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(xué)零件的簡(jiǎn)介1非球面光學(xué)零件的加工方法2計(jì)算機(jī)控制光學(xué)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(xué)零件的簡(jiǎn)介非球面光學(xué)元件，是指面形由多項(xiàng)高次方程決定、面形上各點(diǎn)的半徑均不相同的光學(xué)元件。

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1.1非球面的分類：

二次曲面

單軸對(duì)稱非球面

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

二軸對(duì)稱非球面：柱面、復(fù)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(xué)儀器中的非球面光學(xué)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(xué)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(diǎn)1.具有優(yōu)良的光學(xué)性能：無球差2.改善了成像質(zhì)量3.簡(jiǎn)化了光學(xué)系統(tǒng)：在光學(xué)系統(tǒng)中用一個(gè)非球面代替多個(gè)球面來校正像差。4.減輕了儀器的質(zhì)量CompanyLogo1.3非球面光學(xué)零件的應(yīng)用非球面光學(xué)零件已廣泛應(yīng)用于航空機(jī)載設(shè)備、衛(wèi)星、激光制導(dǎo)、紅外探測(cè)等領(lǐng)域，同時(shí)在民用光電產(chǎn)品上的應(yīng)用也越來越普及。光學(xué)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(xué)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(yīng)用于大視場(chǎng)、大孔徑，像差要求高，結(jié)構(gòu)要求小，或有特殊要求的光學(xué)系統(tǒng)中，非球面光學(xué)零件因其優(yōu)良的光學(xué)性能而日益成為一類非常重要的光學(xué)零件。CompanyLogo正是由于光學(xué)非球面元件的廣泛使用，使得光學(xué)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(xì)加工技術(shù)的發(fā)展、高精密數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)，使非球面光學(xué)零件的加工技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)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(shí)現(xiàn)了加工及檢測(cè)的自動(dòng)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(xué)零件制造過程非球面制造通常分為非球面成形和光學(xué)面實(shí)現(xiàn)兩個(gè)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(dá)到非球面要求，但是表面粗糙度還很大，還不是光學(xué)面，不能夠透射或反射光。2）光學(xué)非球面實(shí)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(xué)面。還有一些非球面制造的非球面成型和光學(xué)面實(shí)現(xiàn)是同時(shí)完成，如單點(diǎn)金剛石車削、光學(xué)塑料模壓、玻璃模壓等。CompanyLogoCompanyLogo

Part2.非球面光學(xué)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(xué)材料的形狀改變從而實(shí)現(xiàn)非球面制造。光學(xué)塑料模壓技術(shù)3)材料表面沉積法：是通過在一種光學(xué)材料表面沉積其他光學(xué)材料制造非球面的方法。表面鍍膜法、表面復(fù)制法4)改變材料性質(zhì)法加工應(yīng)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(xué)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(yīng)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(shí)現(xiàn)柔性拋光方法，還有磁流變拋光技術(shù)。計(jì)算機(jī)控制光學(xué)加工技術(shù)具有先進(jìn)水平，它包括單點(diǎn)金剛石切削技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控銑削拋光技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控銑磨拋光技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控應(yīng)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(shí)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(xué)腐蝕也可以實(shí)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(jī)床上可進(jìn)行各種玻璃零件加工。優(yōu)缺點(diǎn)：精度高，但設(shè)備昂貴，最終拋光還需要手修。在非球面中最常見的是一個(gè)對(duì)稱軸的回轉(zhuǎn)非球面，回轉(zhuǎn)非球面通常采用數(shù)控機(jī)床進(jìn)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(tái)；3-旋轉(zhuǎn)滑板；4-X軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5-防震機(jī)構(gòu)；6-激光頭；7-z軸滑板；8-z軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)CompanyLogoPart3.計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成型技術(shù)非球面數(shù)控加工主要運(yùn)用的是計(jì)算機(jī)控制光學(xué)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(cè)數(shù)據(jù)，建立加工過程的控制模型，用計(jì)算機(jī)控制一個(gè)小磨頭對(duì)非球面零件進(jìn)行研磨拋光，通過控制磨頭在工件表面的駐留時(shí)間及相對(duì)壓力來控制材料的去除量。

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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(diǎn)計(jì)算機(jī)控制小工具拋光技術(shù)的實(shí)質(zhì)和目的是把高級(jí)光學(xué)加工者的加工技巧數(shù)字化、定量化，由計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，從而控制拋光模對(duì)工件表面進(jìn)行加工。與傳統(tǒng)加工方法比較，計(jì)算機(jī)控制小工具拋光技術(shù)對(duì)工件面形的判斷更加準(zhǔn)確，拋光過程控制更加可靠，使大口徑非球面光學(xué)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(chǔ)理論方程：目前，描述光學(xué)表面拋光過程比較成功的數(shù)學(xué)模型是Preston（普雷斯頓）方程如下：

CompanyLogoCompanyLogo經(jīng)過普雷斯頓假設(shè)，光學(xué)拋光過程順利的簡(jiǎn)化了。計(jì)算機(jī)控制小工具拋光技術(shù)也是以此為基礎(chǔ)，上式正是計(jì)算機(jī)控制拋光技術(shù)的基礎(chǔ)方程。只要我們對(duì)拋光過程的描述正確，并已知被拋光位置的壓力、相對(duì)拋光速度以及拋光時(shí)間，就可以計(jì)算出在這個(gè)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(xué)面形測(cè)量?jī)x器測(cè)量光學(xué)元件的面形誤差，取得當(dāng)前光學(xué)表面的面形數(shù)據(jù)。2.將面形數(shù)據(jù)與預(yù)期的面形比較，得到本加工周期所需要達(dá)到的材料去除分布函數(shù)。3.選擇拋光參數(shù)，根據(jù)預(yù)期的材料去除量計(jì)算駐留時(shí)間函數(shù)和最優(yōu)化加工路徑，并通過計(jì)算機(jī)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(jī)床數(shù)控系統(tǒng)。4.重復(fù)第（3）步，直到模擬的拋光結(jié)果符合要求時(shí)，將拋光模運(yùn)動(dòng)參數(shù)轉(zhuǎn)化成機(jī)床控制文件，并傳送到機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)。5.機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)讀入并執(zhí)行控制文件，驅(qū)動(dòng)機(jī)床各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)按照一定參數(shù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)本周期內(nèi)拋光模對(duì)工件表面的加工。6.這一個(gè)加工周期完成后，再次用面形檢測(cè)儀器實(shí)時(shí)檢測(cè)工件面形，為下一個(gè)加工周期提供面形數(shù)據(jù)，如此周而復(fù)始，直到得到符合要求的光學(xué)表面。CompanyLogoCompanyLogo計(jì)算機(jī)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(jī)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(yù)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(shì)，更好地修正局部誤差，在短時(shí)間內(nèi)就能使工件的面形精度達(dá)到要求，但是由于它產(chǎn)生比較明顯的表面波紋度，從而導(dǎo)致表面中高頻誤差，元件產(chǎn)生高級(jí)像差。為了避免這種中高頻誤差，首先對(duì)零件進(jìn)行彈性拋光盤預(yù)拋光。預(yù)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(shí)，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(shí)，材料去除量最大，整個(gè)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(yán)重破壞面形精度的問題，現(xiàn)將檢測(cè)曲線反饋到銑磨機(jī)中，第二次銑磨非球面，在此過程中引入補(bǔ)償量，補(bǔ)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(cè)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(duì)工件表面材料的去除量與壓力、相對(duì)速度以及駐留時(shí)間成正比。根據(jù)輪廓儀測(cè)得的預(yù)拋光檢測(cè)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(jìn)行幾次修正拋光,多次重復(fù)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(duì)玻璃的侵蝕作用（2）光學(xué)玻璃化學(xué)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(duì)拋光過程的影響（5）拋光模的作用

CompanyLogo目前國(guó)內(nèi)外仍然廣泛使用計(jì)算機(jī)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(yīng)用，數(shù)控加工非球面正成為各國(guó)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(shí)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(duì)磨削效率和表面粗糙度的影響正好相反，粒度越細(xì)，工件表面粗糙度愈小則效率越低。粒度對(duì)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(gè)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(duì)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(huì)造成磨具與工件之間摩擦力增大，發(fā)熱量大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使零件炸裂。同時(shí)，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(shí)候就會(huì)掉下來，這樣不但會(huì)影響效率，而且還造成磨具不應(yīng)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?！翱死笔墙饎偸|(zhì)量的計(jì)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(duì)減少，這樣對(duì)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(yīng)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(duì)的應(yīng)高些。假如結(jié)合劑品種不同，則金剛石的濃度也應(yīng)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(dòng)一周的吃刀量。實(shí)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(yīng)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(shí)，更應(yīng)特別注意吃刀量不能過大。在彈性進(jìn)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(shí)，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(shí)，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)