非球面光學(xué)零件的超精密磨削技術(shù)

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1、非球面光學(xué)零件的超精密磨削技術(shù)楊福興超精密加工技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室非球面光學(xué)零件廣泛應(yīng)用于航空機(jī)載設(shè)備(雷達(dá)測距儀)、衛(wèi)星(先進(jìn)的光學(xué)望遠(yuǎn)系統(tǒng)、高分辨率的電視攝像系統(tǒng)、高靈敏度的紅外傳感系統(tǒng))、激光制導(dǎo)、紅外探測等領(lǐng)域，同時(shí)在民用光電產(chǎn)品上的應(yīng)用更為廣泛．1非球面光學(xué)零件的延性方式磨削技術(shù)1．1延性方式磨削技術(shù)最近，短波長光學(xué)，特別是x射線光學(xué)領(lǐng)域中的研究活動(dòng)表明，x射線領(lǐng)域的光學(xué)元件多采用非球面，并要求零件的形狀精度達(dá)到納米級，表面粗糙度達(dá)到埃級，而且越來越多的使用硬脆性材料。這些零件的傳統(tǒng)加工方法是磨

2、削加工后，經(jīng)過研磨、拋光工序，精加工成所需零件，這種方法的生產(chǎn)效率低，加工周期長，不能適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)的需要。作為光學(xué)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(zhì)層。在這種需求下，就產(chǎn)生了硬脆材料的延性方式磨削，成為超精密加工的一個(gè)熱點(diǎn)。在一定的控制條件下，可使用單點(diǎn)或多點(diǎn)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(dòng)方式去除的，得到?jīng)]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(dāng)每個(gè)砂輪磨粒切除的材料體積小到足以塑性流動(dòng)而

3、不產(chǎn)生脆性斷裂即產(chǎn)生裂紋時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了延性方式“無損傷”磨削。實(shí)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(zhuǎn)換臨界值，這個(gè)臨界值因材料不同而變化，但約為O．1μm。因此實(shí)現(xiàn)延性方式磨削的主要因素是機(jī)床系統(tǒng)精度和工具與工件之間的動(dòng)態(tài)剛度，具體條件為：1)微細(xì)磨粒砂輪的高精密“修整”和“修銳”以保證砂輪足夠鋒利2)設(shè)計(jì)和制造出高動(dòng)態(tài)剛度的主軸，主軸的運(yùn)動(dòng)誤差(徑向和軸向)必須小于0．1μm；3)設(shè)計(jì)和制造出高動(dòng)態(tài)剛度的導(dǎo)軌，其運(yùn)動(dòng)誤差(線性和回轉(zhuǎn))必須小于0．1μm；4)光滑、無噪聲、高剛度伺服驅(qū)動(dòng)控制

4、形成切削的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一個(gè)不小于300N／μm(靜態(tài))的機(jī)床閉環(huán)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(dǎo)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(shí)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(dòng)控制，納米級測量和控制系統(tǒng)，工件材質(zhì)的選定，工件保持等外圍技術(shù)的問題的解決，也是支承廷性方式磨削加工技術(shù)的重要問題。英國Cranfield大學(xué)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(jìn)工程陶瓷和一小范圍玻璃材料進(jìn)行延

5、性方式磨削。日本學(xué)者宮下等人通過帶有微量進(jìn)給的立式平面磨床磨削水晶，工件的表面粗糙度達(dá)到了p—v2nm，日本學(xué)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(xué)玻璃NBFl，工件的表面粗糙度達(dá)到了Rmax5nm，以前只能靠研磨和拋光才能加工出來的零件，現(xiàn)在用延性方式磨削也能加工；1．2應(yīng)用了延性方式磨削技術(shù)的非球面光學(xué)零件的超精密加工機(jī)床RankPneumo公司于1996年已經(jīng)開發(fā)出Nanoform250超精密加工系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有兩軸超精密CNC機(jī)床，在該機(jī)床上既能進(jìn)行超精密車削，又能進(jìn)行超精密磨

6、削，另外還能進(jìn)行超精密拋光，該機(jī)床最突出的特點(diǎn)是能直接磨削出滿足光學(xué)表面質(zhì)量和面型精度的硬脆材料的光學(xué)零件。該機(jī)床采用了許多Nanoform600、0ptoform50的先進(jìn)設(shè)計(jì)思想，機(jī)床最大加工工件直徑φ250mm，通過一個(gè)升高裝置可使機(jī)床的最大加工工件直徑達(dá)到φ450mm，另外通過控制垂直方向的液體靜壓導(dǎo)軌(Y軸)，還能夠磨削非軸對稱的零件。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)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(yōu)于0．2μm／表面粗糙度優(yōu)于Ra0．

7、01μm。英國Cranfield大學(xué)的精密工程研究所(COPE)研制的Nanocentre非球面光學(xué)零件的加工機(jī)床Nanocentre250、Nanocentre600，是一種3軸超精密CNC非球面加工裝置，它是由CranfieldPrecisionEngineeringLtd．為滿足單點(diǎn)和延性磨削兩方面的使用要求而設(shè)計(jì)制造的，通過合理化的機(jī)床結(jié)構(gòu)，使用高剛度伺服驅(qū)動(dòng)和液體靜壓軸承使機(jī)床具有較高的閉環(huán)剛度，X和Z軸的分辨率是1．25nm，該機(jī)床被認(rèn)為是符合現(xiàn)代工藝規(guī)范的。加工工件直徑為φ250mm和φ600

8、mm，其面型精度優(yōu)于0．1μm，表面粗糙度優(yōu)于Ra0．01μm，CUPE還為美國柯達(dá)公司研究、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)當(dāng)今世界上最大的超精密大型CNC光學(xué)零件磨床“0AGM2500”，該機(jī)床主要用于光學(xué)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(xué)鏡面，鏡面的形狀誤差僅為1μm。日本豐田工機(jī)研制的AHN60—3D是一臺CNC高精度三維截形磨削和車削機(jī)床，它能在X、Z和B