406e-12。
第一步：下料；
用内圆切割机对单晶硅材料切割下料，得到硅透镜毛坯，毛坯外圆＝17.5mm，厚度为8mm。
第二步：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4.2848162mm，采用三点画圆法计算出最佳拟合半径SR，SR凸＝11.094mm。根据非球面最佳拟合半径铣磨球面，中心厚度5.89mm；凹面矢高：1.83mm；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。
第三步：精磨抛光；
采用数控铣磨机磨削球面和拟合球面，砂轮浓度为C35，粒度为D18。采用沥青和抛光液抛光球面和拟合球面，中心厚度：5.32mm，凹面矢高：1.83，球面光圈N＝3，局部光圈ΔN＝0.2，B＝IR-V；非球面拟合球面N＝3，表面疵病等级B＝IR-V；零件边厚差为0.004mm，凸面对端面和外圆跳动量为0.005mm和0.006mm。
第四步：定心磨边；
将零件装卡至磨边机上，以R11.614球面为定心基准磨削外圆和端面，磨削后零件外圆mm，外圆圆度0.5μm，凹面矢高1.23mm，中心偏差5"。
第五步：精修工装；
通过金刚石圆弧半径为0.2mm的天然金刚石刀具对工装定位面进行超精密车削修整，与零件配合精度小于0.005mm。
第六步：车削辅助件；
采用CNC超精密金刚石车床和金刚石刀具车削加工相同规格的铝非球面，调整加工精度后，非球面面形精度PV＝0.15μm；
第七步：金刚石车削；
以凹面端面和外圆为基准，采用天然金刚石刀具对硅透镜非球面进行超精密车削精加工，中心厚：5.31mm(中心厚度去除量为0.01mm)，PV＝0.3μm，表面疵病等级B＝IR-V，中心偏差15″。
上述实施例中，采用本发明的一种硅透镜非球面的超精密车削加工方法，它是通过以下几点达到高精度指标的：
通过第三步：精磨抛光。对零件边厚差、跳动量和拟合球面的光圈和表面疵病等级进行控制，消除了磨削破坏层，降低了非球面车削去除量，减小刀具磨损，为后续非球面车削表面质量和面形精度提供保障。最终，车削非球面时去除0.01mm即可达到表面疵病等级技术要求；
通过第四步：定心磨边。以R11.614球面为定心基准磨削外圆和端面。磨削后，以球面为基准测试时，中心偏差达到了5"。同时，后续非球面车削加工时，以零件外圆和端面为基准车削非球面。以上通过基准转换提高了完工中心偏差加工精度；
通过第六步：车削辅助件。通过加工一个与硅透镜非球面规格相同的铝件来调整加工面形精度，此时刀具几乎无磨损。然后，通过第七步车削加工硅非球面，在第三步和第四步的基础上，非球面车削去除量0.01mm即达到了表面疵病等级和面形精度指标要求。
按照上述一种硅透镜非球面的超精密车削加工方法，实施例加工的透镜，中心偏指标达15"，表面疵病达IR-V级，非球面面型轮廓误差PV＝0.3μm，制备出了高精度硅非球面透镜。
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 (10)

1.一种硅透镜非球面的超精密车削加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：下料；
第二步：粗磨；
第三步：精磨抛光；
第四步：定心磨边；
第五步：精修工装；
第六步：车削辅助件；
第七步：金刚石车削。
2.如权利要求1所述的硅透镜非球面的超精密车削加工方法，其特征在于，所述第一步中，用内圆切割机对硅材料切割下料，得到硅透镜毛坯，毛坯外圆留有0.5～3mm余量；中心厚留有0.5～4mm余量。
3.如权利要求2所述的硅透镜非球面的超精密车削加工方法，其特征在于，所述第二步中，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，按照该半径对第一步得到的硅透镜毛坯进行粗磨或铣磨开球面，得到透镜粗磨毛坯；其中，三点画圆法是采用一个中心点和两个边缘点画圆。
4.如权利要求3所述的硅透镜非球面的超精密车削加工方法，其特征在于，所述第二步中，粗磨毛坯的边缘厚度差、凸面对端面跳动量以及凸面对外圆跳动量在0.01～0.08mm之内。
5.如权利要求4所述的硅透镜非球面的超精密车削加工方法，其特征在于，所述第三步中，采用单轴机或数控铣磨抛光机加工球面和拟合球面，得到透镜精磨抛光毛坯。
6.如权利要求5所述的硅透镜非球面的超精密车削加工方法，其特征在于，所述第三步中，精磨抛光毛坯的边缘厚度差、凸面对端面跳动量以及凸面对外圆跳动量在0.001～0.01mm之内。
7.如权利要求6所述的硅透镜非球面的超精密车削加工方法，其特征在于，所述第四步中，球面采用光定心方式用磨边机将外圆和端面总高磨削至完工尺寸，外圆圆度不大于1μm。
8.如权利要求7所述的硅透镜非球面的超精密车削加工方法，其特征在于，所述第五步中，采用CNC超精密金刚石车床，通过天然金刚石刀具对工装各个定位面进行超精密加工，毛坯的外圆与工装配合精度小于0.005mm。
9.如权利要求8所述的硅透镜非球面的超精密车削加工方法，其特征在于，所述第六步中，采用CNC超精密金刚石车床，车削加工同样规格的铝或锗零件，以面形精度为参考指标，将该指标调整至符合技术要求的精度。
10.如权利要求9所述的硅透镜非球面的超精密车削加工方法，其特征在于，所述第七步中，采用CNC超精密金刚石车床，以外圆和端面为基准，采用天然金刚石圆弧刀具超精密车削加工非球面，车削工艺参数：主轴转速1000～4000r/min，切深0.004～0.1mm/次，进给量1～5mm/min。
CN202011410049.6A 2020-12-04 2020-12-04 一种硅透镜非球面的超精密车削加工方法 Active CN112496876B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011410049.6A CN112496876B (zh) 2020-12-04 2020-12-04 一种硅透镜非球面的超精密车削加工方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011410049.6A CN112496876B (zh) 2020-12-04 2020-12-04 一种硅透镜非球面的超精密车削加工方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112496876A true CN112496876A (zh) 2021-03-16
CN112496876B CN112496876B (zh) 2022-11-18

Family

ID=74971746

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011410049.6A Active CN112496876B (zh) 2020-12-04 2020-12-04 一种硅透镜非球面的超精密车削加工方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112496876B (zh)

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS57173449A (en) * 1981-04-16 1982-10-25 Minolta Camera Co Ltd Method and apparatus for working aspheric surface of lens and the like
US20050260343A1 (en) * 2004-05-20 2005-11-24 Chih-Chiang Han Methods for manufacturing large-scale plastic lenses
CN1785559A (zh) * 2004-12-06 2006-06-14 云南北方光学电子集团有限公司 锗单晶非球面光学元件的加工方法
CN1846937A (zh) * 2005-04-13 2006-10-18 云南北方光学电子集团有限公司 光学玻璃和硅单晶非球面光学元件的加工方法
CN104297821A (zh) * 2013-07-15 2015-01-21 中国航天科工集团第三研究院第八三五八研究所 一种带中心孔的锗玻璃透镜的加工方法
CN105467480A (zh) * 2015-11-23 2016-04-06 天津津航技术物理研究所 一种高精度CVD ZnSe透镜非球面加工方法
CN107470990A (zh) * 2017-09-07 2017-12-15 云南北方驰宏光电有限公司 硫系材料非球面镜片的加工方法
CN109622991A (zh) * 2018-11-11 2019-04-16 上海航天控制技术研究所 一种单晶硅透镜的超精密车削加工方法
CN110039406A (zh) * 2019-05-08 2019-07-23 哈尔滨工业大学 一种单晶硅光学复杂表面的超精密加工工具及加工方法
CN110860859A (zh) * 2019-11-29 2020-03-06 华中科技大学 一种抑制硅材料切削时金刚石刀具磨损的加工方法

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS57173449A (en) * 1981-04-16 1982-10-25 Minolta Camera Co Ltd Method and apparatus for working aspheric surface of lens and the like
US20050260343A1 (en) * 2004-05-20 2005-11-24 Chih-Chiang Han Methods for manufacturing large-scale plastic lenses
CN1785559A (zh) * 2004-12-06 2006-06-14 云南北方光学电子集团有限公司 锗单晶非球面光学元件的加工方法
CN1846937A (zh) * 2005-04-13 2006-10-18 云南北方光学电子集团有限公司 光学玻璃和硅单晶非球面光学元件的加工方法
CN104297821A (zh) * 2013-07-15 2015-01-21 中国航天科工集团第三研究院第八三五八研究所 一种带中心孔的锗玻璃透镜的加工方法
CN105467480A (zh) * 2015-11-23 2016-04-06 天津津航技术物理研究所 一种高精度CVD ZnSe透镜非球面加工方法
CN107470990A (zh) * 2017-09-07 2017-12-15 云南北方驰宏光电有限公司 硫系材料非球面镜片的加工方法
CN109622991A (zh) * 2018-11-11 2019-04-16 上海航天控制技术研究所 一种单晶硅透镜的超精密车削加工方法
CN110039406A (zh) * 2019-05-08 2019-07-23 哈尔滨工业大学 一种单晶硅光学复杂表面的超精密加工工具及加工方法
CN110860859A (zh) * 2019-11-29 2020-03-06 华中科技大学 一种抑制硅材料切削时金刚石刀具磨损的加工方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
马欣 等: "《CVD_ZnSe光学透镜超精密加工工艺优化技术研究》", 《机械设计》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN112496876B (zh) 2022-11-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105467480B (zh) 一种高精度CVD ZnSe透镜非球面加工方法
CN100431790C (zh) 光学玻璃和硅单晶非球面光学元件的加工方法
CN102490103B (zh) 一种弯月透镜及其加工方法
CN109623294B (zh) 一种飞机涡轮叶片的加工方法
CN105834859A (zh) 一种高精度光学透镜冷加工工艺
CN110202478B (zh) 一种圆弧形金刚石砂轮的修整方法
CN104339243A (zh) 磨削机床及在该机床上加工非球面单晶硅透镜的方法
CN102430763B (zh) 一种高纯铝类薄壁零件内球面的精密加工方法
CN105081895A (zh) 硫系玻璃透镜的高精度加工方法
CN100418675C (zh) 锗单晶非球面光学元件的加工方法
CN104297821A (zh) 一种带中心孔的锗玻璃透镜的加工方法
CN109623558B (zh) 一种离轴非球面透镜的精密成型方法
CN112496876B (zh) 一种硅透镜非球面的超精密车削加工方法
CN107457703B (zh) 一种端面全跳动优于2μm的青铜金刚石砂轮盘精密修整方法
Zhu et al. A helical interpolation precision truing and error compensation for arc-shaped diamond grinding wheel
CN109483365B (zh) 一种氟化钙材料阶梯回转非球面透镜加工方法
CN105522172B (zh) 铝合金车轮镜面加工工艺
CN100418676C (zh) 硒化锌和硫化锌非球面光学元件的加工方法
CN114147504B (zh) 镜片固定装置及镜片的超精密车削加工方法
CN115635247A (zh) 一种高精高温合金细长轴加工方法
JP3789672B2 (ja) 研削加工方法
CN204772140U (zh) 一种一体式磨削砂轮
CN202367611U (zh) 一种椭圆环工作面的金刚石砂轮
CN112123597A (zh) 一种小口径高精度光学透镜的加工方法
CN110900319B (zh) 一种光学零件修模的修正方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant