光學(xué)加工技術(shù)

第1章

光學(xué)加工技術(shù)《光學(xué)加工》OpticalFabrication課程公共郵箱：講授：郎賢禮(HFUT)本章內(nèi)容光學(xué)材料1粗磨與精磨2拋光3光學(xué)零件的膠合41課時(shí)21.1光學(xué)材料一.玻璃的組成與結(jié)構(gòu)(一)光學(xué)玻璃的組成光學(xué)玻璃與普通玻璃的主要區(qū)別：前者具有高度的透明性、物理及化學(xué)性質(zhì)高度均勻性及特定和精確的光學(xué)常數(shù)一般來講玻璃的主要成分是二氧化硅(SiO2),又稱石英砂。通常熔煉玻璃都加入其它物質(zhì)，以改善玻璃的性能和滿足光學(xué)需要。主要是氧化物。各種氧化物對(duì)玻璃性質(zhì)的影響見表1-131.1.1玻璃的組成與結(jié)構(gòu)各種氧化物對(duì)玻璃性質(zhì)的影響各種氧化物對(duì)玻璃性質(zhì)的影響表1-14├玻璃的物理特性(二)玻璃的物理特性玻璃除具有固體的機(jī)械性和光學(xué)性能外，還有以下物理特性：各向同性介穩(wěn)狀態(tài)熱力學(xué)不穩(wěn)定的狀態(tài)玻璃從熔融態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)化是連續(xù)可逆的(三)玻璃的結(jié)構(gòu)玻璃的結(jié)構(gòu)理論涉及問題比較復(fù)雜，到目前為止尚不完善，但比較流行的是無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說。5└玻璃的結(jié)構(gòu)1932年荷蘭學(xué)者查哈里阿生，提出無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)說。認(rèn)為：玻璃的原子、離子或原子團(tuán)的結(jié)合構(gòu)成一個(gè)連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)體，而網(wǎng)絡(luò)體呈現(xiàn)出很大的不規(guī)則性Na2O-SiO2玻璃結(jié)構(gòu)在熔融石英玻璃中加入堿金屬氧化物(R2O)或堿土金屬氧化物(RO)，使硅氧四面體[SiO2]組成的網(wǎng)絡(luò)體斷裂。在某些四面體的空隙中，均勻但無序的分布著堿金屬和堿土金屬離子。61.1.2無色光學(xué)玻璃一.光學(xué)玻璃的分類與命名光學(xué)玻璃的品種繁多，其中絕大部分是無色光學(xué)玻璃，因此光學(xué)玻璃的分類及命名，主要指無色光學(xué)玻璃而言。光學(xué)玻璃的發(fā)展20世紀(jì)40年代前常用光學(xué)玻璃硅酸鹽系玻璃占光學(xué)玻璃80%20世紀(jì)40年代后新品種玻璃硼酸鹽.磷酸鹽系用作光學(xué)儀器

90年代后紫外和紅外玻璃氟化物硫、硒化合物氧化物玻璃非氧化物玻璃7├光學(xué)玻璃的分類與命名分類方法光學(xué)玻璃按色散系數(shù)(阿貝數(shù))的大小分為冕牌及火石玻璃。大致分界線為色散系數(shù)v=50。如德國(guó)規(guī)定：n<1.6,v>50為冕牌類，其余為火石類。我國(guó)的光學(xué)玻璃標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定有K代表冕牌玻璃，F(xiàn)代表火石玻璃。每一大類又可進(jìn)一步細(xì)分，第一品種在n-v圖中占一定的區(qū)域。冕牌玻璃及火石玻璃下，按折射率的高低分成小類從低到高有“輕”、“重”之分，分別用”Q””Z”表示；特殊色散性能的玻璃用T表示。8└光學(xué)玻璃nd-vd領(lǐng)域圖光學(xué)玻璃nd-vd領(lǐng)域圖圖1-6無色光學(xué)玻璃的類型和化學(xué)組成表1-29二.無色光學(xué)玻璃的質(zhì)量指標(biāo)二.無色光學(xué)玻璃的質(zhì)量指標(biāo)為滿足光學(xué)系統(tǒng)的成像要求，對(duì)光學(xué)玻璃的質(zhì)量要求有:(一)折射率、色散系數(shù)的允差我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定主折射率是指光學(xué)玻璃對(duì)鈉光d（波長(zhǎng)0.5786μm）的折射率，用nd表示。此外常用的還有對(duì)F譜線(波長(zhǎng)0.4861μm的藍(lán)光)的折射率用nF表示;對(duì)C譜線(波長(zhǎng)0.6563μm的紅光)的折射率用nC表示。色散表示光學(xué)玻璃對(duì)不同的光具有不同的折射率。色散大小用F譜線和C譜線之差表示，即nF－nC，稱作中部色散。通常度量光學(xué)玻璃的色散程度用色散系數(shù)(又稱阿貝數(shù))vd:10└無色光學(xué)玻璃的質(zhì)量指標(biāo)(二)光學(xué)均勻性光學(xué)均勻性是指同一塊玻璃中，各部分的折射率變化的不均勻程度。(三）應(yīng)力雙折射理想的玻璃是各向同性的。但嚴(yán)格來講，由于玻璃在熔煉降溫過程中，內(nèi)部溫度總比外部高，難以均衡，產(chǎn)生應(yīng)力。從而使玻璃具有各向異性的性質(zhì)。光線能過時(shí)會(huì)產(chǎn)生雙折射像。(四)光吸收系數(shù)光學(xué)玻璃對(duì)某波長(zhǎng)光線的透明度，以光吸收系數(shù)E來表示(E表示白光通過1cm厚的玻璃所的光能量與進(jìn)入該玻璃光能量之比)。一般通過提高玻璃原材料的純度，嚴(yán)格控制熔煉過程中混入著色性雜質(zhì)來實(shí)現(xiàn)。(五)條紋度和氣泡度11三.無色玻璃的物理化學(xué)性質(zhì)三.無色玻璃的物理化學(xué)性質(zhì)(一)耐潮穩(wěn)定性(二)耐酸穩(wěn)定性(三)折射率溫度系數(shù)(四)熱膨脹系數(shù)和轉(zhuǎn)變溫度(五)導(dǎo)熱系數(shù)(六)楊氏模量、剪切模量和泊松比(七)努普硬度121.1.3光學(xué)塑料一.光學(xué)塑料的性能和組成塑料的主要成分是高分子聚合物-樹脂。其性質(zhì)也主要由樹脂決定，但在樹脂中的增強(qiáng)劑、增塑劑、穩(wěn)定劑和潤(rùn)滑劑等對(duì)改善塑料的性能起著重要的作用。按其性質(zhì)可分為兩類：熱塑性塑料指反復(fù)加熱仍有可塑性的塑料。光學(xué)塑料大部分是熱塑性塑料PMMA(有機(jī)玻璃)、聚苯乙烯等熱塑性塑料指由加熱固化的合成樹脂制成的塑料。加熱初期具有可塑性，繼續(xù)加熱則伴隨化學(xué)變化而變硬。再加熱也不再軟化不再具有可塑性。CR39、環(huán)氧光學(xué)塑料光學(xué)塑料分類13├常用光學(xué)塑料常用光學(xué)塑料常用光學(xué)塑料1234聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA、王冕塑料)高透過率92%,n=1.492質(zhì)輕、價(jià)廉、易加工耐沖擊，但易劃傷應(yīng)用廣泛占整個(gè)光學(xué)塑料的90%相機(jī)取景器彩電、投影電視菲涅耳透鏡光盤和光纖軍事應(yīng)用聚苯乙烯(火石塑料)高透過率90%,n=1.591質(zhì)輕、價(jià)廉、易加工自由著色、無毒無味強(qiáng)度小，耐熱低，應(yīng)用廣泛:透鏡、光柵光盤、光纖儀表外殼，燈罩和裝飾環(huán)氧樹脂以環(huán)氧樹脂為主體制成塑料。烯丙基二甘醇碳酸酯(CR39)抗沖擊、耐腐蝕耐磨性好但收縮率大，價(jià)格昂貴廣泛應(yīng)用于樹脂鏡片制作14├光學(xué)塑料的主要優(yōu)缺點(diǎn)二.光學(xué)塑料的主要優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)相對(duì)密度小耐沖擊強(qiáng)度高透紅外、紫外性能好耐溫度驟變能力強(qiáng)易成型成本低例：0.558cm口徑子彈打不穿0.3cm厚的聚碳酸酯塑料板可采用注射/澆鑄/熱壓/車削等加工方法，不必精磨拋光；特殊光學(xué)零件加工如非球面；成本僅為玻璃零件1/10-1/3015└光學(xué)塑料的主要優(yōu)缺點(diǎn)缺點(diǎn)熱膨脹系數(shù)高，吸水性大耐磨性差光學(xué)常數(shù)選擇范圍有限熱膨脹系數(shù)是玻璃的10倍，加上吸濕性大。故光學(xué)塑料不能制作高精度光學(xué)零件光學(xué)塑料品種少，光學(xué)常數(shù)選擇范圍有限。其折射率在1.47～1.60,阿貝數(shù)30～57.滿足不了光學(xué)設(shè)計(jì)的要求，限制其應(yīng)用。161.2粗磨與精磨前言把光學(xué)零件毛坯加工成透明光學(xué)表面需要三大基本工序——粗磨、精磨和拋光粗磨是將塊料或型料毛坯加工成一定幾何形狀、尺寸精度和表面粗糙度的工序?，F(xiàn)在普遍采用金剛石磨具銑削加工技術(shù)。精磨的目的是保證工件達(dá)到拋光前所需要的面形精度、尺寸精度和表面粗糙度。方法分為散粒磨料精磨和金剛石精磨，后者又稱高速精磨，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和流水線加工。171.2.1粗磨一.研磨的本質(zhì)(一)散粒磨料的研磨散粒磨料研磨，指用磨料加水配的懸浮液對(duì)玻璃進(jìn)行研磨加工。散粒磨料研磨分布在磨盤1和工件2之間的磨料顆粒3,借助磨盤與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，首先使玻璃表面形成交錯(cuò)的裂紋，然后磨料繼續(xù)流動(dòng)，再加上水滲入裂紋的水解作用，加劇了玻璃的破碎18├散粒磨料研磨產(chǎn)生劃痕原因個(gè)別顆粒長(zhǎng)時(shí)間粘固在磨具上磨粒不均勻造成。通常磨粒最大尺寸和最小尺寸比為2:1.研磨過程的化學(xué)作用，主要是水參與了玻璃表層的水解反應(yīng)，在裂紋中形成硅酸凝膠膜，其膨脹使裂縫加深變寬，促進(jìn)了玻璃碎屑的脫落。由此可見，研磨的過程主要是尖硬的磨料顆粒對(duì)玻璃表面破壞的過程。水解的也起了一定的作用，但是次要的。19

├固著磨料的研磨(一)散粒磨料的研磨散粒磨料研磨，指用磨料加水配的懸浮液對(duì)玻璃進(jìn)行研磨加工。固著磨料研磨即銑削加工，是采用固著磨料的金剛石磨具研磨玻璃，它與金屬的加工類似。磨具的主要運(yùn)動(dòng)是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)20├散粒磨料研磨產(chǎn)生劃痕原因個(gè)別顆粒長(zhǎng)時(shí)間粘固在磨具上磨粒不均勻造成。通常磨粒最大尺寸和最小尺寸比為2:1.研磨過程的化學(xué)作用，主要是水參與了玻璃表層的水解反應(yīng)，在裂紋中形成硅酸凝膠膜，其膨脹使裂縫加深變寬，促進(jìn)了玻璃碎屑的脫落。由此可見，研磨的過程主要是尖硬的磨料顆粒對(duì)玻璃表面破壞的過程。水解的也起了一定的作用，但是次要的。21├固著磨料的研磨(二)固著磨料的研磨銑削加工，是采用固著磨料的金剛石磨具研磨玻璃，與金屬的加工類似。在磨具表面上固著的金剛石顆粒，類似車刀。銑削加工中，磨具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的切削力R可分解為水平分力Fk和垂直分力Fn.在Fn的作用下磨粒深入玻璃的深處，形成互相交錯(cuò)的錐形裂紋。Fk是水平切削力。固著磨料研磨22固著磨料的研磨在光學(xué)加工技術(shù)中，采用固著的金剛石磨具磨削玻璃，是提高生產(chǎn)率最有效的方法。原因：固著的磨粒像無數(shù)把車刀。固著的磨粒只作用于玻璃表面，不參與相互磨碎。磨粒受力大切削速度高，達(dá)15-25m/s在采用較大的粒度的磨料時(shí)，可用小的進(jìn)給量，則表面會(huì)形成小的微觀不平度。由于上述優(yōu)點(diǎn)，加上人造金剛石的普及，金剛石固著磨具不完成用于研磨輔助表面和粗加工，而且還廣泛應(yīng)用于高速精磨中，并開始用微細(xì)的磨粒拋光玻璃。銑磨比散粒研磨的砂面要細(xì)。例：當(dāng)磨輪粒度為60~80#時(shí)，其銑磨表面的27~53um，相當(dāng)于180～240散粒研磨的砂面23二.銑削加工原理二.銑削加工原理在銑磨機(jī)上，采用金剛石磨具加工玻璃的工序，稱作粗磨的銑削加工，又稱范成法加工。所謂范成法是利用磨輪刃口軌跡包絡(luò)面形成球面的方法。(一)球面銑削原理如圖所示，金剛石磨輪刃口通過工件頂點(diǎn)，磨輪軸線和工件軸線相交于O點(diǎn)，并且兩軸的夾角為α，磨具繞自身高速旋轉(zhuǎn)，工件繞自身低速轉(zhuǎn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)的軌跡就形成球面。球面半徑的大小與兩軸的夾角α有關(guān)。當(dāng)磨具選定后，中徑Dm的端面圓弧半徑r為定值，調(diào)節(jié)不同的α角，即可加工不同曲率半徑R的球面。R與α的關(guān)系如下：24１.幾何原理在銑削加工時(shí)，磨輪端面在工件表面上某一瞬間的切削軌跡是一個(gè)圓，此圓與工件軸的傾斜α角，所以稱為斜截圓。25垂直于直線ＯＸ并通過Ａ點(diǎn)的平面將球切割，其切口形成一個(gè)圓，相當(dāng)于斜截圓。斜截圓與OX軸的交點(diǎn)為O’,圓半徑r0,r0相當(dāng)于磨輪中的Dm之半即：令A(yù),B,C,D是斜截圓上的點(diǎn)，那么Ｒ相當(dāng)于工件的半徑，同時(shí)ABCD也是以Ｏ為球心，Ｒ為半徑球上的圓。角AOX＝α（兩軸夾角），則262.斜截圓的軌跡方程在右圖中，坐標(biāo)原點(diǎn)O為工件軸與磨輪軸的交點(diǎn)(即Ｏ為工件表面的曲率中心)，OZ為工件軸線，ＯＡ＝Ｒ，OZ’為磨輪軸線，o’為斜截圓的中心。在X’Y’Z’坐標(biāo)系中斜截圓方程為

a設(shè)M為斜截圓上的一點(diǎn)，Ｍ點(diǎn)在XYZ坐標(biāo)系中是坐標(biāo)為(X,Y,Z),在X’Y’Z’坐標(biāo)系坐標(biāo)為(X’,Y’,Z’),將Ｍ點(diǎn)(X’,Y’,Z’)轉(zhuǎn)換到XYZ坐標(biāo)系中，根據(jù)坐標(biāo)變換關(guān)系27

b將b代入a中，化簡(jiǎn)得到說明斜截圓上任意一點(diǎn)的軌跡是球面，即銑削加工的運(yùn)動(dòng)軌跡是球面。28*(二)球面銑削原理平面銑削加工的目的，是獲得具有一定平面度或平行度要求的平面零件。29光學(xué)加工課程簡(jiǎn)介先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)是為適應(yīng)現(xiàn)代高科技發(fā)展的需要而興起的超精密加工技術(shù)。已經(jīng)發(fā)展為用數(shù)學(xué)模型描述工藝過程先、以計(jì)算機(jī)數(shù)字控制為主導(dǎo)的可確定性加工。應(yīng)該說，光學(xué)制造技術(shù)幾個(gè)世紀(jì)以來與光學(xué)科學(xué)一起歷經(jīng)了長(zhǎng)期的探索，取得了持續(xù)有效的發(fā)展和進(jìn)步。30(三)銑槽及磨圓弧原理為了便于安裝固定或減輕質(zhì)量等原因，往往進(jìn)行銑槽及磨圓弧等加工。31光學(xué)加工課程簡(jiǎn)介內(nèi)涵：傳統(tǒng)加工方法不易突破的精度極限微細(xì)尺寸加工特殊形狀零件加工特點(diǎn)：多學(xué)科交叉超精密化定量化與重復(fù)性本課程除介紹傳統(tǒng)的光學(xué)加工技術(shù)外，將介紹部分具有代表性的先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)。32光學(xué)制造技術(shù)發(fā)展11760-1949年資源經(jīng)濟(jì)時(shí)代手工作業(yè)與經(jīng)典機(jī)械21950-1979能源經(jīng)濟(jì)時(shí)代電氣自動(dòng)化和剛性生產(chǎn)方式31980至今信息化時(shí)代機(jī)電一機(jī)化，智能化和集成化先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)發(fā)展迅速發(fā)展歷史33光學(xué)制造技術(shù)發(fā)展發(fā)展方向大型及微型空間光學(xué)，天文、航天、激光聚變等等涉及大尺寸光學(xué)元件的制造；微小光學(xué)的發(fā)展為光學(xué)技術(shù)的發(fā)展帶來革命性突破，實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)微型化、陣列化和集成化。長(zhǎng)波與短波激光與紅外技術(shù)；微電子X射線光刻剛性與柔性化大規(guī)模生產(chǎn)的光學(xué)制造技術(shù)；高精度單件小批高技術(shù)生產(chǎn)的柔性化、便捷化與智能化技術(shù)13234光學(xué)制造技術(shù)發(fā)展發(fā)展動(dòng)力高技術(shù)的牽引市場(chǎng)需求推動(dòng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)推動(dòng)123空間光學(xué)激光聚變強(qiáng)激光光纖通信傳統(tǒng)光學(xué)元件需求現(xiàn)代光學(xué)工業(yè)市場(chǎng)需求間諜衛(wèi)星精確制導(dǎo)夜戰(zhàn)能力35光學(xué)制造技術(shù)發(fā)展放置圖片36本課程內(nèi)容提要超光滑表面加工技術(shù)4變折射率光