非球面光學(xué)零件超精密加工技術(shù)

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1、非球面光學(xué)零件超精密加工技術(shù)1．概述1.1非球面光學(xué)零件的作用非球面光學(xué)零件是一種非常重要的光學(xué)零件，常用的有拋物面鏡、雙曲面鏡、橢球面鏡等。非球面光學(xué)零件可以獲得球面光學(xué)零件無(wú)可相比的良好的成像質(zhì)量，在光學(xué)系統(tǒng)中能夠很好的矯正多種像差，改善成像質(zhì)量，進(jìn)步系統(tǒng)鑒別能力，它能以一個(gè)或幾個(gè)非球面零件代替多個(gè)球面零件，從而簡(jiǎn)化儀器結(jié)構(gòu)，降低本錢(qián)并有效的減輕儀器重量。非球面光學(xué)零件在軍用和民用光電產(chǎn)品上的應(yīng)用也很廣泛，如在攝影鏡頭和取景器、電視攝像管、變焦鏡頭、電影放影鏡頭、衛(wèi)星紅外看遠(yuǎn)鏡、錄像機(jī)鏡頭、錄像和錄音光盤(pán)讀出頭、條形碼讀出頭、光纖通訊的光纖接頭、醫(yī)療儀器

2、等中。1.2國(guó)外非球面零件的超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀80年代以來(lái)，出現(xiàn)了很多種新的非球面超精密加工技術(shù)，主要有：計(jì)算機(jī)數(shù)控單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控磨削技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控離子束成形技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控超精密拋光技術(shù)和非球面復(fù)印技術(shù)等，這些加工方法，基本上解決了各種非球面鏡加工中所存在的題目。前四種方法運(yùn)用了數(shù)控技術(shù)，均具有加工精度較高，效率高等特點(diǎn)，適于批量生產(chǎn)。進(jìn)行非球面零件加工時(shí)，要考慮所加工零件的材料、外形、精度和口徑等因素，對(duì)于銅、鋁等軟質(zhì)材料，可以用單點(diǎn)金剛石切削(SPDT)的方法進(jìn)行超精加工，對(duì)于玻璃或塑料等，當(dāng)前主要采用先超精密加工其模具，而后再用成

3、形法生產(chǎn)非球面零件，對(duì)于其它一些高硬度的脆性材料，目前主要是通過(guò)超精密磨削和超精密研磨、拋光等方法進(jìn)行加工的，另外．還有非球面零件的特種加工技術(shù)如離子束拋光等。國(guó)外很多公司己將超精密車削、磨削、研磨以及拋光加工集成為一體，并且研制出超精密復(fù)合加工系統(tǒng)，如RankPneumo公司生產(chǎn)的Nanoform300、Nanoform250、CUPE研制的Nanocentre、日本的AHN60―3D、ULP一100A(H)都具有復(fù)合加工功能，這樣可以便非球面零件的加工更加靈活。1.3我國(guó)非球面零件超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀我國(guó)從80年代初才開(kāi)始超精密加工技術(shù)的研究，比國(guó)外整整

4、落后了20年。近年來(lái)，該項(xiàng)工作開(kāi)展較好的單位有北京機(jī)床研究所、中國(guó)航空精密機(jī)械研究所、哈爾濱產(chǎn)業(yè)大學(xué)、中科院長(zhǎng)春光機(jī)所應(yīng)用光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等。為更好的開(kāi)展對(duì)此項(xiàng)超精密加工技術(shù)的研究，國(guó)防科工委于1995年在中國(guó)航空精密機(jī)械研究所首先建立了國(guó)內(nèi)第一個(gè)從事超精密加工技術(shù)研究的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。2．非球面零件超精密切削加工技術(shù)美國(guó)UnionCarbide公司于1972年研制成功了R―θ方式的非球面創(chuàng)成加工機(jī)床。這是一臺(tái)具有位置反饋的雙坐標(biāo)數(shù)控車床，可實(shí)時(shí)改變刀座導(dǎo)軌的轉(zhuǎn)角θ和半徑R，實(shí)現(xiàn)非球面的鏡面加工。加工直徑達(dá)φ380mm，加工工件的外形精度為±0.63μm，表面粗糙

5、度為Ra0.025μm。摩爾公司于1980年首先開(kāi)發(fā)出了用3個(gè)坐標(biāo)控制的M―18AG非球面加工機(jī)床，這種機(jī)床可加工直徑356mm的各種非球面的金屬反射鏡。英國(guó)RankPneumo公司于1980年向市場(chǎng)推出了利用激光反饋控制的兩軸聯(lián)動(dòng)加工機(jī)床(MSG―325)，該機(jī)床可加工直徑為350mm的非球面金屬反射鏡，加工工件外形精度達(dá)0.25-0.5μm，表面粗糙度Ra在0.01-0.025μm之間。隨后又推出了ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等機(jī)床，該公司又在上述機(jī)床的基礎(chǔ)上，于1990年開(kāi)發(fā)出Nanoform600，該機(jī)床能加工直徑為600

6、mm的非球面反射鏡，加工工件的外形精度優(yōu)于0．1μm，表面粗糙度優(yōu)于0.01μm。代表當(dāng)今員高水平的超精密金剛石車床是美國(guó)勞倫斯．利弗莫爾(LLNL)實(shí)驗(yàn)室于1984年研制成功的LODTM，它可加工直徑達(dá)2100mm，重達(dá)4500kg的工件其加工精度可達(dá)0.25μm，表面粗糙度Ra0.0076μm，該機(jī)床可加工平面、球面及非球面，主要用于加工激光核聚變工程所需的零件、紅外線裝置用的零件和大型天體反射鏡等。英國(guó)Cranfield大學(xué)精密工程研究所(CUPE)研制的大型超精密金剛右鏡面切削機(jī)床，可以加工大型X射線天體看遠(yuǎn)鏡用的非球面反射鏡(最大直徑可達(dá)1400m

7、m，最大長(zhǎng)度為600mm的圓錐鏡)。該研究所還研制成功了可以加工用于X射線看遠(yuǎn)鏡內(nèi)側(cè)回轉(zhuǎn)拋物面和外側(cè)回轉(zhuǎn)雙曲面反射鏡的金剛石切削機(jī)床。日本開(kāi)發(fā)的超精密加工機(jī)床主要是用于加工民用產(chǎn)品所需的透鏡和反射鏡，目前日本制造的加工機(jī)床有：東芝機(jī)械研制的ULG―l00A(H)不二越公司的ASP―L15、豐田工機(jī)的AHN10、AHN30×25、AHN60―3D非球面加工機(jī)床等。3．非球面零件超精密磨削加工技術(shù)3.1非球面零件超精磨削裝置英國(guó)RankPneumo公司1988年開(kāi)發(fā)了改進(jìn)型的ASG2500、ASG2500T、Nanoform300機(jī)床，這些機(jī)床不僅能夠進(jìn)切削加工

8、，而且也可以用金剛石砂輪進(jìn)行磨削，能加工直徑為300