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非球面零件超精细加工技能

来源:轴承网时间:2018-02-03

1概述
1．1非球面光学零件的效果
非球面光学零件是一种十分重要的光学零件；常用的有抛物面镜、双曲面镜、椭球面镜等.非球面光学零件可以取得球面光学零件无与伦比的杰出的成像质量；在光学体系中可以很好的纠正多种像差；改善成像质量；进步体系辨别能力；它能以一个或几个非球面零件替代多个球面零件；然后简化仪器布局；下降成本并有用的减轻仪器分量.
非球面光学零件在军用和民用光电产物上的运用也很广泛；如在拍摄镜头和取景器、电视摄像管、变焦镜头、电影放影镜头、卫星红外望远镜、录像机镜头、录像和录音光盘读出面、条形码读出面、光纤通信的光纤接头、医疗仪器等中.
1．2国外非球面零件的超精细加工技能的现状
80年代以来；呈现了许多种新的非球面超精细加工技能；首要有：计算机数控单点金刚石车削技能、计算机数控磨削技能、计算机数控离子束成形技能、计算机数控超精细抛光技能和非球面复印技能等；这些加工办法；基本上处理了各种非球面镜加工中所存在的难题.前四种办法运用了数控技能；均具有加工精度较高；功率高级特色；适于批量出产.
进行非球面零件加工时；要思考所加工零件的资料、形状、精度和口径等要素；关于铜、铝等软质资料；可以用单点金刚石切削(SPDT)的办法进行超精加工；关于玻璃或塑料等；当时首要选用先超精细加工其模具；然后再用成形法出产非球面零件；关于其它一些高硬度的脆性资料；当时首要是经过超精细磨削和超精细研磨、抛光等办法进行加工的；别的．还有非球面零件的特种加工技能如离子束抛光等.
国外许多公司己将超精细车削、磨削、研磨以及抛光加工集成为一体；而且研宣布超精细复合加工体系；如Rank Pneumo公司出产的Nanoform300、Nanoform250、 CUPE研发的 Nanocentre、日本的 AHN60D3D、ULP一100A(H)都具有复合加工功用；这样可以便非球面零件的加工愈加灵敏.
1．3我国非球面零件超精细加工技能的现状
我国从80年代初才开端超精细加工技能的研讨；比国外整整落后了20年.这些年；该项作业展开较好的单位有北京机床研讨所、中国航空精细机械研讨所、哈尔滨工业大学、中科院长春光机所运用光学要点试验室等.
为更好的展开对此项超精细加工技能的研讨；国防科工委于1995年在中国航空精细机械研讨所首要建立了国内第一个从事超精细加工技能研讨的要点试验室.
2．非球面零件超精细切削加工技能
美国Union Carbide公司于1972年研发成功了 RDθ办法的非球面创成加工机床.这是一台具有方位反响的双坐标数控车床；可实时改动刀座导轨的转角θ和半径 R；完成非球面的镜面加工.加工直径达φ380mm；加工工件的形状精度为±O．63μm；外表粗糙度为 Ra0。025μm.
摩尔公司于1980年首要开宣布了用3个坐标操控的MD18AG非球面加工机床；这种机床可加工直径356mm的各种非球面的金属反射镜.
英国 Rank Pneumo公司于1980年向商场推出了运用激光反响操控的两轴联动加工机床(MSGD325)；该机床可加工直径为350mm的非球面金属反射镜；加工工件形状精度达 0．25-0．5μm；外表粗糙度 Ra在0．01-O．025μm之间.随后又推出了 ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等机床；该公司又在上述机床的基础上；于1990年开宣布 Nanoform600；该机床能加工直径为600mm的非球面反射镜；加工工件的形状精度优于0．1μm；外表粗糙度优于0．01μm.
代表当今员高水平的超精细金刚石车床是美国劳伦斯．利弗莫尔(LLNL)试验室于1984年研发成功的 LODTM；它可加工直径达2100mm；重达4500kg的工件其加工精度可达0．25μm；外表粗糙度RaO．0076μm；该机床可加工平面、球面及非球面；首要用于加工激光核聚变工程所需的零件、红外线设备用的零件和大型天体反射镜等.
英国 Cranfield大学精细工程研讨所(CUPE)研发的大型超精细金刚右镜面切削机床；可以加工大型 X射线天体望远镜用的非球面反射镜(最大直径可达1400mm；最大长度为600mm的圆锥镜).该研讨所还研发成功了可以加工用于 X射线望远镜内侧反转抛物面和外侧反转双曲面反射镜的金刚石切削机床.
日本开发的超精细加工机床首要是用于加工民用产物所需的透镜和反射镜；当时日本制作的加工机床有：东芝机械研发的 ULGDl00A(H)不贰越公司的 ASPDL15、丰田工机的 AHN10、 AHN30×25、 AHN60D3D非球面加工机床等.
3．非球面零件超精细磨削加工技能
3．1非球面零件超精磨削设备
英国 Rank Pneumo公司1988年开发了改善型的 ASG2500、 ASG2500T、Nanoform300机床；这些机床不只可以进切削加工；而且也可以用金刚石砂轮进行磨削；能加工直径为300mm的非球面金属反射镜；加工工件的形状精度为0．3-O．16μm；外表粗糙度达Ra0．01μm.比来又推出 Nanoform250超精细加工体系；该体系是一个两轴超精细 CNC机床；在该机床上既能进行超精细车削又能进行超扬密磨削．还能进行超精细抛光.最杰出的特色是可以直接磨削出能到达光学体系需求的具有光学外表质量和面型精度的硬脆资料光学零件.该机床选用了许多领先的 Nanoform600、Optoform50描绘思维；机床最大加工工件直径达250mm；它经过一个升高设备使机床的最大加工工件直径到达450mm；别的经过操控笔直方向的液体静压导轨(Y轴)还能磨削非轴对称零件；机床数控体系的分辨率达 O．001μm；方位反响元件选用了分辨率为8．6nm的光栅或分辨率为1．25nm的激光干涉仪；加工工件的面型精度达0。25μm；外表粗糙度优于 Ra0．01μm.
Nanocentre250、 Nanocentre600是一种三轴超精细 CNC非球面范成设备；它可以满意单点和延性磨削两个方面的运用需求；经过合理化机床布局描绘、运用高刚度伺服驱动体系和液体静压轴承使机床具有较高的闭环刚度； x和 Z轴的分辨率为1．25nm；这个机床被认为是契合现代工艺标准的. CUPE出产的 Nanocentre非球面光学零件加工机床；加工直径达600mm．面型精度优于0．1μm；外表粗糙度优于 Ra0。01μm. CUPE还为美国柯达公司研讨、描绘和出产了当今世界上最大的超精细大型 CNC光学零件磨床“0AGM2500”；该机床首要用于光学玻璃等硬脆资料的加工；可加工和丈量2．5m×2．5m×O．61m的工件；它能加工出2m见方的非对称光学镜面；镜面的形状差错仅为1μm.
日本丰田工机研发的 AHN60D3D是一台 CNC三维截形磨削和车削机床；它能在 X、Y和Z三轴操控下磨削和车削轴向对称形状的光学零件；可以在 X、Y和Z轴二个半轴操控下磨削和车削非轴对称光学零件；加工工件的截形精度为0．35unl；外表粗糙度达 Ra0．016μm.别的东芝机械研发的 ULGD100A(H)超精细复合加工设备；它用别离操控两个轴的办法；完成了对非球面透镜模具的切削和磨削；其 X轴和 Z轴的行程别离为150mm和100mm；方位反响元件是分辨率为0．01μm的光栅.
3．2非球面光学零件的 ELID镜面磨削技能
日本专家大森整等人从1987年对超硬磨料砂轮进行了研讨；开发了运用电解 In Process Dressing(ELID)的磨削法；完成了对硬脆资料高品位镜面磨削和延性办法的磨削；如今该办法己成功的运用于球面、非球面透镜、模具的超精细加工.
① ELID镜面磨削原理
ELID磨削体系包含：金属结合剂超微细粒度超硬磨料砂轮、电解修整电源、电解修整电极、电解液(兼作磨削液)、接电电刷和机床设备.磨削过程中；砂轮经过接电电刷与电源的正极相接；安装在机床上的修整电极与电源的负极相接；砂轮和电极之间浇注电解液；这样；电源、砂轮、电极、砂轮和电极之间的电解液构成一个完好的电化学体系.
选用 ELID磨削时；对所用的砂轮、电源、电解液均有一些特殊需求.需求砂轮的结合剂有杰出的导电性和电解性、结合剂元素的氢氧化物或氧化物不导电；且不溶于水；ELID磨削运用的电源；可以选用电解加工的直流电源或选用各种波形的脉冲电源或直流基量脉冲电源.在 ELID磨削过程中；电解液除作为磨削液外；还起着下降磨削区温度和削减摩撩的效果；ELID磨削通常选用水溶性磨削液；全属基结合剂砂轮的机械强度高；经过设定适宜的电解量；砂轮磨损小.一起能得到高的形状精度.运用这个原理；能完成从平面到非球面；各种形状的光学元件的超精细镜面磨削.
②ELID镜面磨削试验体系
在 Rank Pneumo公司的 ASGD2500T机床上；装上由砂轮、电源、电极、磨削液等组成大森整 ELID体系毛坯粗成形加工时运用400#、半精加工时运用1000#或2000#、作镜面磨削时运用4000#(均匀粒径约为4μm)或8000#(均匀粒径约为2μm)的铸铁结合剂金刚石砂轮；电解修锐电源(ELID电源)；运用的是直流高频脉冲电压式专用电源；作业电压为60V；电流为 lOA.所用的磨削液；运用时需求用纯水将水溶性磨削液 AFHDM和 CEM稀释50倍.
③ ELID镜面磨削试验办法和试验成果
作非球面加工时；经过安装在工件轴上的碗形砂轮(325#铸铁结合剂金刚石砂轮为φ30×W2mm)进行平砂轮的只成形体整；作10min的电解初期修锐之后；经过400#的粗磨和1000#的半精加工；最终再用4000#进行 ELID镜面磨削；在超精细非球面加工机床上；凭借 ELID磨削技能；成功地加工出了光学玻璃 BKD7非球面透镜.面型精度到达优于 o．2μm；外表粗糙度达Ra20nm；而关于稍软如 LASFN30和Ge等资料的非球面加工；相同能到达面型精度优于 O．2-O．3μm；外表粗糙度达 Ra30nm.
4．非球面零件的超精细抛光(研磨)技能
超精细抛光是加工速度极慢的一种加工办法.不适合形状范成法加工；这些年；因为短波长光学元件、OA仪器和 AV机器等的飞速发展；对零件的外表粗糙度提出了更高的需求；到当时为止还没有比超精细抛光更好的有用的办法；特别当零件的外表粗糙度需求优于 0．0lμm时；这种办法是不行短少的；对形状精度需求很高的工件；若是选用强迫进给的办法进行切削或进行磨削时；其形状精度将直接遭到机床进给定位精度的影响；到达地点反响；并由此招致的加工效果；在工件外表上存在相同细小凹的有些；在通常情况下；只能取得波纹崎岖较大的外表.
日本大阪大学工学部森勇芷教授等人运用 EEM开发了一种三轴(x、 z、 C)数控光学外表范成设备；运用该设备加工时；一边在工件外表上操控聚胺脂球的停留时刻；一边用聚胺脂球扫描加工目标的物全范畴；运用该设备能加工高精度的恣意曲面.
5．非球面零件等离子体的 CVM(Chemical Vaporization Machining)技能
当时广泛选用的切削、研磨、抛光等机械加工办法；因为加工资猜中存在微细裂纹或结晶中的品质缺点等缘由；无论怎样进步加工精度；改善加工设备；总存在必定的局限性；为此；日本大阪大学工学部森勇正教授提出了一种用化学气体加工的新的加工工艺办法；称为等离子 CVM法；这是一种运用原子化学反响；取得超精细外表的一种技能；其加工原理和等离子体刻蚀相同；在等离子体中；被激活的游离基和工件外表原于起反响；将之变成挥发性分子；并经过气体蒸腾完成加工的；在高压力下所发生的等离子体；可以生成密度十分高的游离基；所以这种加工办法能到达与机械加工办法相匹敌的加工速度.在高压力下；因为气体分子的均匀自在行程极.壤胱犹寰窒拊诘缂浇.所以可以经过电极扫描；加工出 O．01μm精度的恣意形状的零件；别的可以以50μm／min的速度加工单晶硅平面；加工工件的外表粗糙度可达0。1nm(Rrms).
下个世纪；在硅芯片加工和半导体曝光设备用的非球面透镜加工等许多范畴中；将运用 CVM技能；当时有人正在研讨经过 CVM和 EEM的组合；加工同步加速器用的 X射线反射镜等原子级平整的恣意曲面.
6．非球面零件仿制技能
用操控除掉厚度的抛光(研磨)办法可以制作出高精度的非球面零件；但和通常的光学零件加工办法比较；这种办法的加工功率很低；处理这个难题的办法之一有仿制技能；即塑料注射成形和玻璃的模压成形技能；这种技能可以制作一有些非球面透镜.塑料透镜注射成形是将熔化的树脂写入模具内；一边施加压力；一边冷却固化的加工办法；这种办法可以进行贱卖、大批量出产；但存在塑料本身的某些难题；如温度改变、吸湿招致透镜折射率的改变.
玻璃的模压成形是替代切削、磨削、研磨加工透镜、棱镜的最佳的小型零件大批量出产办法.模压成形技能是将模具内的温度操控在冲压的玻璃搬运温度以上p软化温度以下；在模具内；进入有流动性的玻璃；加压成形；而且坚持这种状况20s以上；直到成形了的玻璃温度散布均匀化；将模具的形状精度作到0．1 μm；外表粗糙度作到0．01μm以下；在上述条件下加压成形；能加工出和模具精度附近的零件.

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