工艺技术_光学零件工艺学课件

光学零件工艺学 光学零件的抛光工艺 第六章抛光 光学零件的抛光是获得光学表面最主要的工序 其目的 一是去除精磨的破坏层 达到规定的表面质量要求 二是精修面形 达到图纸要求的光圈和局部光圈 最后形成透明规则的表面 光学零件的抛光工艺 玻璃抛光机理 光圈的识别 古典法抛光工艺 高速抛光工艺 玻璃抛光机理 玻璃抛光机理 抛光是获得光学表面的最主要工序 其目的消除精磨的破环层 达到规定的表面要求 经修面形 达到图纸要求的光圈数N和局部误差 也就是在玻璃或其它光学材料上 产生规则的透明表面 抛光的本质是机械 化学和物理三种作用综合的结果 机械磨削 机械磨削 抛光与研磨的本质是相同的 都是坚硬的磨料对玻璃表面进行微小切削作用的结果 由于抛光是用较细的磨料 所以微小切削作用可以在分子范围内进行 使玻璃表面凸出部分被切削掉 逐渐形成光滑的表面 实验根据是 抛光表面有起伏现象 当磨料很细时 精磨也能将玻璃抛光 抛光玻璃重量明显减轻 抛光效率与抛光剂颗粒大小有关系 抛光效率与速度 压力有关系 表面流动理论 表面流动理论 玻璃表面由于摩擦和相对运动产生热量 致使表面产生塑性流动 使表面凸起将凹陷填平 实验根据是 玻璃表面分子的流动而掩盖了划痕 抛去玻璃的重量与抛去玻璃的厚度不对应 软化点高的玻璃 抛光效率低 化学作用 化学作用 抛光过程是水 抛光剂 抛光模和玻璃之间化学作用的结果 化学作用主要是再玻璃表面发生水解作用 实验根据如下 水对玻璃的作用 抛光模材料的化学作用 抛光剂的化学作用 抛光液PH值的影响 添加剂的化学作用 玻璃的化学作用 6 2样板检验原理 被检验光学表面相对于参考光学表面的偏差称面形偏差若两者的面形 球面或平面 不一致 存在微小误差时 就形成一个楔形空气隙 类似一个薄膜 从而产生薄膜干涉现象 若用单色光源 空气隙呈环形对称时 则产生明暗相间的同心圆干涉环 用白光照射产生彩色圆环 这些圆环称作光圈 又叫牛顿环 光学零件面形偏差是在圆形检验范围内 通过垂直位置所观察到的光圈数目 形状 变化和颜色来确定的 并且面形误差用光圈数表示 所以 样板检验亦称 光圈检验 光圈的识别 光圈的识别 对光学零件的抛光一般要达到两个目的光学表面疵病符合规定的等级光学表面几何形状达到规定的要求 光学样板检验原理 光学零件的表面精度是与光学样板比较而鉴别出来的 光学零件的面型精度包括曲率半径偏差 像散偏差和局部偏差三个内容 图6 3光圈检验原理a 干涉现象 b 干涉原理 1 样板 2 工件 一 光圈数N与空气隙厚度 h的关系 两束光的光程差表达式为 式中 与干涉条纹对应的空气隙厚度 折射角 入射光的波长 当时 产生第k级亮条纹 当时 产生第k级暗条纹 第k级和k 1级亮条纹 所对应的空气隙厚度为和 由下式表示 则相邻亮条纹空气隙厚度差近似为 相邻两道光圈之间的空气隙厚度 近似等于二分之一波长 即一道光圈相当空气隙厚度为 则总的光圈数N与空气总厚度之间的关系为 光圈 即干涉条纹的形状是由空气隙等厚层的轨迹决定的 即同一级干涉条纹对应的空气隙厚度是相等的 利用干涉条纹的数量和不规则程度 可以判定球面的面形误差 二 光圈数N与曲率半径偏差 R的关系 光学零件曲率半径与工作样板半径之间的偏差 以干涉条纹数 即光圈数N表示 值不仅取决光圈数N 零件与样板的接触口径D 在此口径范围内显示于涉环 干涉光的波长 还取决于样板是沿边缘接触 低光圈 还是在中部接触 高光圈 样板与透镜沿边缘接触情况 透镜曲率半径 透镜曲率半径偏差 直径之半 零件与样板接触口径 光圈数 入射光波长 光圈数与半径偏差的关系是 三 光圈半径与波长的关系 为第级暗条纹所对应的空气层厚度为级暗条纹对应的干涉条纹半径 为透镜的曲率半径 满足暗条纹条件为 四 相邻光圈的间隔与干涉级的关系 当k 0时当k逐渐增大时 愈来愈小 即逐渐减小 以致眼睛无法分辨 k的极限可由物理光学得知 为人眼所能分辨的波长范围 用白光照射平均波长条 由此得出 用白光检验时 干涉条纹超过50条 就无法分辨了 将k 50代入暗环光程差公式 由此可知 用白光检验时 与k 50对应的最大空气隙厚度不能超过12 5 否则就看不到光圈 二 光圈的识别与度量 低光圈 用样板检验工件时 如果两者在边缘接触 当空气隙缩小时 条纹从边缘向中间移动 则称低光圈高光圈 用样板检验工件时 如果两者在中间接触 当空气隙缩小时 条纹从中心向边缘移动 则称高光圈 识别光圈高低常用方法有三种 1 周边加压法 此方法适用于光圈N 1的判断 采用周边加压法 识别光圈高低的原理是 将样板置于零件上 两者间存在空气隙 在样板周边加压时 则使空气隙由厚变薄 即空气隙由大变小 这样与对应的干涉条纹也随之移动 对于低光圈 空气隙 等厚层的移动方向是由边缘移向中心 因此 与等厚层对应的干涉条纹也随之从边缘向中心移动 高光圈识别 正好与此相反 2 边缘点力法 在样板边缘某一点轻轻加压 使其另一端浮起 则形成楔形空气隙 从而产生干涉条纹 它是根据干涉条纹的弯曲方向和弯曲程度来识别和度量光圈的 如果工件为理想平面 用平面样板 平晶 检验零件时 则呈现平直条纹 由于浮起程度不同 条纹数目也随之增减 如果工件为高光圈 见图 设样板面为A B C D 加工面为E F G H 边缘一点加压后C和G点接触 则两面之间形成楔形空气层 从而产生干涉条纹 如将干涉图形向平面上投影 那么各带条纹势必弯向受力点 这是由与其对应的空气隙等厚层的轨迹方向决定的 此弯曲程度与条纹间隔之比为光圈数 低光圈干涉条纹弯曲方向与上相反 它是背向受力点 这种方法适用于N 1判断 其精度可达到左右 色序法 按光圈颜色的序列来识别光圈高低的方法 称色序法 在白光照射下观测时 光圈形成色序 这是由于组成白光的各种色光 所对应的空气隙 不同所致 低光圈 从中心到边缘的颜色序列为 蓝 红 黄 等 高光圈 从中心到边缘的颜色序列为 黄 红 蓝 等 色序法不仅适用N 1时光圈高低的识别 而且也可用于N 1时光圈的度量 目视移动法 在样板不动的情况下 观察者移动眼睛位置时 也可以判断光圈的高低 如 点头时 光圈由内向外扩散 则为高光圈 反之 光圈由外向内收缩 此时则为低光圈 这是因为点头时 空气层厚度h未变 而i角变大 由光程差可知 则 变小 所以高光圈时 光圈向外扩散 工厂常用 不伤表面 局部偏差的判断 像散偏差 像散偏差 曲率半径误差是从整体上看被检零件的面型精度 如果检验时被检光学表面再相互垂直方向上出现的条纹数不相等 说明被检零件的面型有像散 局部偏差 如果用光学样板检验时局部出现不规则光圈 有凸包或凹陷 说明被检光学表面有局部偏差 凹凸球面偏差 像散偏差的判断 像散偏差的判断 有像散存在就是光学表面的曲率半径不一样 用周边加压法或一侧加压法可以判断像散的大小 当N 1时 光圈呈椭圆形 当N 1时 两垂直方向上的条纹弯曲程度不同 局部偏差的判断 局部误差包括局部低和局部高 塌边和翘边等 这种光圈的识别用一侧加压法判断 像散偏差的判断 像散偏差的判断 有像散存在就是光学表面的曲率半径不一样 用周边加压法或一侧加压法可以判断像散的大小 当N 1时 光圈呈椭圆形 当N 1时 两垂直方向上的条纹弯曲程度不同 局部偏差的判断 局部误差包括局部低和局部高 塌边和翘边等 这种光圈的识别用一侧加压法判断 局部低条纹局部的弯曲凹向背着加压点 局部高条纹局部的弯曲凹向朝着加压点 塌边条纹边缘部位塌向加压点 翘边条纹边缘部位翘向加压点 局部偏差的判断当一侧加压时 中心低条纹中心部位的弯曲凹向背着加压点A中心高条纹巾心部位的弯曲凹向朝着加压点A图一侧加压法判断中心低图一侧加压法判断中心高 a 低光圈中心低 b 高光圈中心低 a 低光圈中心高 b 高光圈中心高 塌边条纹边缘部位塌向加压点A 翘边条纹边缘部位翘离加压点A 图一侧加压法判断塌边图一侧加压法判断翘边 a 低光圈塌边 b 高光圈塌边 a 低光圈翘边 b 高光圈翘边 光圈的度量 光学零件的面形偏差是用光圈数表示的 光圈的度量包括下列三项面形偏差 N 被检光学表面的曲率半径相对于参考光学表面曲率半径的偏差称半径偏差 此偏差所对应的光圈数用N表示 被检光学表面与参考光学表面在两个相互垂直方向上产生的光圈数不等所对应的偏差称象散偏差 此偏差所对应的光圈数用表示 被检光学表面与参考光学表面在任一方向上产生的干涉条纹的局部不规则程度称局部偏差 此偏差所对应的光圈数用表示 如果要求允许的最大象散光圈和局部光圈数相同时 可用同时表示两者的偏差 光圈的度量 光圈的度量 光圈数的计算 规定低光圈为负 高光圈为正 当光圈数N 1时光圈数是有效检验范围内直径方向最多条纹数的一半 N 1的光圈数 光圈的度量 当光圈数N 1时 光圈数用条纹弦高h与对应的相邻两条纹间距H之比 当用小样板检验大零件时 如果被检零件所要求的光圈为N1 那么在用样板检验时应有的光圈数N2应为 S1为被检零件的面积S2为样板的面积 光圈的度量1 光圈数量的计算 N 1的计算在被检光学表面和参考光学表面仅有曲率半径偏差情况下 光圈数度量与表示偏差大小和方向的误差曲线 其中 虚线代表参考光学表面 曲线代表球面 或平面 相对于参考光学表面的偏差大小和方向 平行线间距离代表 2 光圈数 的度量 a N 3 b 2 c N 2 d 1 a 单色光照明时 产生明暗相间的干涉条纹 其条纹数目就是光圈数N 由于1道光圈所对应的空气层厚度为 故采用不同波长的单色光光源 每道圈所表示的具体误差数值也不同 b 白光照射时 产生彩色条纹 彩色条纹数目就是光圈N 因红色鲜明 波段宽 为便于观察 通常以红色为计算光圈的标准颜色 c 按暗条纹计算光圈数时 由于半波损失多算了半道圈 N 1的计算a 对平面或大曲率半径球面零件当零件表面是理想平面或球面时 干涉条纹往往是弯曲成一定程度的不完整圆的光圈 称为弧形光带 此时根据弯曲的程度来判断光圈数 通常以通过直径方向上干涉条纹的弯曲量h相对于条纹间距H的比值来N度量 b 较小曲率半径球面零件对于较小曲率半径球面零件 当N 1时 一般是根据 光斑大小 颜色来估算的 当用白光照明时 首先根据颜色与空气层厚度的对应关系 计算出中心与边缘处空气层厚度差并判断光圈的正负 然后再用平均波长换算成光圈数 用小样板检验大零件时 光圈的计算 局部误差的计算 中心局部偏差 中心高 中心低 图中心局部误差 a 低光圈中心低 b 低光圈中心高 边缘局部偏差 指塌边和翘边 勾边 即边缘多磨或少磨 按高低光圈也分为四种 高光圈 塌边 翘边 低光圈 塌边 翘边 塌边 低光圈塌边c 高光圈塌边b 翘边 低光圈翘边a 高光圈翘边d图边缘局部误差 a 低光圈翘边 b 低光圈塌边 中心及边缘均有局部偏差它是以上两种偏差都具有的情况 识别方法相同 可以根据具体情况进行判断 下面例举加工中常遇到的两种情况 图中心及边缘均有局部偏差 a 低光圈 中心高 塌边 b 低光圈 中心低 塌边 像散偏差的度量 像散偏差的度量 像散偏差光圈数 1N是以两个相互垂直方向上光圈数N的最大代数差的绝对值来度量的 像散偏差有以下几种形式 椭圆形像散光圈数 马鞍形像散光圈数 柱形像散光圈数 N 1的像散光圈数 马鞍光圈 柱形光圈 局部偏差的度量 1 局部偏差的度量 局部偏差光圈数 2N是以局部不规则干涉条纹对理想平滑干涉条纹的偏离量e与两相邻条纹间距的比 即 2N e H 中心局部偏差 它包括低光圈 高光圈 的中心高和中心低四种情况 边缘局部偏差 它包括高 低 光圈的翘边和塌边 局部偏差的度量 2 中心及边缘均有局部误差 当中心及边缘均有局部误差时 2N取最大局部误差 弓形光圈N和局部光圈 2N的度量 弓形光圈和中心及边缘均有局部误差的光圈不同 它不是局部的 当被检零件的光圈为弓形光圈时 规定根据 2N为最小原则定N和 2N 光圈的修改抛光过程中 由于各种因素的影响 使得光学零件表面的几何形状精度 N和 N 超出了图纸规定的要求 形成多种误差 为了消除这些误差 首先是正确判断这些误差 其次是正确调整各种工艺因素来修改光圈 1 影响光圈的因素 1 原材料本身热处理不当 在零件制造过程中 由于应力的变化引起光圈的变形 2 在零件上盘过程中 弹性装置 由于零件受热 会产生应力而引起变形 3 零件上盘时 因粘结胶的收缩变形而使零件在下盘后引起光圈变形 4 抛光模与零件表面接触不良也会引起光圈变形 5 室内温度不均引起的变形 6 最主要的因素是机床调整是否正确 包括机床转速 压力 镜盘与工具的相对速度和相对位移等方面 2 规则光圈的修改 几点说明 1 表中所列是指单项工艺因素的改变对光圈的影响 当几项工艺因素同时考虑时 必须结合具体情况 否则有时会出现相反效果 2 一般情况下 凸镜盘在下 凹镜盘在上 平面镜盘除石膏镜盘在下外 一般在上 3 压力的影响 在古典法抛光中 从法向分力的角度考虑 高光圈应加重 低光圈应减轻 但在实际中 抛光模是有变形的 低光圈应该抛得紧些 高光圈应该抛得松些 改高光圈时若加大压力 必然会使抛光模变形 造成边部压强大 抛得很紧 因此 改高光圈时宜轻 而改低光圈时宜重 4 虽然铁笔向里推和向外拉都可达到加大其主轴中心距离的目的 但由于铁笔向外拉可使上架摆动的弧线加长 故光圈变化速度比铁笔向里推时的要快些 3 局部误差的修改 4 抛光模的修改形式 古典法抛光工艺 古典法抛光工艺 目前在光学零件生产中 采用的抛光方法主要有古典抛光和高速抛光 古典法平面抛光 古典法球面抛光 工艺因素对古典抛光的影响 1 工艺因素对古典抛光的影响 精磨的影响 精磨的好坏影响抛光效率 宏观上看 精磨后的面形应符合一定要求 否则抛光效率降低 从微观结构上看 零件表面的微观不平度也影响抛光效率 抛光模的几何形状 抛光模的几何形状影响抛光精度 在抛光过程中 抛光模表面与工件时紧密接触的 处于相互变化的状态 抛光模的面形必然影响工件的面形精度 抛光模材料和抛光模基体的影响 抛光模材料和抛光模基体的影响 抛光模材料直接影响抛光精度 抛光模过硬抛光模表面的不规则容易引起工件光圈不规则 容易造成擦痕 抛光模过软抛光模容易变形 使抛光镜盘产生塌边 抛光模基体的表面几何形状影响抛光精度 在球面抛光中 如果基体的曲率与理论值不符 则抛光模层厚度不同 模层的走动就不同 厚的地方走动大 薄的地方走动小 薄的地方抛光效率高 厚的地方抛光效率低 抛光剂的影响 抛光剂的影响 抛光粉的硬度 抛光粉的结晶结构影响抛光效率 结晶结构不同 抛光粉的硬度不同 硬度大抛光能力强 适合抛光硬玻璃 抛光粉颗粒的硬度至少要与玻璃的硬度相匹配 抛光剂的浓度 抛光粉和水有一个比例关系 如果使用的是氧化铁抛光粉 则抛光粉与水的比列是1 3 1 4 速度和压力的影响 速度和压力的影响 在抛光模和玻璃粘结胶性能允许的情况下 抛光效率随着速度和压力的增大而增大 温度的影响 温度对抛光模的影响 拿抛光柏油模来说 温度升高 柏油变软 工件面形不容易保证 温度对粘结胶的影响 温度升高 粘结胶变软 工件容易脱胶 温度对工件的影响 温度变化时 如果粘结胶和玻璃的热膨胀系数不一致 工件抛光表面会产生热变形 常见疵病及产生原因 1 常见疵病及产生原因 常见疵病及产生原因 2 高速抛光工艺 高速抛光工艺 准球心法高速抛光工艺 准球心法就是摆动轴线通过下面磨盘的曲率中心 且压力的方向始终指向镜盘的曲率中心 特点 生产效率高 抛光均匀 减轻劳动强度 对室温要求不严 用于中等尺寸 精度光学零件的批量生产 准球心法抛光 高速抛光模的要求 1 高速抛光模的要求 高速抛光属于成型加工法 所以抛光模的好坏直接影响光学零件的面形精度和表面疵病 微孔结构抛光模能吸附储存大量的抛光粉颗粒 而且使抛光粉颗粒在微孔内自由滚动 有利于机械作用的发挥 微孔结构有利于储存大量的水分 既能使抛光颗粒分布均匀 又能进行水解反应 还有冷却和清洗的作用 高速抛光模的要求 2 耐热性强由于高速抛光模要承受抛光中高速高压所产生的热 为了防止抛光模变形 保证光圈的稳定 抛光模要有良好的热稳定性 耐磨性好为了保证抛光模的尺寸精度和面形精度 抛光模有较好的耐磨性 能长期保持面形精度 延长使用寿命 高速抛光模的要求 3 柔韧性在一定的温度和压力下 抛光模应具有一定的蠕动 这样有利于抛光模与镜盘的吻合 以减少表面疵病 获得所要求的光圈 硬度抛光模硬度要适当 如果太软就经不起高速高压的冲击 抛光模变形 太硬容易造成光圈不规则 产生擦痕 抛光模材料 抛光模材料 抛光模材料可分为两大类 一是热塑性树脂 二是热固性树脂 工艺因素对准球心高速抛光的影响 准球心问题如果摆臂不对准球心 会引起压力不均匀 光圈难控制 因此应尽量使上模的轴线对准工件 下模 球心 球心调整误差不超过 2mm 工艺因素对准球心高速抛光的影响 抛光速度和压力在高速抛光中 速度和压力的影响与古典抛光相似 在工艺条件允许下 抛光效率与速度和压力成线性关系 抛光液抛光液的粒度应均匀一致 浓度一般为10 15 当浓度超过30 抛光效率下降 温度应在30 38 之间选择 抛光液的PH值应选择中性或偏酸性 固体磨料高速抛光工艺 固体磨料高速抛光工艺 特点 在抛光过程中 不需要加抛光液 只需自动加冷却液 抛光模面形稳定性好 抛光效率高 改善了环境卫生 抛光模 由抛光片按照余弦磨损 球面 均匀磨损 平面 的排列方式组成 抛光片是由结合剂和抛光粉两部分组成 常用的结合剂是合成高分子材料 制成不同形状和尺寸的小圆片 这种抛光模的抛光能力强 自锐性好 面形稳定 固体磨料高速抛光工艺 工艺因素 速度和压力一般情况下 抛光效率与速度和压力成线行关系 但要考虑到机床和抛光模的性能 镜盘的结构等 精磨的要求固着磨料抛光对精磨工艺要求很严格 对光圈 光圈的一致性 表面光洁度和抛光模要求相匹配 抛光液的要求在固着磨料抛光中 抛光液要有良好的冷却 清洗和润滑性能温度一般在25 38 范成法高速抛光工艺 范成法高速抛光工艺 与金刚石磨轮铣磨成型加工原理相似 工件与模具轴各自强制转动 两轴线相交于一点 夹角为 模具活动轨迹形成球面 范成法高速抛光 范成法抛光的加工精度主要依靠机床的精度 一般用来加工大曲率半径的零件 范成法与准球心法抛光的比较 抛光的加工余量 抛光的加工余量 加工余量与表面粗糙度有关 列表如下 零件的下盘 零件的下盘 加热下盘法适用于松香 蜂蜡混合胶粘结的镜片 冷冻下盘法适用于平面镜的浮胶法 透镜或棱镜的弹性胶法 敲击下盘适用于石膏盘 弹性上盘 浮胶 光胶等 零件的下盘 高精度平面光学零件抛光工艺 高精度平面光学零件抛光工艺 光胶法 光胶法是利用光学表面间分子吸力来装夹工件 这种方法适合于加工棱镜 长方体 立方体 平行平板等 既能保证平面度 又能保证角度精度 方法将已经抛光好一面的工件光胶到光胶工具上 接触面间不需要任何粘结胶 这种装夹方式要求工件光胶面的光圈必须很好 对夹具的要求很高 分离器法 分离器法 分离器是一块有若干个圆孔的玻璃圆盘 它的工作面平面度很好 适合于平面样板的抛光 抛光时工件可以在圆孔内自由转动 同时还随分离器一起运动 特点加工精度高 稳定 减轻了劳动强度 提高了加工效率 但当工件尺寸很大时 分离器尺寸会相应增大很多 制造就较为困难 分离器 环式连续抛光法 环式连续抛光法 该方法是从块规的行星式抛光移植而来的 工作时将工件置于待校正盘的环式抛光模上 由夹持器驱动进行抛光 特点面形稳定 均匀抛光 连续抛光 易实现自动化 这种方法可加工很薄的平面零件 能加工出不平行度 1 0 1 的平面零件 碳氟塑料抛光模 碳氟塑料抛光模 光学抛光采用的碳氟塑料是聚全氟乙丙稀 即四氟乙烯与六氟丙稀的共聚物 特点长期保持面形的正确性 抛光模表面很光滑 没有微孔结构 基体是石英玻璃 模层是涂碳氟塑料 可采用机器抛光 高精度球面光学零件抛光工艺 高精度球面光学零件抛光工艺 平面面形精度为N 0 5 0 1 N 0 1以上的零件称为高精度球面光学零件 球面光学样板就是这类零件 球面样板是测量工具 按用途分为工作样板和标准样板两种 R 35mm的标准样板的制造 R 35mm的标准样板的制造 标准样板的制造 R 35mm的标准样板的制造 对于R 35mm的标准样板 为达到A级精度 凸样板一般做成整球或超半球的形式 整球样板的毛坯可以热压成球形 也可以是正方形毛坯 再磨成八角坯后进行滚圆 然后再根据圆球制造凹凸样板 面形的规则性是通过凹凸样板的对磨来保证 标准样板的制造 R 35m