數(shù)控非球面加工技術(shù)

數(shù)控非球面加工技術(shù)吳肖杰S15020252CompanyLogo目錄非球面光學零件的簡介1非球面光學零件的加工方法2計算機控制光學表面成型技術(shù)3直徑76.2mm非球面數(shù)控加工工藝4數(shù)控非球面加工的影響因素

5Part1.非球面光學零件的簡介非球面光學元件，是指面形由多項高次方程決定、面形上各點的半徑均不相同的光學元件。

CompanyLogo

1.1非球面的分類：

二次曲面

單軸對稱非球面

（拋物面、雙曲面、橢圓面）按對稱軸的數(shù)量回轉(zhuǎn)高次曲面

二軸對稱非球面：柱面、復曲面

大型非球面：直徑超過0.5m以上按外形尺寸中型非球面：一般光學儀器中的非球面光學零件

微型非球面：鏡頭口徑2-9mm,甚至0.1--0.8mm

高精度非球面：天文儀器中的主鏡、用于攝譜儀中的物鏡按制造精度中等精度非球面：各種光學儀器中的物鏡、目鏡、反射鏡

低精度非球面：CompanyLogo

1.2非球面的優(yōu)點1.具有優(yōu)良的光學性能：無球差2.改善了成像質(zhì)量3.簡化了光學系統(tǒng)：在光學系統(tǒng)中用一個非球面代替多個球面來校正像差。4.減輕了儀器的質(zhì)量CompanyLogo1.3非球面光學零件的應用非球面光學零件已廣泛應用于航空機載設備、衛(wèi)星、激光制導、紅外探測等領(lǐng)域，同時在民用光電產(chǎn)品上的應用也越來越普及。光學系統(tǒng)中采用非球面元件，可以提高系統(tǒng)的性能，減少光學元件的數(shù)量，從而減輕儀器的質(zhì)量，減小體積，緊湊結(jié)構(gòu)。因此，非球面常常應用于大視場、大孔徑，像差要求高，結(jié)構(gòu)要求小，或有特殊要求的光學系統(tǒng)中，非球面光學零件因其優(yōu)良的光學性能而日益成為一類非常重要的光學零件。CompanyLogo正是由于光學非球面元件的廣泛使用，使得光學非球面的加工技術(shù)得到了快速發(fā)展。近年來隨著超精密微細加工技術(shù)的發(fā)展、高精密數(shù)控機床的出現(xiàn)，使非球面光學零件的加工技術(shù)有了長足的進展。它提高了加工精度和加工質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品研制周期，實現(xiàn)了加工及檢測的自動化、數(shù)字化，突破了傳統(tǒng)的手工或半手工操作，從而提高了加工效率和制造精度。CompanyLogo1.4非球面光學零件制造過程非球面制造通常分為非球面成形和光學面實現(xiàn)兩個工藝方面。1）非球面成形：就是通過研磨等方法使零件表面面形達到非球面要求，但是表面粗糙度還很大，還不是光學面，不能夠透射或反射光。2）光學非球面實現(xiàn)：主要有拋光、模壓和切削等方法，是在保持非球面面形的前提下，減小表面粗糙度，使之成為光學面。還有一些非球面制造的非球面成型和光學面實現(xiàn)是同時完成，如單點金剛石車削、光學塑料模壓、玻璃模壓等。CompanyLogoCompanyLogo

Part2.非球面光學零件的加工方法:

1）表面材料去除法：去除工件上多余的材料，最終得到所需非球面的形狀、尺寸和表面粗糙度要求。2）改變材料形狀法:是通過加熱的方法將光學材料的形狀改變從而實現(xiàn)非球面制造。光學塑料模壓技術(shù)3)材料表面沉積法：是通過在一種光學材料表面沉積其他光學材料制造非球面的方法。表面鍍膜法、表面復制法4)改變材料性質(zhì)法加工應根據(jù)零件的材料、形狀、精度和口徑等因素的不同，采用不同的加工方法。非球面光學零件的加工方法表面材料去除法傳統(tǒng)的研磨方法：主要有研磨拋光法、仿形研磨與拋光、應力變形研磨與拋光、柔性拋光等。其中柔性拋光有軟材料或氣囊來實現(xiàn)柔性拋光方法，還有磁流變拋光技術(shù)。計算機控制光學加工技術(shù)具有先進水平，它包括單點金剛石切削技術(shù)、計算機數(shù)控銑削拋光技術(shù)、計算機數(shù)控銑磨拋光技術(shù)、計算機數(shù)控應力變形研磨與拋光技術(shù)。高能束流方法：通過高能束流去除表面材料實現(xiàn)非球面制造，如離子束拋光、離子束刻蝕，高壓液體射流?；瘜W腐蝕也可以實現(xiàn)表面材料的去除，但是，該類方法的研究不是很多。CompanyLogo數(shù)控研磨拋光法：這種方法主要靠精密數(shù)控研磨和拋光加工各種非球面零件。這種機床上可進行各種玻璃零件加工。優(yōu)缺點：精度高，但設備昂貴，最終拋光還需要手修。在非球面中最常見的是一個對稱軸的回轉(zhuǎn)非球面，回轉(zhuǎn)非球面通常采用數(shù)控機床進行加工。CompanyLogo超精密精密圖-1超精密加工非球面車床1-工件主軸；2-旋轉(zhuǎn)臺；3-旋轉(zhuǎn)滑板；4-X軸驅(qū)動機構(gòu)5-防震機構(gòu)；6-激光頭；7-z軸滑板；8-z軸驅(qū)動機構(gòu)CompanyLogoPart3.計算機控制光學表面成型技術(shù)非球面數(shù)控加工主要運用的是計算機控制光學表面成型（computercontrolledopticalsurface，CCOS）技術(shù)。3.1CCOS技術(shù)基本原理：

它根據(jù)定量的面形檢測數(shù)據(jù)，建立加工過程的控制模型，用計算機控制一個小磨頭對非球面零件進行研磨拋光，通過控制磨頭在工件表面的駐留時間及相對壓力來控制材料的去除量。

CompanyLogoCC

圖2

CCOS加工非球面基本原理示意圖1—非球面元件2—小磨頭CompanyLogo

3.2CCOS技術(shù)的優(yōu)點計算機控制小工具拋光技術(shù)的實質(zhì)和目的是把高級光學加工者的加工技巧數(shù)字化、定量化，由計算機驅(qū)動機床運動系統(tǒng)，從而控制拋光模對工件表面進行加工。與傳統(tǒng)加工方法比較，計算機控制小工具拋光技術(shù)對工件面形的判斷更加準確，拋光過程控制更加可靠，使大口徑非球面光學元件的加工效率和加工精度得到大幅度提高。CompanyLogo3.3CCOS技術(shù)的基礎理論方程：目前，描述光學表面拋光過程比較成功的數(shù)學模型是Preston（普雷斯頓）方程如下：

CompanyLogoCompanyLogo經(jīng)過普雷斯頓假設，光學拋光過程順利的簡化了。計算機控制小工具拋光技術(shù)也是以此為基礎，上式正是計算機控制拋光技術(shù)的基礎方程。只要我們對拋光過程的描述正確，并已知被拋光位置的壓力、相對拋光速度以及拋光時間，就可以計算出在這個位置的材料去除量。CompanyLogoCompanyLogoCompanyLogo3.4CCOS技術(shù)的加工流程1.由高精度光學面形測量儀器測量光學元件的面形誤差，取得當前光學表面的面形數(shù)據(jù)。2.將面形數(shù)據(jù)與預期的面形比較，得到本加工周期所需要達到的材料去除分布函數(shù)。3.選擇拋光參數(shù)，根據(jù)預期的材料去除量計算駐留時間函數(shù)和最優(yōu)化加工路徑，并通過計算機模擬最終拋光結(jié)果，如果模擬結(jié)果不符合要求，則需要重新選擇拋光參數(shù)，再一次送到機床數(shù)控系統(tǒng)。4.重復第（3）步，直到模擬的拋光結(jié)果符合要求時，將拋光模運動參數(shù)轉(zhuǎn)化成機床控制文件，并傳送到機床數(shù)控系統(tǒng)。5.機床數(shù)控系統(tǒng)讀入并執(zhí)行控制文件，驅(qū)動機床各運動機構(gòu)按照一定參數(shù)運行，實現(xiàn)本周期內(nèi)拋光模對工件表面的加工。6.這一個加工周期完成后，再次用面形檢測儀器實時檢測工件面形，為下一個加工周期提供面形數(shù)據(jù)，如此周而復始，直到得到符合要求的光學表面。CompanyLogoCompanyLogo計算機控制拋光技術(shù)加工流程圖

Part4.直徑76.2mm非球面數(shù)控加工工藝

將利用OPTECH非球面數(shù)控機床加工直徑為Φ76.2mm，R為125.2mm，K=0.475，d=8±0.1，A=5.35741e-8，B=-2.84656e-11，C=4.16788e-14，D=-2.54751e-17，材料為K9的非球面透鏡。CompanyLogo非球面加工工藝流程如圖所示CompanyLogo圖3工藝流程圖

4.1預拋光工藝

零件經(jīng)銑磨成型后，表面留有金剛石砂輪銑磨痕跡，要通過拋光過程將痕跡去除。采用面積較小的拋光盤，能夠跟蹤工件面形的變化趨勢，更好地修正局部誤差，在短時間內(nèi)就能使工件的面形精度達到要求，但是由于它產(chǎn)生比較明顯的表面波紋度，從而導致表面中高頻誤差，元件產(chǎn)生高級像差。為了避免這種中高頻誤差，首先對零件進行彈性拋光盤預拋光。預拋光過程中，工件軸、工具軸轉(zhuǎn)速分別為150rpm和450rpm，擺角21.7°時，拋光15min，工件表面的銑磨痕跡全部被去除掉。拋光液溫度調(diào)整到27℃時，材料去除量最大，整個表面能夠被快速拋亮。CompanyLogo非球面加工工藝流程如圖所示CompanyLogo圖3工藝流程圖

4.2非球面數(shù)控反饋銑磨拋光工藝

為解決彈性拋光盤嚴重破壞面形精度的問題，現(xiàn)將檢測曲線反饋到銑磨機中，第二次銑磨非球面，在此過程中引入補償量，補償?shù)粲蓲伖庖鸬拿嫘握`差。即在銑磨過程中刻意使其具有與之前測得的誤差相反的面形誤差，在拋光去除量大的地方磨削量減小，而拋光去除量小的地方則增大。CompanyLogo非球面加工工藝流程如圖所示CompanyLogo圖3工藝流程圖

4.3非球面數(shù)控小磨頭修拋工藝

小拋頭修拋過程中，表面去除量參數(shù)之間的關(guān)系可以由Preston模型給出，在磨頭與工件間相互作用的小區(qū)域內(nèi)，磨頭對工件表面材料的去除量與壓力、相對速度以及駐留時間成正比。根據(jù)輪廓儀測得的預拋光檢測曲線，調(diào)整工件軸轉(zhuǎn)速和工具軸轉(zhuǎn)速分別為500rpm和2500rpm，其他條件不變，進行幾次修正拋光,多次重復修磨元件，表面面形精度逐步收斂。CompanyLogo

Part5數(shù)控非球面加工的影響因素

5.1粗磨的影響因素金剛石磨具的粒度、濃度，磨輪的硬度，銑磨深度5.2精磨的影響因素金剛石顆粒、結(jié)合劑、玻璃5.3拋光的影響因素（1）拋光介質(zhì)水對玻璃的侵蝕作用（2）光學玻璃化學穩(wěn)定性與拋光速度的關(guān)系（3）拋光液PH值的影響（4）添加劑對拋光過程的影響（5）拋光模的作用

CompanyLogo目前國內(nèi)外仍然廣泛使用計算機控制銑磨、拋光技術(shù)來加工非球面透鏡。隨著非球面元件的廣泛應用，數(shù)控加工非球面正成為各國關(guān)注的核心技術(shù)之一，優(yōu)化工藝流程、改善面形精度、縮短加工時間、提高生產(chǎn)效率是非球面加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向。CompanyLogoThankYou!

Part5數(shù)控非球面加工的影響因素

5.1粗磨的影響因素：（1）粒度金剛石磨具的粒度對磨削效率和表面粗糙度的影響正好相反，粒度越細，工件表面粗糙度愈小則效率越低。粒度對表面粗糙度的影響近似成直線關(guān)系。選擇粒度的原則是：在保證工件粗糙度要求的前提下，盡可能采用粒度粗的磨輪加工，以提高磨削效率。但是，在濃度一定的情況下，粒度越大，粒數(shù)越少，每個顆粒上受到的壓力加大，則造成磨具磨耗增大。一般銑磨用的磨具粒度范圍在80#~120#。CompanyLogo粗磨的影響因素：（2）硬度磨輪的硬度是指磨具表面的磨粒在外力作用下脫落的難易程度。磨粒易脫落則磨具軟，反之則硬。磨輪硬度的選擇，對磨削效率、加工質(zhì)量和磨具壽命影響很大。若磨具硬度過高，則結(jié)合劑把已經(jīng)磨鈍而失去磨削能力的磨粒牢牢把持住而不讓其脫落，這樣會造成磨具與工件之間摩擦力增大，發(fā)熱量大，嚴重時會使零件炸裂。同時，硬度過高將大大降低磨削效率和表面質(zhì)量。相反，磨具硬度過低，磨粒還在鋒利時候就會掉下來，這樣不但會影響效率，而且還造成磨具不應有的損耗。CompanyLogo

粗磨的影響因素：

（3）濃度金剛石磨具的濃度，是指在磨具金剛石層內(nèi)每立方厘米的體積內(nèi)含有金剛石的質(zhì)量。規(guī)定每立方厘米中含有4.4克金剛石作為100%濃度。“克拉”是金剛石質(zhì)量的計量單位，1克拉=0.2g，濃度為50%，其金剛石含量為2.2克拉/cm3。若濃度過高，結(jié)合劑相對減少，這樣對金剛石顆粒的把持力減弱，使顆粒有過早脫落的可能，不能充分發(fā)揮磨料的磨削作用。若濃度過低，使磨輪表面金剛石顆粒減少，作用在沒顆粒上切削力相應增大，也有促使磨料過早脫落的可能。濃度選擇的原則：假如金剛石粒度比較粗，濃度相對的應高些。假如結(jié)合劑品種不同，則金剛石的濃度也應該不同，樹脂結(jié)合劑選用100%，而電鍍結(jié)合劑選用50%的濃度。CompanyLogo粗磨的影響因素：（4）銑磨深度銑磨深度是指工件轉(zhuǎn)動一周的吃刀量。實踐表明，吃刀量愈大，銑削效率愈高，但表面粗糙度愈大。在銑磨周期內(nèi)，磨去量一般是經(jīng)過多次銑削完成的。從磨具合理使用的角度考慮，銑磨深度不應該超過金剛石層的厚度，否則易損壞磨輪。尤其在加工塊料毛壞時，更應特別注意吃刀量不能過大。在彈性進給的條件下，銑磨深度與磨輪轉(zhuǎn)速、工件線速度、磨削壓力以及金剛石粒度和工件材料等因素有關(guān)。CompanyLogo

5.2精磨的影響因素（1）金剛石顆粒在使用散粒磨料研磨玻璃時，切削能力和工件表面的粗糙度僅取決于磨料顆粒的粒度。但是，在使用固著磨料磨研時，尤其是在金剛石精磨中，磨具的切削能力，不僅取決于金剛石顆粒的粒度，而且還取決于它在結(jié)合劑中的濃度以及顆粒從結(jié)