光学加工基础知识

光 学 加 工 基 础 知 识1光学玻璃基本知识一.基本分类和概念光学材料分类：光学玻璃、光学晶体、光学塑料三类。玻璃的定义：不论化学成分和固化温度范围如何，一切由熔体过冷却所得的无定形体，由于粘度逐渐增加而具有固体的机械性质的，均称为玻璃。光学玻璃分为冕牌K和火石F两大类，火石玻璃比冕牌玻璃具有较大的折射率nd和较小的色散系数vd。二.光学玻璃熔制过程将配合料经过高温加热,形成均匀的，高品质的，并符合成型要求的玻璃液的过程,称玻璃的熔制。玻璃的熔制，是玻璃生产中很重要的环节.，玻璃的许多缺陷都是在熔制过程中造成的, 玻璃的产量、质量、生产成本、动力消耗、熔炉寿命等都与玻璃的熔制有密切关系。混合料加热过程发生的变化有:物理过程-配合料的加热，吸附水的蒸发，单组分的熔融，个别组分挥发.某些组分的多晶转变。化学过程-固相反应，盐的分解，水化物分解， 结晶水的排除，组分间的作用反应及硅酸盐的形成。物理化学过程-低共熔物的组分和生成物间相互溶解,玻璃与炉气介质，耐火材料相互作用等。上述这些现象的发生过程与温度和配合料的组成性质有关.对于玻璃熔制的过程,由于在高温下的反应很复杂,尚待充分了解,但大致可分为以下几个阶段。1.加料过程-硅酸盐的形成2.熔化过程-玻璃形成3.澄清过程-消除气泡4.均化过程-消除条纹5.降温过程-调节粘度6.出料成型过程总之,玻璃熔制的每个阶段各有其特点,同时,它们又是彼此互相密切联系和相互影响的.在实际熔制中,常常是同时或交错进行的,这主要取决于熔制的工艺制度和玻璃窑炉结构特点。三.玻璃材料性能1折射率nd、色散系数vd根据折射率和色散系数与标准数值的允许差值，光学玻璃可以分为五类表1-1：折射率和色散系数与标准数值的允许差值折射率与标准数值的允许差值色散系数与标准数值的允许差值类别折射率nd允许差值色散系数vd允许差值0310-40.3%1510-40.5%2710-40.7%31010-40.9%42010-41.5%2.光学均匀性光学均匀性指同一块玻璃中折射率的渐变。玻璃直径或边长不大于150mm，用鉴别率比值法玻璃分类如表1-2。表1-2 ：光学均匀性类别1234/01.01.01.11.21类或2类还应测星点。玻璃直径或边长大于150mm，称大块光学玻璃，根据玻璃各部位间折射率微差值最大值nmax分类。如表1-3。表1-3：大块光学玻璃光学均匀性类别H1H2H3H4nmax210-6510-6110-5210-53.应力双折射光学玻璃的应力分中部应力（张应力）和边缘应力（压应力）。中部应力：按长度单位上中部应力的最大光程差nmax（nm/cm）分类：表1-4：光学玻璃中部应力双折射分类类别11a23nmax（nm/cm）24610边缘应力：按单位厚度的最大光程差nmax（nm/cm）分类：表1-5：光学玻璃边缘应力双折射分类类别D0D1D2D3nmax（nm/cm）3510204.条纹度条纹是玻璃内部折射率的局部不均匀引起。边长或直径小于150mm，称小块光学玻璃，分四类；表1-6：小块光学玻璃条纹度类别光阑孔径投影距离L2（mm）投影距离L1（mm）观察结果0016503002000100无条纹影象026503002000100132501075030242501075030长度12mm，每300cm3中10条，间距10 mm边长或直径大于150mm，为大块玻璃，分四类；表1-7：大块光学玻璃条纹度类别光阑孔径投影距离L2（mm）投影距离L1（mm）观察结果D00.525001008000200无条纹影象D1225001008000200D2225001008000200有细小条纹影象，间距间距40 mmD32250010080002001.直径或边长250mm，允许有1条，长度玻璃直径或边长的1/4；2.直径或边长250mm，允许有3条，长度玻璃直径或边长的1/3按观察玻璃的方向数，分三级。表1-8：条纹度分级级别ABC观察玻璃的方向数3215.气泡度根据气泡度根据其直径或最大边长，按最大气泡的直径分三类。表1-8：气泡度分类类别012最大直径或边长mm/允许气泡最大直径mm0-20/0.050-20/0.10-20/0.120-120/0.420-120/0.620-120/0.9120/0.4120/0.6120/0.9根据100cm3体积内含直径0.05mm气泡总截面积分七级。扁长气泡按最长轴与最短轴算术平均值，结石和晶体按气泡计算。表1-10：气泡度分级级别A00A0ABCDE总截面积0.003-0.030.03-0.10.1-0.250.25-0.50.5-1.01.0-2.02.06.光吸收系数1cm厚光学玻璃所吸收的白光光通量与进入该玻璃的白光光通量之比（E值）。表1-11：光吸收系数分类类别000123456Emax0.0010.0020.0040.0060.0080.010.0150.037.主要化学性能、机械性能7.1RC(S)抗潮湿大气作用稳定性表面法光学玻璃被潮湿大气侵蚀后，其表面产生“白斑”和“雾浊”等变质层，该变质层会使平行光的散射性增大。因此可根据侵蚀玻璃表面对光散射性的强弱来确定侵蚀表面的变质程度。按国家标准 GB7962.15测试方法，可测出被侵蚀试样变雾浊程度的“浊度”H值，将该置于BaK7和ZK9玻璃标样的浊度值（HBaK7和HZK9)比较。表1-12：玻璃抗潮湿大气稳定性级别H说明1HHBaK780倍显微镜下观察无均匀水斑2HHBaK780倍显微镜下观察有均匀水斑3HZK9HHBaK7_4HHZK9_7.2RA(S)抗酸作用稳定性表面法光学玻璃抗酸稳定性采用PH2.9醋酸、PH4.6醋酸钠和PH6.0蒸馏水做侵蚀介质，按国家标准GB7962.14测试方法进行测定。按在白炽灯下观察侵蚀试样表面出现紫蓝干涉色的时间大小。表1-13：抗酸作用级别PH2.90.2PH4.60.2PH6.00.2出现干涉色时间出现干涉色时间出现干涉色时间1a5h1b5h,0.5h2a30min2b30min,min5h3a3h3b3h7.3粉末法耐酸作用稳定性RA(P)将相当于玻璃密度大小重量（克）的玻璃粉末（粒度420-590nm)置于铂制网篮中，然后，放进盛有80ML硝酸（0.01N)溶液的石英烧杯中，经1小时煮沸处理，取出烘干称重，根据其重量损失（Wt%)分为6级。表1-13：粉末法耐酸作用级别123Wt%0.200.2-0.350.35-0.65级别456Wt%0.65-1.21.2-2.22.27.4FA相对研磨硬度相对研磨硬度指同等研磨条件下被测玻璃相对于标准玻璃K9的研磨硬度。测量方法按国家标准GB7962.19进行。测出标准玻璃K9样品的研磨量（体积V0) 于被测玻璃时样的研磨量（V)，其比值FA即为被测玻璃的相对研磨硬度，相对研磨硬度小，更易于研磨。FA=V0/V=(W0/O)/(W/)式中W0、W分别指标准玻璃K9样品和被测玻璃式样研磨重量损失g；0、分别指标准玻璃K9样品和被测玻璃的密度，g/cm3HKKnoop硬度Knoop硬度按国家标准GB7962.21测试方法进行测量。给其施加一定负荷垂直压在试样上，保持一定时间后，撤去负荷，用显微镜观察并测试样上压痕长对角线的长度，用下式计算Knoop硬度(HK-Knoop,Pa)：HK=0.102*F/0.07028*L2式中：F加压负荷，N; L压痕的长对角线长度，mm;8.光学玻璃热性能8.1线膨胀系数线膨胀系数指在规定的温度范围内（-60200C，20-1200C）每10C温度变化对单位长度所引起的长度变化，用L表示，单位cm/cm0C。8.2转变温度 玻璃的热膨胀曲线中低温区域和高温区域的直线部分的延伸交点所表示的温度。四.附件1：光学玻璃性能一览表。2光学理论基础知识一.光学基本概念狭义来说，光学是关于光和视见的科学，optics(光学)这个词，早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物。而今天，常说的光学是广义的，是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到 X射线的宽广波段范围内的，关于电磁辐射的发生、传播、接收和显示，以及跟物质相互作用的科学。我们通常把光学分成几何光学、物理光学和量子光学。 1.几何光学几何光学是光学学科中以光线为基础，研究光的传播和成像规律的一个重要的实用性分支学科。在几何光学中，把组成物体的物点看作是几何点，把它所发出的光束看作是无数几何光线的集合，光线的方向代表光能的传播方向。但实际上，上述光线的概念与光的波动性质相违背，因为无论从能量的观点，还是从光的衍射现象来看，这种几何光线都是不可能存在的。所以，几何光学只是波动光学的近似或极限。1.1光线的传播遵循三条基本定律：1.1.1光线的直线传播定律，既光在均匀媒质中沿直线方向传播；1.1.2光的独立传播定律，既两束光在传播途中相遇时互不干扰，仍按各自的途径继续传播，而当两束光会聚于同一点时，在该点上的光能量是简单的相加；1.1.3反射定律和折射定律，既光在传播途中遇到两种不同媒质的光滑分界面时，一部分反射另一部分折射，反射光线和折射光线的传播方向分别由反射定律和折射定律决定。1.1.3.1光的反射 反射定律:如图2-1所示，从光的入射点O所作的垂直于镜面的线ON叫做法线，入射光线与法线的夹角叫入射角(i)，反射线与法线的夹角叫反射角(r)，有:反射线与入射线.法线同在一个平面上,且反射角等于入射角（i=r）。ONir图2-1：光的反射图1.1.3.2光的折射 光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向一般会发生变化,这种现象叫光的折射，并遵守折射定律: n1 Sini =n2 Sinr 折射公式中: i、 r。为入射角和折射角n1、n2 分别为两种介质的折射率. 当r =900,相应的入射角i.称为临界角.特别强调的是:在折射时光路是可逆的，不管光线以什么角度射向玻璃表面,Sini/Sinr的值总是一个常数.他称这一常数为玻璃的折射率.通常用字母n来表示. irONn1n2图2-2：光的折射图1.2基本镜面成像规律1.2.1平面镜成像平面镜所成的像距镜面的距离与物体到镜面的距离相等,且像的大小与物体的大小相同。非光线所成的像,而是光线的延长线相交而成的称虚像。1.2.2球面镜如果镜子的反射面是球面的一部分,这样的镜子称球面镜.球面镜分凸面镜和凹面境两种。凹面镜把射向它的平行光线会聚在一点,这一点叫凹面镜的焦点.反之,当把一个光源放在凹面镜的焦点上,出射光经凹面境反射后,成平行光射出。 凸面镜对光线起发散作用。1.2.3透镜透镜可分为两类:一类是中间厚边缘薄,具有使光线会聚作用,叫做凸透镜，另一类是中间薄边缘厚,具有使光线发散作用的叫凹透镜。当透镜的厚度与其焦距比可以忽略不计时,通常称为薄透镜。 如图2-3，为薄透镜原理图，UO为物距u ，OV为像距v，OF为焦距f。物与像的位置满足下面透镜成像公式：1/u + 1/v = 1/f式中 u为物体到透镜的距离,也称物距 v像到透镜的距离,也称像距，实像为+值，虚象为-值。 f为透镜的焦距,凸透镜为正,凹透镜为负.U OF V图2-3：薄透镜成像1.3光学成像概念几何光学中研究和讨论光学系统理想成像性质的分支称为高斯光学，或称近轴光学。它通常只讨论对某一轴线(即光轴)具有旋转对称性的光学系统。如果从物点发出的所有光线经光学系统以后都交于同一点，则称此点是物点的完善像。如果物点在垂轴平面上移动时，其完善像点也在垂轴平面上作线性移动，则此光学系统成像是理想的。高斯光学的理论是进行光学系统的整体分析和计算有关光学参量的必要基础。 利用光学系统的近轴区可以获得完善成像，但没有什么实用价值。因为近轴区只有很小的孔径(即成像光束的孔径角)和很小的视场(即成像范围)，当光学系统的孔径和视场超出近轴区时，成像质量会逐渐下降。这是因为自然点发出的光束中，远离近轴区的那些光线在系统中的传播光路偏离理想途径，而不再相交于高斯像点(即理想像点)之故。这时，一点的像不再是一个点，而是一个模糊的弥散斑；物平面的像不再是一个平面，而是一个曲面，而且像相对于物还失去了相似性。所有这些成像缺陷，称为像差。用单色光成像时，有五种不同性质的像差，即球差、彗差、像散、场曲和畸变。球差使物点的像成为圆形弥散斑。彗差造成彗星状弥散斑。像散则导致椭圆形弥散斑。场曲使物平面的像面弯曲。畸变使物体的像变形。此外，当用较宽波段的复色光成像时，由于光学媒质的折射率随波长而异，各色光经透镜系统逐面折射时，必会因色散而有不同的传播途径，产生被称为色差的成像缺陷。色差分两种：位置色差和倍率色差。位置色差导致不同的色光有不同的成像位置。倍率色差导致不同的色光有不同的成像倍率。 为使光学系统在具有大的孔径和视场时能良好成像，必须对像差和色差作精细校正和平衡。 1.2物理光学从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科，所以也称为波动光学。它可以比较方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向异性的媒质中传插时所表现出的现象。1.2.1光的干涉把曲率半径很大的凸透镜放在光学平玻璃板上，当用白光照射时，则见透镜与玻璃平板接触处出现一组彩色的同心环状条纹；当用某一单色光照射时，则出现一组明暗相间的同心环条纹，后人把这种现象称牛顿环。1.2.2光的衍射用双狭缝干涉现象，可圆满地解释光的干涉和衍射现象，也能解释光的直线传播。1.2.3光的偏振波动光学的基础就是经典电动力学的麦克斯韦方程组。波动光学可以解释光在散射媒质和各向异性媒质中传播时现象，以及光在媒质界面附近的表现；也能解释色散现象和各种媒质中压力、温度、声场、电场和磁场对光的现象的影响。1.3量子光学从光子的性质出发，来研究光与物质相互作用的学科即为量子光学。它的基础主要是量子力学和量子电动力学。光既表现出波动性又具有粒子性的现象既为光的波粒二象性。从光的干涉、衍射、偏振以及运动物体的光学现象确证了光是电磁波；而另一方面又从热辐射、光电效应、光压以及光的化学作用等无可怀疑地证明了光的量子性微粒性。光学是由许多与物理学紧密联系的分支学科组成；由于它有广泛的应用，所以还有一系列应用背景较强的分支学科也属于光学范围。例如，有关电磁辐射的物理量的测量的光度学、辐射度学；以正常平均人眼为接收器，来研究电磁辐射所引起的彩色视觉，及其心理物理量的测量的色度学；以及众多的技术光学：光学系统设计及光学仪器理论，光学制造和光学测试，干涉量度学、薄膜光学、纤维光学和集成光学等；还有与其他学科交叉的分支，如天文光学、海洋光学、遥感光学、大气光学、生理光学及兵器光学等。3光学工艺材料一.磨料1. 各种磨料及其代号（GB2476-83）名称棕刚玉白刚玉单晶刚玉微晶刚玉铬刚玉锆刚玉黑碳化硅绿碳化硅铈碳化硅碳化硼GZGBGDGWGGGATHTLTSTP2.金刚石粒度表示方法中国美国、日本标称号公称尺寸（m）标称号#最大尺寸（m）平均尺寸（m）46400315603152507025020080200160100160125120125100150100801808063240635024098403280504028086342.5W40402832075282.3W 28282040063232.1W 20201450053191.6W 14141060045161.3W 101077003813.51.1W 7758003211.30.9W553.51000279.40.8W3.53.52.51200237.50.6W2.52.51.51500196.30.5W1.51.512000155.20.5W110.530001240.5W0.50.5以下40001030.4说明：标称号#指1平方英寸上网孔数量。二、砂轮砂轮一般指除金刚石以外的人造磨料，用结合剂将其结合起来，制造成具有一定形状的磨具，称砂轮。结合剂种类及代号如表3-1：表3-1结合剂名称陶瓷结合剂树脂结合剂橡胶结合剂代号ASX三、人造金刚石磨具人造金刚石磨具的浓度是指含金刚石的结合剂层中，每cm3体积中所含金刚石的克拉数，如图3-2。图3-2：金刚石磨具的浓度浓度25%50%75%100%150%含量克拉/cm31.12.23.34.46.6结合剂种类及代号如表3-3：表3-3结合剂名称陶瓷结合剂树脂结合剂青铜结合剂电镀金属结合剂代号ASQD四、抛光粉抛光粉基本要求：外观均匀一致，无机械杂质；粒度基本均匀一致；化学活性好；良好的分散性和吸附性；合适的硬度和比重。如图3-4。图3-4：常用抛光粉物理性能氧化铁氧化铈氧化锆分子式Fe2O3CeO2ZrO2外观红色白色、黄色白色、黄色、棕色比重5.15.377.35.76.2莫氏硬度57685.56.5颗粒大小（um）0.210.540.250.7五、抛光膜材料抛光膜材料要求：微孔结构；耐磨性；吻合性；耐热性；无弹性变形；老化期长；成型收缩率小；吸水性好。常用抛光膜柏油混合膜；古马隆柏油混合膜；毛毡柏油膜；聚氨脂微孔塑料抛光片；固着磨料抛光片。六、其他材料1.冷却液作用：冷却作用；清洗作用；润滑作用；化学作用。2.粘结材料3.清洗材料对被清洗物应有良好的溶解能力，对零件的腐蚀性小，无毒。4.擦拭材料5.保护材料6.防雾剂4光学加工基本理论一、毛坯成型与切割工艺1.毛坯成型：一次压型法和二次压型法。1.1一次压型法（滴料成型法）工艺流程：配料熔炼流量控制滴料剪切压型退火检验。1.2二次压型法（热压成型法）工艺流程：切割重量调整加热软化压型退火检验。2.切割工艺切割是固体材料的连续界面发生规则断开并有序分离。可分为锯片切割和静压切割，前者为有屑切割，后者成无屑切割。2.1外圆切割：通过对机床采用金刚石锯片，对玻璃进行高速切割。公司采用金刚石锯片切割方式中，通过调整工作台，手动进给玻璃来完成。2.2内圆切割：通过采用内圆锯片进行切割，适宜于工件厚度薄、平面度要求高、材料贵重的玻璃。2.3外圆铣磨：包括磨轮高速旋转的主切割运动、工件低速度旋转的圆周进给。工件的纵向进给，即工件每一转期间沿自身轴线方向移动的距离；磨轮的横向进给，即吃刀深度。2.4无心外圆铣磨：主要用于玻璃棒料磨外圆。二、铣磨工艺1.主要针对工件外形尺寸、角度等保证，多数情况下铣磨完工后工件外部尺寸及角度将不再发生变化。2.铣磨工艺铣磨成型目的：将工件加工成规定的几何形状，通常用于加工具有高精度角度要求、边长要求的长方体和正方体等。2.1铣磨原理：特点是依靠机床的精确运动形成平面包络面,对机床精度要求高。磨轮轴与工件轴交于O点，两轴夹角为，磨轮中径为DM，磨轮端面切削圆弧半径r,则工件曲率半径R满足关系式：sin=DM/2（Rr），R= DM/2sinr；凸取+，凹取。当等于0时，为平面加工。用筒状金刚石磨轮铣磨平面,按形成球面正弦公式当=0 时,R=范成了平面。2.2铣磨误差产生原因：2.2.1工件轴与磨论轴夹角误差；加工过程中易产生轴向跳动，并切吃刀深度易产生变化，造成崩边、面；当工件轴与磨论轴平行且不相交时，铣磨出理想平面。2.2.2电磁盘面与磨轮面不共面误差。加工过程中易产生径向跳动，加工后角度难以保证。若电磁盘面与磨轮面夹角为，则加工后该角度误差将复制到工件上，工件角度误差将略大于。因此设备水平基准应得到保证，磨轮位置应得到保证。2.2.3铣磨夹具误差夹具角度应比工件小2-5；夹具角度精度应比工件高1-2，同时注意槽角度与止推基准面垂直，基准面应开沟槽，夹具同时耐磨、变形小。2.2.3.1槽角度误差引起工件角度偏差当槽角度为900+1（-1），则450=12.2.3.2槽沟不对称设900准确，有450=22零件加工过程中将出现累加角度误差。2.3工艺因素对铣磨工序的影响：铣磨指标：磨削效率、工件表面粗糙度、磨轮磨耗比（指每消耗1mg磨轮，所能磨去的玻璃的重量，以g/mg表示）等；影响铣磨过程的因素：设备、磨轮、冷却液；2.3.1磨头转速：磨轮边缘线速度的提高有利于磨削效率的提高和改善工件表面粗糙度。2.3.2工件轴转速：工件轴转速增加，磨轮磨耗比加大。2.3.3磨削压力：磨削压力增加，工件表面粗糙度加大。2.3.4吃刀深度：指工件每转的进给量，随铣磨压力、磨料粒度、磨轮转速增加成正比增加，而与工件转速成反比。2.3.5金刚石磨具粒度2.3.6金刚石磨具浓度：通常浓度100%比较合适。 2.3.7金刚石磨具结合剂：电镀磨具磨削效率最高，且耐磨，但表面粗糙度大；青铜结合剂，没有电镀耐磨，但表面粗糙度好。国内通常用青铜结合剂。2.4铣模夹具和工件定位：铣模夹具和工件定位是铣磨成型的必要保证，在铣磨成型加工过程中具有重要意义。2.4.1基准：点、线、面的综合，可以根据其来确定被考虑的其他点、线、面的位置分为设计基准和工艺基准2.4.1.1设计基准：任何一个点、线、面，根据其来确定零件图上其他点、线、面的位置。2.4.1.2工艺基准：加工工艺过程中的基准。可以分为：原始基准：任何一个点、线、面，来确定工艺要求的表面的位置。定位基准：工件上任何一个表面，用来确定工件在夹具中的位置测量基准：测量加工面位置所依据的基准。2.4.2工件在空间的位置及六点定位原则：刚体在空间有六个自由度，即沿三个互相垂直的轴线的轴移动和转动。限制这六个自由度就必须有六个定点与工件相接触。XOY面三点限制三个自由度，OZ方向移动，OX、OY方向转动，为主要定位基准，通常选最大表面；XOZ面上两点限制两个自由度，OY方向移动，OZ方向转动，为导向定位基准，通常选最长表面；YOZ面上一个点限制最后一个自由度，OX方向移动，为止推定位基准，通常选最短、窄面。定位是使工件在夹具中占据正确位置，而夹具的作用就是消除工件在加工时的移动，不需要限制六个自由度的定位称为不完全定位，根据实际情况予以确定。2.4.3基面的选择：基面分为毛基面（未加工表面）、光基面（已加工表面）。选择基面原则：2.4.3.1非全部加工的工件，应取完全不需加工的表面；2.4.3.2全部加工的工件，取余量最小的表面作为毛基面；2.4.3.3取做毛基面的表面，制作过程中应尽量平整、光洁，并使其与其他加工表面偏差最小；2.4.3.4已加工一些表面后，毛基面必须用光基面代替。光基面选择时，应与待加工表面有公差要求，并尽量使全部工序在同一基准下进行；2.4.3.5主要定位基准应表面应尽量大，导向基准尽量长，止推定位基准尽量短、窄；2.4.3.6基准面应使夹具设计制造简单。铣磨工序中：1.工件胶条的定位、夹具精度直接影响胶条的精度，主要表现为基准面及胶条长度方向直角程度。胶条效果将直接影响该批工件在设备上的定位。2.安装定位，需要严格认真的态度，同时夹具也是实现安装定位的重要保证。三、精磨加工工艺1.双面研磨加工基本原理研磨加工原理：通过运动实现工件和研磨盘之间的相对磨擦，在磨擦过程中实现磨粒切削、滑擦、化学反应等，从而达到材料的去除。研磨的运动方式，概括起来主要有圆周运动、直线运动和摆动运动等。其中最常见的为行星式研磨运动机构，其运动的结构参量便于调整，配以适当的夹具可以获得双面加工的效果，在双面研磨加工领域占据着举足轻重的地位。 工件的运动通过夹具（即通常为行星轮载体）带动，而夹具通过太阳轮和内齿轮带动。工件放置于夹具内所开护孔内，配以载荷，在摩擦力的驱动下实现研磨运动。模型见图4-1。21图4-1：由内向外圆分别表示1-太阳轮、2-外齿轮、1，2之间为行星轮和工件双面研磨的基本概念：对上、下两表面均为平面，并具有一定形状的工件在一次加工过程中同时磨削两表面，且上、下两被加工表面磨削效率基本相同的加工过程。工件相对于研磨盘的运动轨迹不但与研磨盘的磨损有关，而且与工件的平面度、表面粗糙度及材料的去除率密切相关。研磨运动影响因素：运动研究过程中，侧重的是研磨过程中轨迹的变化形态和轨迹的疏密度等，由于磨料或磨粒分布的不均匀性、化学及机械作用的影响，研磨盘自身的接触作用，仅从轨迹状态并不能完全描述研磨过程。工件表面受磨料磨削的频率、热变形状态及化学作用等都将影响工件表面的平面度、纹理方向、表面完整性及一致性。通过选择正确的研磨轨迹，用机械运动机构实现最终的研磨过程。2磨运动方程2.1设xoy为固定坐标系，x1oy1为第一动坐标系，固定在工件上，x2oy2为第二动坐标系，固定在研磨盘上，其绝对角速度和相对角速度关系如下：表4-1 绝对角速度和相对角速度关系 研磨盘 外齿轮 行星轮 太阳轮角速度 绝对 0 3 2 1相对 H0 H3 H2 H1转速 绝对 n0 n3 n2 n1相对 nH0 nH3 nH2 nH1齿数 z3 z2 z1系杆角速度 H基本运动方程如下：H=（1+z1*3/z2）/（z3/z1+1）H2=2-H； H1=1-H； H0=0-H3=K* （3-1）2.2设研磨盘任意点为P(R,)，则P点在x1oy1坐标系的轨迹及速度分别为：轨迹：x1p=Rcos（H0-H2）t+-LcosH2ty1p=Rsin（H0-H2）t+-LsinH2t （3-2）速度：vpx1=-R（h0-H2）sin（H0-H2）t+-LH2sinH2tvpy1=R（h0-H2）cos（H0-H2）t+-LH2cosH2t（3-3）其中，RR0，R1，R0，R1为研磨盘内外径；0，2，为点p的随机角。2.3设工件上任意点M（，），则M点在x2oy2坐标系的轨迹及速度分别为：轨迹：x2M=cos（H0-H2）t+LH0cosH0ty2M=sin（H0-H2）t+-LH0sinH0t （3-4）速度：vMx2=-（h0-H2）sin（H0-H2）t+-LH0sinH0tvMy2=（h0-H2）cos（H0-H2）t+-LH0cosH0t（3-5）其中，0，M，M工件最大直径；0，2，为点M的随机角。3工件研磨过程分析3.1切痕方向，切痕方向变化决定了工件表面的纹理，由式（3-5）得到切痕方向角（）的变化方程：（）=arctgvMy2（）/ vMx2（） （3-6）可以看出，切痕方向变化的快慢受研磨盘转速的影响，低速时切痕方向变化较为平稳；一般在夹具中心处其变化比较平稳，随着半径增大，平稳性减弱。3.2磨粒轨迹根据式（3-2），可以发现，表面轨迹呈现交叉状，单磨粒点的轨迹的弯曲程度取决于研磨盘转速度n0的大小及其相对位置。一般情况下，磨粒位于研磨盘工作区域中部时，n0越大轨迹越平直；磨粒位于研磨盘工作区域边缘时，n0越大轨迹越变化越大。2.双面研磨加工工艺2.1研磨的目的：使工件表面凸凹层深度和裂纹层深度减小，提高表面面形精度。2.2平面磨盘曲率考虑因素工件要求高（低）光圈，盘面要求略凹（凸），曲率为。为便于流料及减少崩边，通常考虑下盘为凸盘。通常要求精磨后工件高（低）光圈较抛光低1-2道。2.3重点在于加工出高精度光学表面面形(N、N),磨削、研磨与抛光的运动形式很多,但其特点是一样的,光学平面精度的获得不主要依靠机床的精度,而主要依靠母板的精度的传递，研磨过程实质也是工件复制工作盘面形的过程应该重点研究与把握三个机理。 2.3.1轮廓复制2.3.2母板（修正轮）的产生、保持与修复 2.3.3三块平面（上下盘、休正轮）的对磨与修正 平面精磨模要用金属平磨来修磨,金属平模就是母板,母板最原始最基本获得的办法是三块平模的对磨与相互修正.研磨(精磨)与抛光过程就是母板的精度的保持、破坏与修复过程.精磨模与固体磨料接近刚体,所以母板面形保持的时间长,适合高效加工要求。2.4平面成型基本要素相对瞬时速度：整个区域基本相等；工件上任一点速度以线速度v表示。v=r；其中，为设备盘面转速度，r为工件相对设备盘面的曲率半径。压强分布：压强分布具有线性关系，偏心越大，压强加大；对下盘，外圈比内圈大；上盘，内圈比外圈大；压强为单位面积所受的力，以P表示。P=F/S；其中S为工件的总表面积，实际生产中S=S1*N，S1为单件表面积，N为工件数量。对K9玻璃研磨，P取60-100g/cm2为宜，对抛光，P取50-80g/cm2为宜，针对不同玻璃，压强值略有不同。2.5工艺因素对平面研磨的影响2.5.1工件初始表面粗糙度的影响：相同工艺条件，磨料越粗，玻璃磨削量越大，加工后表面粗糙度越大；2.5.2加工时间的影响：玻璃的磨削量与加工时间不一定成正比，加工时间延长，表面粗糙度变好。2.5.3压强的影响：玻璃的磨削量随压强增加而增加，表面粗糙度略有降低。2.5.4设备转速的影响：转速增加，表面粗糙度略有降低。2.5.5温度的影响：一定温度（36度以下）范围内，温度升高，表面粗糙度略有降低。2.5.6玻璃材料性能的影响：在相同加工条件下，不同玻璃牌号其磨削量和加工后表面粗糙度值不同；研磨不同玻璃时破坏层深度与磨料粒度、玻璃相对研磨系数有关。表4-2：金刚砂研磨K9玻璃时破坏层深度与磨料粒度之间的关系磨料粒度280#W40W28W20W14W10W7深度mm0.0430.0350.0220.0150.010.0070.005表4-3：不同牌号玻璃破坏层深度换算系数（K9为1）玻璃牌号Bak3Bak7Bak8Zk3Zk8pkKf1F2换算系数1.041.161.21.111.241.361.281.28玻璃牌号F3Baf1Baf3Zf1Zf2Zf3Zf5Zbaf2换算系数1.311.081.131.41.481.681.81.48表4-4：磨料层厚度值磨料粒度280#W40W28W20W14W10W7上盘（mm）0.0710.0590.0380.0270.0190.0140.011下盘（mm）0.0570.0470.0290.020.0130.0080.005可以看出：上盘磨料层厚度高于下盘；对上盘，其厚度值接近磨料上一规格公称直径；而下盘接近于本规格磨料公称直径。2.6操作因素对工件质量的影响2.6.1设备启动过程：应保证设备低速平稳运转，不能有抖动现象否则易产生崩边。2.6.2设备状态的影响：盘的面形、水平等。3.设备工作盘面形的影响和光圈保证 根据传统冷加工理论，工件的面形质量实际上就是一个复制面形的过程，因此设备上、下盘的面形质量状况将决定工件加工后的面形。 设备出厂后上、下盘的面形质量控制在0.05mm/m；实际上该面形不能保证加工出符合要求的产品，因此，作为精磨用设备，首先应对上、下盘进行修正处理，在进行处理前，必须调整设备的水平状态，并保证下盘运转平稳，不产生端面跳动，修盘才有意义。 根据机械原理，修正轮在运转过程中有两种方向，正转和反转；当修正轮处于反转状态时，修正轮与下工作盘运转方向相反，随着半径的增加，相互间线速度增加，修盘表现为下盘随半径增加磨削加快，当下盘要求凸形状时使用；相反当下盘要求凹形状时，修正轮采用正转。而上盘正好与上盘相反。 实际休正过程中，因修正轮过厚（T=20mm），且无流砂槽，上盘磨削效果基本可以忽略，只考虑下盘因素。但如果为获得某一面形情况，在修正过程中不考虑修正轮转向切换，极有可能产生偏斜，因此，根据下盘所要求形状，尽量多考虑修盘过程中有利于向所要求的趋势方向多设置转向，少量加入反向设置，更容易获得所要求的面形，在下盘修正达到要求后，上盘可根据要求将设备上下盘进行互研获得形状。 设备上、下盘的绝对平直是不存在的，控制在0.01mm/m以内，我们认为其是平盘。通常设备盘形表现为上、下盘凸凹形状相吻合，下凸则上凹，下凹则上凸。 只有通过加工工艺，合理设置工艺参数，保证设备盘面形状，尽量做到少修盘，通过加工过程来修正盘面才是最理想的方法，因为长期修盘对设备盘面有损伤，同时会降低其使用寿命。4.注意事项生产过程中划痕、崩边可以同时产生，也可以单独产生，以下主要介绍如何判断和处理。划痕的判断及处理：4.1设备正常、稳定生产情况下，玻璃渣产生的划痕较磨料（主要表现为混入粗的磨料）产生的划痕在长度、宽度、深度等方面都要大，短、浅、窄通常为磨料所致。一般情况下，正常、稳定的精磨设备其划痕通常由玻璃渣引起。处理：对短、浅、窄的划痕，处理时用手对产生划痕面的设备整个盘面进行细致清理，直到用手感觉不到有玻璃渣为止，然后再进行加工至划痕消除；对长、宽、深的划痕，处理时采用修正轮在重压、低速状态下修盘约2030分钟即可。为尽量避免玻璃渣的产生，设备启动过程应低速、平稳，并且设备不产生抖动；同时，上、下盘面的沟槽应经常清理，避免没有沟槽，这样一般的玻璃渣会被研磨液带走。4.2设备由粗磨设备向精磨设备转型过程中，通常为磨料所致，随加工时间的推移，划痕会逐渐变为短、浅、窄，直致最终消除。4.3由设备上下盘面引起的划痕表现为划痕有规律性、深度有一致性等。处理方式为采用修正轮在重压、低速状态下修盘，时间根据具体情况确定，但至少应修盘12小时以上，甚至更长时间。四、抛光工艺 1.双面抛光法 双面抛光工作原理与研磨基本相同。双面抛光法适用于平行度要求高的薄片,如石英波片、滤光片、平行平面窗等，行星式双面研磨抛光机使用很广泛,太多引进国外机床,国内风雷机械厂有这类机床产品. 通常上下抛光模用聚氨酯制造,中间工件隔离圈用聚四氟乙烯薄板或有机玻璃板、PVC 板制造,工件的面形主要是抛光模的轮廓复制,要求高时仍要做微量修正2.1抛光机理机械学说：研磨过程的继续，区别在于用较细的磨料，形成细密的表面结构，抛光剂在玻璃表面产生与研磨相似的微痕，由于切向力大的原因，将微痕加工掉。流布学说：由于摩擦热作用。化学学说：抛光过程主要是水、抛光剂、抛光模材料等与玻璃之间化学作用的结果。该三种学说都能解释抛光过程中的一些现象和本质，抛光过程中以上三种学说同时产生作用，对抛光工艺具有指导作用，抛光机理仍然是一个发展中的课题。2.2抛光方法分类2.2.1古典法抛光采用抛光柏油制成的成型工具和散粒抛光剂来加工。原理同研磨类似。2.2.2高速抛光主要是为提高抛光效率；实质就是提高机床主轴转速、增大抛光压力等条件下，以尽量高的加工效率加工出产品。2.2.3离子抛光，主要针对超光滑表面和特殊要求表面的抛光方式。2.3光圈概念2.3.1光圈被检表面与参考表面干涉产生的条纹数量N。高光圈：中心高，空气间隙减小（加压）时，条纹从中心向边缘移。低光圈：中心低，空气间隙减小（加压）时，条纹从边缘向中心移。2.3.2被检光学表面在相互垂直方向上相对参考表面的偏差不相等，称象散偏差1N。2.3.3被检光学表面的局部区域相对参考表面的偏差，称局部偏差2N，分以下几类。2.3.3.1中心低：被检光学表面的中心部位相对于平滑干涉条纹凹陷。2.3.3.2中心高：被检光学表面的中心部位相对于平滑干涉条纹凸起。2.3.3.3塌边：被检光学表面的边缘部位相对于平滑干涉条纹塌陷。2.3.3.4翘边：被检光学表面的边缘部位相对于平滑干涉条纹翘起。2.3.3.5以上四类综合表现形式。2.4工艺因素对抛光的影响2.4.1精磨表面结构：直接影响抛光效率和质量，其表面特性分为宏观和微观不规则性。宏观不规则性（精磨工具偏差引起）在抛光过程中可以通过选择合适的抛光模材料消除；微观不规则性由精磨本质决定，由凸凹层和裂纹层组成，凸凹层有利于提高抛光效率，裂纹层决定抛光要去除的玻璃层厚度。精磨表面几何形状应具有一定的光圈数，否则降低抛光效率，抛光对精磨表面要求为有较大的凸凹层深度和较小的裂纹层深度，同时凸凹层深度应以不大于裂纹层深度为极限。2.4.2抛光模表面形状的影响：抛光模面形的凸凹与工件正好相反，并在抛光过程中互相变化，因此抛光模面形必然影响工件面形精度，通常情况下，抛光模为高（低）光圈，则工件产生低（高）光圈。抛光模的凸凹程度应合适，否则易产生部分未抛到的情况。2.4.3抛光剂的影响抛光剂：选择应合适。抛光液PH值及其成分的影响：氧化铁PH=7、氧化铈PH=6-6.5较合适。添加剂的作用：提高（降低、稳定）抛光效率的，称为加速（减速、稳定）剂；对氧化铈抛光粉，硝酸铈胺、硫酸锌为加速剂，其加入量应合理。抛光粉的浓度：对氧化铈抛光粉，重量比为1：5或略稀，浓度不符，将降低抛光效率。压力的影响：一定条件下，效率随转速度和压力增加提高。温度的影响：抛光过程中，温度将使工件产生热变形，温度变化越大，热变形越大；对一般精度抛光，温度为2023度左右。中等精度抛光，温度为3038度左右。抛光严禁温度过高（超过40度以上）。材料性能的影响：玻璃化学稳定性与抛光效率有关，玻璃硬度、软化点等与抛光效率无关。2.5光圈的产生抛光效果较均匀条件下：中心部位抛光多，易产生低光圈；边缘部位抛光多，易产生高光圈；抛光效果不均匀条件下：中心部位抛光多（少），易产生局部低（高）光圈； 边缘部位抛光多（少），易产生塌（翘）边；2.6部分光圈的修正措施基本原则（可参考2.10述）：针对要修正的部位进行，同时兼考虑设备上下盘凸凹状况。由高（低）到低（高）：使高（低）的部位多（少）抛光。由塌（翘）到翘（塌）：使塌（翘）的部位少（多）抛光。在保证其他工艺参数不变情况下，通常通过调整压力，转速，载体转向来实现