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      1. 非球面光學零件的超精密磨削技術

        非球面光學零件的超精密磨削技術

        廣州斗龍光學科技有限公司(http://www.looneydoodle.com)非球面透鏡生產工廠

        楊福興

        超精密加工技術國防科技重點實驗室

           非球面光學零件廣泛應用于航空機載設備(雷達測距儀)、衛星(先進的光學望遠系統、高分辨率的電視攝像系統、高靈敏度的紅外傳感系統)、激光制導、紅外探測等領域,同時在民用光電產品上的應用更為廣泛.

        1非球面光學零件的延性方式磨削技術

        1.1延性方式磨削技術

            最近,短波長光學,特別是 x射線光學領域中的研究活動表明, x射線領域的光學元件多采用非球面,并要求零件的形狀精度達到納米級,表面粗糙度達到埃級,而且越來越多的使用硬脆性材料。這些零件的傳統加工方法是磨削加工后,經過研磨、拋光工序,精加工成所需零件,這種方法的生產效率低,加工周期長,不能適應現代生產的需要。作為光學零件的加工,一方面要求精度高,加工表面超光滑,另一方面又要求加工表面沒有加工變質層。在這種需求下,就產生了硬脆材料的延性方式磨削,成為超精密加工的一個熱點。
            在一定的控制條件下,可使用單點或多點金剛石工具(磨削)加工諸
        如玻璃和陶瓷一類的脆性材料,因材料是塑性流動方式去除的,得到沒有裂紋的加工表面,因此稱這一工藝過程為“延性(塑性)”或“剪切”方式磨削。
            當每個砂輪磨粒切除的材料體積小到足以塑性流動而不產生脆性斷裂即產生裂紋時,就實現了延性方式“無損傷”磨削。實際上,這就意味著要保證未變形切削厚度小于脆性一一延性轉換臨界值,這個臨界值因材料不同而變化,但約為 O.1μm。因此實現延性方式磨削的主要因素是機床系統精度和工具與工件之間的動態剛度,具體條件為:
            1)微細磨粒砂輪的高精密“修整”和“修銳”以保證砂輪足夠鋒利2)設計和制造出高動態剛度的主軸,主軸的運動誤差(徑向和軸向)必須小于0.1 μm;3)設計和制造出高動態剛度的導軌,其運動誤差(線性和回轉)必須小于0.1μm;4)光滑、無噪聲、高剛度伺服驅動控制形成切削的運動。
            根據經驗,一個不小于300N/μ m(靜態)的機床閉環剛度(在工具和工件之間)是必需的,為滿足上述條件,除上面介紹的主軸和導軌滿足上述條件外,還必須研制出高精度、高剛度的砂輪主軸,同時還須要研制出高效的砂輪修整裝置。另外熱、振源的減少及其隔離以及能動控制,納米級測量和控制系統,工件材質的選定,工件保持等外圍技術的問題的解決,也是支承廷性方式磨削加工技術的重要問題。
            英國 Cranfield大學的精密工程研究所(CUPE)己研制成功超精密三
        軸 CNC磨床,并能對一些先進工程陶瓷和一小范圍玻璃材料進行延性方式磨削。日本學者宮下等人通過帶有微量進給的立式平面磨床磨削水晶,工件的表面粗糙度達到了 p—v2nm,日本學者難波等人通過具有零膨脹的玻璃陶瓷主軸的精密平面磨床磨削光學玻璃 NBFl,工件的表面粗糙度達到了Rmax5nm,以前只能靠研磨和拋光才能加工出來的零件,現在用延性方式磨削也能加工;

        1.2應用了延性方式磨削技術的非球面光學零件的超精密加工機床

            Rank Pneumo公司于1996年已經開發出 Nanoform250超精密加工系統,該系統具有兩軸超精密 CNC機床,在該機床上既能進行超精密車削,又能進行超精密磨削,另外還能進行超精密拋光,該機床最突出的特點是能直接磨削出滿足光學表面質量和面型精度的硬脆材料的光學零件。該機床采用了許多 Nanoform600、0ptoform50的先進設計思想,機床最大加工工件直徑φ250mm,通過一個升高裝置可使機床的最大加工工件直徑達到φ450mm,另外通過控制垂直方向的液體靜壓導軌(Y軸),還能夠磨削非軸對稱的零件。機床數控系統的分辨率為0.001μm:位置反饋元件是分辨率8.6nm的光柵或分辨率1.25nm的激光干涉儀,加工工件的面型精度優于0.2μm/表面粗糙度優于 Ra0.01μm。 
            英國 Cranfield大學的精密工程研究所(COPE)研制的Nanocentre非

        球面光學零件的加工機床 Nanocentre250、 Nanocentre600,是一種3
        軸超精密 CNC非球面加工裝置,它是由 Cranfield Precision
        Engineering Ltd.為滿足單點和延性磨削兩方面的使用要求而設計制造的,通過合理化的機床結構,使用高剛度伺服驅動和液體靜壓軸承使機床具有較高的閉環剛度,X和 Z軸的分辨率是1.25nm,該機床被認為是符合現代工藝規范的。加工工件直徑為φ250mm和φ600mm,其面型精度優于0.1μm,表面粗糙度優于 Ra0.01μm, CUPE還為美國柯達公司研究、設計和生產當今世界上最大的超精密大型 CNC光學零件磨床“0AGM2500”,該機床主要用于光學玻璃等硬脆材料的加工,可加工和測量2.5m×2.5m×0.61m的工件,它能加工出2m見方的非軸對稱光學鏡面,鏡面的形狀誤差僅為1μm。

            日本豐田工機研制的 AHN60—3D是一臺CNC高精度三維截形磨削和車削機床,它能在 X、 Z和B三軸控制下磨削和車削軸向對稱形狀的光學零件,在 X、 z和 Y軸2個半軸控制下能磨削和車削非軸對稱的光學零件,加工工件的截形精度為0.35μm,表面粗糙度 Ra0.016μm。
            國內從80年代開始了超精密加工技術的研究,比國外整整落后了20年,現在已有一些單位開展了非球面零件的超精密車削技術的研究工作。其中長春光機所前幾年引進了 Rank Pneumo公司的MSG一325CNC超精密車床,主要用來車削一些金屬光學零件,同時該所還開展了數控加工光學玻璃、晶體鍺等材料的非球面加工技術研究,取得了一定的進展。另外國內還有一些單位通過精密磨削一超精密研磨和手工拋光也能加工出高精度的非球面光學零件。因此目前國內還沒有一臺自行研制能達到超精密級的CNC非球面磨削加工機床,所以非球面零件的超精密磨削技術基本上還是一片空白,不能滿足國防工業的需要。

        2非球面光學零件的ELID超精密磨削技術

            從上面的分析可知,要實現延性方式磨削,需要高精度、高剛度的機械裝置,同時還需要微細磨粒砂輪的高精密修整和修銳。在微細磨粒砂輪的研究方面日本學者宮下等人提出了使用微細修整的砂輪,在塑性領域磨削量之下進行的微細磨削。在這方面日本學者中川、大森整等人應用 ELID技術,成功地實現了對硬脆材科的超精密磨削。
            日本學者大森整等人從1987年對鑄鐵纖維結合劑金剛石砂輪等的高強度金屬結合劑的超硬磨料砂輪,開發了借用 Electro1ytic ln ProcessDr9ssin8(ELID)的磨削法,實現了硬脆材料的超精密磨削,現在己成功應用于球面、非球面透鏡、模具的超精密加工。

        2.1 ELOD超精密磨削的原理

            ElID磨削系統包括:金屬結合劑超微細粒度超硬磨料砂輪、電解修整電源、電解體整電極、電解液(兼作磨削液)、接電電刷和機床設備。 ELID磨削原理見本刊1994年 No.9“在線電解修整磨削先進陶瓷”一文。
            金屬基結合劑砂輪的機械強度高,通過設定合適的電解量,可使砂輪磨損減少,在超精密磨削的同時,又能得到較高的形狀精度,應用這一原理,能實現從平面到非球面,各種形狀的光學元件的超精密磨削。

        2.2 ELlD超精密磨削實驗系統

            在 Rank Pneumo公司的 ASG—2500T機床上,裝上大森整的 ELID系統,該系統由砂輪、電源、電極及磨削液等組成。在毛坯成形粗加工時,使用400號砂輪,半精加工使用1000號砂輪或2000號砂輪,而在超精密磨削時,使用4000號(平均粒徑為4μm)或8000號(平均粒徑約為2μm)的鑄鐵結合劑金剛石砂輪。砂輪尺寸、形狀為φ75W3平形砂輪。電解修銳電源(ELID電源),使用了發生直流高頻脈沖電壓的專用電源,電源的電壓是60V,電流是10A。磨削液是將水溶性磨削液 AFH— M和 CEM稀釋成50倍,依靠自來水或純水稀釋。

        2.3 ELID超精密磨削的實驗結果

            在加工非球面時,通過安裝在工件軸上的碗形工具(325號鑄鐵結合
        劑金剛石砂輪φ30×W2mm)進行平砂輪的 R成形修整,約10min的電解初期修銳后,經過400號砂輪的粗磨,1000號砂輪的半精加工,依靠4000號砂輪進行 ELID超精密磨削。
            在超精密非球面加工機床上,借助 ELID磨削技術,加工光學玻璃 BK一7的非球面透鏡,成功地達到面型精度優于 O.2μm,表面粗糙度 Rmax20nm,而對于稍軟質的LASFN30和Ge等材料的非球面,也得到了面型精度優于0.2μm-0.3μm,表面粗糙度Rmax30nm,表面粗糙度Rmax30nm級良好鏡面。ELID磨削技術,作為非球面光學零件的實用制造技術,可使零件的最后拋光量減小到最小限度。

         

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