平面光學(xué)元件的加工技術(shù)(1)18頁(yè)

1、平面光學(xué)元件的加工技術(shù)浙江大學(xué) 光電系 曹天寧寧波華光精密儀器公司 周柳云 光學(xué)平面零件包括棱鏡、平行平面板、平面反光鏡、平晶、光楔、光盤(pán)片基、濾光片、波片、倍頻器等等。其大小從1mm到1000mm,材料主要是光學(xué)玻璃,有時(shí)是光學(xué)晶體,為了達(dá)到高精度與高效率,采用技術(shù)方法很多,有銑磨、精磨、研磨、拋光、分離器拋光、環(huán)拋、水中拋光、單點(diǎn)金剛石飛切(SPDFC)、計(jì)算機(jī)機(jī)控制小工具拋修(CCP) 、離子拋光等等。從機(jī)理上考察,可以歸納為三類(lèi)基本方法一、 范成法形成平面特點(diǎn)是依靠機(jī)床的精確運(yùn)動(dòng)形成平面包絡(luò)面,對(duì)機(jī)床精度要求高.如用筒狀金剛石磨輪銑磨平面,按正弦公式當(dāng)=0時(shí),R=范成了片面(生產(chǎn)上為了

2、排屑排冷卻液方便, 有一個(gè)小量,表面微凹)。單點(diǎn)金剛石飛切也是依靠高速旋轉(zhuǎn)的軸與飛刀作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的工作臺(tái)垂直而范成了平面.工具與工件的加工接觸為線(xiàn)接觸。二、 輪廓復(fù)印法或母板復(fù)制法這種復(fù)制法與光柵復(fù)制法不一樣,在復(fù)制過(guò)程有磨削研磨、拋光過(guò)程。采用精磨模、拋光模(固著磨料拋光模與柏油拋光磨)加工的均屬于這一類(lèi).工具與工件的接觸為面接觸。三、小工具修磨法 計(jì)算機(jī)控制拋光(CCP)離子束拋光與手修屬于這一類(lèi),逐點(diǎn)拋修,邊檢邊修,精度可以很高，對(duì)局部修正非常方便.工具與工件的接觸為點(diǎn)接觸。(一) 、銑磨成型光學(xué)平面元件 我國(guó)QM30、PM500、XM260研磨機(jī)直到NVG-750THD型雙軸超精密平面磨

3、床等大型平面銑磨機(jī)利用范成法原理高效銑磨出平面,而且可以采用適當(dāng)?shù)慕饘賷A具,將角度修磨變?yōu)槠叫衅矫娴你娔?機(jī)床磨輪軸與工件的平行度、軸向經(jīng)向跳動(dòng)影響棱鏡的角度精度.銑磨成型是光學(xué)平面元件毛胚加工的主要技術(shù)方法之一。圖一就是PM500銑磨平面的范成運(yùn)動(dòng),圖二就是改進(jìn)的QM30銑削平面的范成運(yùn)動(dòng)。圖三是大型的NVG-750THD型雙軸超精密平面磨床。圖三. 大型雙軸超精密平面磨床(二) 、光學(xué)平面的磨削、研磨與拋光 重點(diǎn)在于加工出高精度光學(xué)表面面型(N、N),磨削、研磨與拋光的運(yùn)動(dòng)形式很多,但其特點(diǎn)是一樣的,光學(xué)平面精度的獲得不主要依靠機(jī)床的精度,而主要依靠母板的精度的傳遞,應(yīng)該重點(diǎn)研究與把握三個(gè)

4、機(jī)理。 1、 輪廓復(fù)制法2、 母板的產(chǎn)生、保持與修復(fù)3、 三塊平面的對(duì)磨與修正 平面精磨模要用金屬平磨來(lái)修磨,金屬平模就是母板,低速環(huán)拋機(jī)的校正板是母板,高速環(huán)拋機(jī)的聚氨酯拋光盤(pán)修正好后也成了母板.母板最原始最基本獲得的辦法是三塊平模的對(duì)磨與相互修正.研磨(精磨)與拋光過(guò)程就是母板的精度的保持、破壞與修復(fù)過(guò)程.精磨模、聚氨酯拋光模與固體磨料拋光模接近剛體,比較好滿(mǎn)足拋光方程要求,所以母板面型保持的時(shí)間長(zhǎng),適合高效加工要求。柏油拋光模塑性大,不滿(mǎn)足拋光方程要求,柏油模在拋光過(guò)程一直處于破壞與修復(fù)過(guò)程,是古典拋光的特點(diǎn),效率低,精度高,并且表面粗糙度好。1、 平面的高速精磨與拋光這是平面的高效的加

5、工的基本方法。例如,在JM030.3、三軸精密精磨拋光機(jī)床(300)與PLM400平面精磨機(jī)(500)(圖4、圖5),采用高速高壓、固著磨料精磨模、固著磨料拋光磨與聚氨酯拋光模等,并采用合理的工藝參數(shù)(速度、壓力、工具大小、擺幅、供液量、液溫等),可以達(dá)到定時(shí)定光圈定表面質(zhì)量的目的.精磨模與拋光模是工作母板,而合理的工藝參數(shù)修工作母板不容易破壞,因而可以較長(zhǎng)時(shí)間保持面型,維持正常生產(chǎn)。圖四.JM030.3三軸精磨拋光機(jī)2、 高速環(huán)型拋光法 HPM60、80、100及JP650型環(huán)型拋光機(jī)的拋光盤(pán)直徑為600、800、1000及600mm. 工件可以為平面,也可以為棱鏡組合光膠鏡盤(pán)或金屬夾具組合

6、棱鏡鏡盤(pán).由于HPM機(jī)型采用變頻調(diào)速,軟啟動(dòng),軟停止,運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),低噪音使用更為方便。 這類(lèi)機(jī)床的工作原理也是母板復(fù)制法,要求底盤(pán)具有高的平面性,工作盤(pán)有時(shí)常修正環(huán)或分離器,主軸轉(zhuǎn)速高15-85rpm，通常用聚酸脂拋光片加拋光懸浮液拋光.顯然修好聚酸脂光盤(pán)的平面性是一個(gè)關(guān)鍵，可以用平面金屬模來(lái)修正也可以用金屬修正環(huán)來(lái)修正，這種方法是中等精度的高效加工方法.圖六a.JP560環(huán)拋機(jī)示意圖 圖6b.JP560環(huán)拋機(jī)圖六c.HPM100環(huán)型平面研磨拋光機(jī)3、 低速環(huán)型拋光法 高精度的平面(如平晶或薄型平面)適合用低速環(huán)型拋光法。這種方法也是母板復(fù)制法,由于工作母板(柏油拋光盤(pán))具有可塑性,是邊拋光邊修

7、正的,校正板起保持與修正作用,而速度、壓力也起保持與修正作用.低速環(huán)拋法的原理 根據(jù)Preston拋光方程.對(duì)工件平面上任意一點(diǎn)M(x,y)(圖六)的拋光量h(x,y)為h(x,y)=AP(x,y)V(x,y)dt式中,PM(x,y)點(diǎn)的瞬時(shí)壓強(qiáng) V(x,y)M(x,y)點(diǎn)的瞬時(shí)速度 T加工時(shí)間 A與加工過(guò)程有關(guān)的工藝系數(shù) V(x,y)作如下分析: , V=R, V=r其瞬時(shí)速度中心在M時(shí), (x,y)=0, V=, V=(R+e), 當(dāng)12時(shí)，當(dāng)R，產(chǎn)生平動(dòng)，速度趨于均勻。當(dāng)推動(dòng)平面的著力點(diǎn)接近接觸面時(shí)，壓力也趨于均勻，從而獲得了均勻拋光（磨損）的條件。熱變形是精密加工時(shí)要關(guān)注的問(wèn)題，由于拋

8、光熱使平行平面工件產(chǎn)生厚度方向的溫度線(xiàn)性分布，用t表示，設(shè)工件外經(jīng)為D，厚度為d，工件材料的熱膨脹系數(shù)為，則平面變成球面性變形，求面的矢高為h，則 h=D2t/8d如工件材料采用微晶玻璃或石英玻璃，則熱變形很小。低速環(huán)型拋光法的工藝參數(shù)及工藝裝備以浙江大學(xué)1984年機(jī)械部簽定通過(guò)的RP-1000環(huán)型拋光機(jī)（圖七A），南京利生光學(xué)機(jī)械責(zé)任有限公司HPM150型環(huán)型機(jī)是低速環(huán)拋機(jī)（圖七B）為例討論參數(shù)。圖七a、RP-1000環(huán)型拋光機(jī)（照片） 圖七b HPM150型環(huán)型拋光機(jī) 環(huán)型拋光模：拋光模環(huán)帶寬度通常為拋光模直徑的0.330.38,拋光模底盤(pán)用鋁合金制成，在拋光機(jī)上通過(guò)端面車(chē)削后即可制作柏油

9、模，模層厚度1010mm之間，拋光膠中通常加入K17塑料粉，以增加韌性與穩(wěn)定性，拋光模應(yīng)加制不通過(guò)中心的方格槽，拋光模通過(guò)車(chē)削或其他方法進(jìn)行修整。如果采用玻璃或花崗巖作襯底，則模層厚度可以大大減薄。校正板：可以用熔融石英、微晶玻璃，K4及K9玻璃制作，也有用金屬盤(pán)貼以玻璃來(lái)代替整塊玻璃制成校正板。校正板直徑通常為拋光模直徑的1/22/3。 工件夾持器：可以用玻璃分離器，也可以用金屬貼以玻璃制成工件夾持器。 轉(zhuǎn)速：主軸速度在精拋時(shí)為1015cm/s之間，速度精度為1%，這時(shí)1 與2接近。當(dāng)然，也可以在校正盤(pán)卡輪上加裝馬達(dá)，以驅(qū)動(dòng)校正盤(pán)的旋轉(zhuǎn)，使2趨近1。 拋光液：采用點(diǎn)滴式加入氧化鈰拋光液，或采

10、用浸沒(méi)式拋光，后者有利于溫度控制，最好采用離子水，控制PH值。 溫度：室內(nèi)溫度為2325，最重要的是室內(nèi)溫度梯度（空間）與溫度變化（時(shí)間）的控制，通常用局部自動(dòng)溫控在±0.05內(nèi)。 校正板工件（工件夾持器）裝御器：我們?cè)O(shè)計(jì)了一臺(tái)特殊的推車(chē)，高度可以調(diào)整，并帶有一組帶橡皮圈的滾柱，裝御很發(fā)方便。 我國(guó)幾個(gè)主要單位的1m環(huán)拋機(jī)主要工藝參數(shù)對(duì)照表如表1所示。表1 我國(guó)1m環(huán)拋機(jī)主要工藝參數(shù)對(duì)照表單 位No.1No.2No.3No.4No.5拋光模直徑（米）1.01.091.11.01.0拋光模表面不平度（mm）0.01車(chē)后未測(cè)0.0050.030.01拋光模轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)水平度（mm/m）未測(cè)0.

11、110.20.30.060.05拋光膠配方0#（13）+10%K172#或1.75#12（玉門(mén)3號(hào)）+6%K1713.5(獨(dú)山子)+3%K1713(獨(dú)山子5#)+5%K17拋光膠軟化點(diǎn)（）708080858085（針入度1112）拋光膠層厚度（mm軸轉(zhuǎn)速（rpm）1211.510.511校正板尺寸（材料）ø590X78（K9）ø630ø600X60ø500X80（K4）ø500X70（K4）室溫（） 夏26°，冬23°21°22°±0.5°25°26

12、°K17的作用 K17是塑料的商業(yè)牌號(hào)，就是聚乙烯醇，呈粉末狀，色白。聚乙烯醇沒(méi)有一定的熔點(diǎn)，加熱時(shí)軟化，拉伸又重新結(jié)晶，有著明顯的纖維圈。溫度高于71±0.2時(shí)熱膨脹系數(shù)大，重復(fù)加熱出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，其變形率如圖所示。在拋光模中增加韌性，提高切削性能；提高穩(wěn)定性，低于60時(shí)，不會(huì)變形。拋光的工作溫度低于3040，高于71時(shí)易變形。制膠與制模工藝 180°配膠，140保溫，100加K17（有的單位7080時(shí)加K17），4050倒膠制模（底模預(yù)熱到4050），自然冷卻、固化，車(chē)平開(kāi)槽，一般為25X25，寬5，深4，（美國(guó)寬4，深6），50溫水修模，用校正板與工件夾持器修

13、平，有時(shí)用工具（刮刀、砂輪）作局部修正。環(huán)型拋光法的優(yōu)點(diǎn) 、環(huán)型拋光模比圓盤(pán)型拋光模的相對(duì)速度工均勻，光12時(shí)工件與拋光模之間相當(dāng)于直線(xiàn)勻速運(yùn)動(dòng)。 、用校正板與夾持器代替分離器，仍保持了分離器的作用，當(dāng)工件尺寸或形狀改變時(shí)，只要改變夾持器即可，不必加工一個(gè)高精度平面的大分離器。 、允許在不停機(jī)、不取下校正板與夾持器的情況下進(jìn)行檢驗(yàn)或調(diào)換工作，維持連續(xù)拋光，有利于提高效率與溫度的平衡，保持拋光模的平面性。 、拋光模表面各部分依次外露，使之散熱容易。 、拋光模露出的空間位置固定，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拋光與自動(dòng)加水。4、 分離器拋光法在二軸杠桿式拋光機(jī)上用分離器拋光法（圖七A）實(shí)現(xiàn)高精加工平面是比較簡(jiǎn)便的方

14、法。我們?cè)赮M015.2A型二軸機(jī)上安裝了二個(gè)蟹鉗式分離器擺架(圖七B),主軸1.520rpm,擺225rpm(變頻無(wú)極調(diào)速),拋光模鋁底模直徑為ø500,水盆ø530,分離器ø400,通常D拋=1.25D分.當(dāng)工件為ø150時(shí),一只分離器可以有三個(gè)分離孔，同時(shí)加工三塊ø150平晶。為了操作方便，擺架應(yīng)有抬起功能，推動(dòng)分離器的滾輪的著力點(diǎn)應(yīng)在滾輪的下部。 5、 雙面拋光法雙面拋光法適用于平行度要求高的薄片,如石英波片、濾光片、平行平面窗等，行星式雙面研磨拋光機(jī)使用很廣泛,太多引進(jìn)國(guó)外機(jī)床,國(guó)內(nèi)風(fēng)雷機(jī)械廠有這類(lèi)機(jī)床產(chǎn)品. 通常上下拋光模用聚氨酯制

15、造,中間工件隔離圈用聚四氟乙烯薄板或有機(jī)玻璃板、PVC板制造,利用工件在分離器孔的位置互換使工件的平行度得到修正,工件的平面性主要是拋光模的輪廓復(fù)印,要求高時(shí)仍要做微量修正，實(shí)際上,在二軸機(jī)上采用檔圈也可以實(shí)現(xiàn)雙面拋光,不僅可以加工平行平面,還可以加工小圓柱棒,圖九是二軸機(jī)雙面精磨與拋光示意圖。(三) 、計(jì)算機(jī)控制拋光與離子拋光計(jì)算機(jī)控制拋光(CCP)是利用小拋光頭在工件上作局部拋修運(yùn)動(dòng),邊檢邊修,再過(guò)幾個(gè)循環(huán),使平面達(dá)到很高的精度,離子拋光與CCP類(lèi)似,把小拋光頭換成離子束就成了離子拋光,離子拋光不僅提高了面形精度,而且改善了表面粗糙度.計(jì)算機(jī)控制拋光在浙江大學(xué)、北京理工大學(xué)、長(zhǎng)春光機(jī)所與成

16、都光學(xué)工程中心等均先后開(kāi)展這項(xiàng)研究工作,后者還從俄羅斯引進(jìn)了CCP三軸與五軸拋光機(jī),加工出不少高精度平面.離子拋光在國(guó)內(nèi)仍屬空白.圖十是浙大CCP實(shí)驗(yàn)裝置與俄羅斯國(guó)立光學(xué)研究所的計(jì)算機(jī)上控制拋光機(jī). 圖十a(chǎn).浙江大學(xué)試驗(yàn)裝置圖十b.俄羅斯國(guó)立光學(xué)研究所的計(jì)算機(jī)控制拋光機(jī)(四) 、單點(diǎn)金剛石飛切光學(xué)平面美國(guó)Pam&Pneumo Inc. 生產(chǎn)的MSG-325金剛石車(chē)床用飛切方法加工過(guò)ø170mm KDP晶體高精度平行平面,用作倍頻器;用飛切方法香港理工大學(xué)、云南光儀廠等單位的Nanoform300也可以實(shí)現(xiàn)平面的飛切.我國(guó)為了解決270X270及310X310mmKDP平面加工

17、問(wèn)題，近年引進(jìn)了俄國(guó)NCM-600立式飛切平面機(jī)床(圖十一)圖十一.俄國(guó)NCM-600立式飛切平面機(jī)床加工工件直徑可達(dá)ø550mm,其工作原理為單點(diǎn)金剛石飛刀高速旋轉(zhuǎn),形成一個(gè)圓的軌跡，工作的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),使單點(diǎn)包絡(luò)成一個(gè)平面,平面的精度主要取決于機(jī)床運(yùn)動(dòng)的超精密度.主軸跳動(dòng):0.05m，主軸剛性：200N/um，導(dǎo)軌的直線(xiàn)性0.1um/250mm,在這個(gè)機(jī)床上已經(jīng)加工出ø270KDP平面,透過(guò)波面達(dá)/2(PV)精度,在此基礎(chǔ)上我國(guó)將開(kāi)始研制這種機(jī)床,技術(shù)指標(biāo)將超過(guò)MO-600的水平。(五) 、棱鏡的大批量生產(chǎn) 對(duì)于等精度或低精度棱鏡的大批量生產(chǎn)通常都是成條加工完成拋光,然后用

18、內(nèi)圓切割機(jī)割開(kāi),如棱鏡尺寸小時(shí)可以用高速排條鋸割開(kāi),一次可以同時(shí)切割多只棱鏡.棱鏡的精磨拋光可以用金屬夾具上盤(pán),一個(gè)夾具可以加工一個(gè)面(圖十二)或三個(gè)面(圖十三).(六)高精度棱鏡的加工方法 高精度棱鏡的批量生產(chǎn)通常采用組合光膠法.圖十四為用長(zhǎng)方體與平行平面光膠板組合光膠加工直角屋脊棱鏡屋脊角的例子.五、光學(xué)平面的檢測(cè)平面的面形檢測(cè)除用樣板看光圈、菲索干涉儀看干涉條紋以外特別推薦下列測(cè)量方法1、 平面面形快速測(cè)量法在立柱式干涉儀上當(dāng)主光線(xiàn)向上出射時(shí),工件被檢面可以在測(cè)環(huán)上東魏測(cè)量,定位面就是被檢面,這樣就可以連續(xù)測(cè)量,不需要重新調(diào)整工件位置,如圖十五為寧波華光儀器有限公司生產(chǎn)的數(shù)字干涉儀上測(cè)量平面數(shù)字條紋.圖十五a.寧波華光儀器有限公司CQG-II車(chē)間數(shù)字干涉儀(儀器全貌)圖十五b.寧波華光儀器有限公司CQG-II車(chē)間數(shù)字干涉儀(測(cè)試報(bào)告)2、 ø 150平面干涉儀的數(shù)字化國(guó)內(nèi)最普通的平面干涉儀是ø150平面干涉儀,光路由上而下,這類(lèi)儀器只要裝上適當(dāng)附件(PZT掃描儀)很容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化,圖十六為浙江大學(xué)與上海星慶光儀公司研制成功并用于生產(chǎn)的 (XQ-15).圖十六. ø150平面數(shù)字干涉儀3、 微小平面的透過(guò)玻面畸變測(cè)量ø4 ø1mm平面的測(cè)量可在CQG-II型干涉儀加上4X或