光学材料-光学加工流程PPT幻灯片

1,光学零件加工技术,概述,2,光学零件加工技术,3,光学零件加工技术,4,光学零件加工技术,光学零件（按形状分）透镜：棱镜：,5,光学零件加工技术,平面镜：工艺条件特殊零件加工形状特殊、材料特殊,6,第一章光学材料,一、光学材料的种类光学玻璃：光学晶体：KDP类型晶体,7,第一章光学材料,光学塑料：光学玻璃:是光学设计最常用的光学材料；为满足光学设计对多种光学常数、高度均匀性、高度透明性及化学稳定性的要求，应具有复杂的组成和严格的熔炼过程。,8,第一章光学材料,（一）光学玻璃与普通玻璃的区别:折射率：普通玻璃的组成：SiO2+Na2O+CaO光学玻璃的组成：成分复杂现代光学玻璃所含元素几乎遍及化学元素周期表，每一种光学玻璃都要由硅、磷、硼、铅、钾、钠、钡、钙、砷、铝等多种氧化物组成。高度透明：高度均匀性：各点各处的光学常数和其它一些物理化学性质一致,9,第一章光学材料,（二）光学玻璃的种类按主要组成成份分：以SiO2为主要成分的光学玻璃,称之为硅酸盐玻璃；占95%以B2O3为主要成分的光学玻璃,称之为硼酸盐玻璃；以P2O5为主要成分的光学玻璃,称之为磷酸盐玻璃。硅酸盐玻璃是制造透镜、棱镜等光学零件的主要材料。二、物质的玻璃态物质按结构分晶体和非晶体。玻璃态的特点：物质内部氧化物的元素以元素的离子状态存在，它们之间的排列是没有规律的，无固化点和融化点。,10,第一章光学材料,玻璃态：玻璃在低温固态下仍保留了高温液态的无定形结构。又称过冷却液体。三、玻璃的物理特性各向同性：指玻璃内部沿任何方向测得的物理性能（如折射率、热膨胀系数、硬度等）都是同值。各向异性：沿任何方向测得的物理性能都是不同值。介稳状态：在一定条件下，物质可能处于相对稳定的状态，但不是能量最低储存状态，叫介稳状态。说明玻璃有像晶体转化的趋势。,11,第一章光学材料,玻璃从熔融状态向固态转化是连续可逆的。玻璃无固化点和熔化点。,12,第一章光学材料,四、玻璃的结构(一)无规则网络学说认为：1932年荷兰查哈里阿生1、内容：玻璃的原子、离子、或原子团之间的结合，构成一个连续的网络体；网络体呈现出很大的不规则性。2、一元体系玻璃特性（一元体系玻璃结构）：例如：SiO2晶体：石英晶体玻璃：熔石英玻璃,13,第一章光学材料,由一个硅原子和四个氧原子构成的硅氧四面体SiO4。熔石英玻璃和石英晶体的结构模型如下石英晶体熔石英玻璃,14,第一章光学材料,化学结构式：由于在熔石英玻璃结构中，只有Si0键，且键力平衡，结合牢固。因此，熔石英玻璃具有较高的软化温度、化学稳定性、机械强度高以及较低的热膨胀系数等特性。,15,第一章光学材料,3、二元体系玻璃Na2OSiO2化学结构式,16,第一章光学材料,（二）“晶子”学说1921年苏联列别杰夫内容：玻璃由无数“晶子”组成；所谓“晶子”不同于一般的“微晶”，而是带有点阵变形的有序排列区；它们分散在无定形介质区；从晶子区到无定形区的过渡是逐步完成的，两者之间并无明显的界限。强调：远程无序、近程有序。,17,第一章光学材料,1-2无色光学玻璃一、光学玻璃的组成光学玻璃是由多种氧化物组成的，这些氧化物分为两大类：一类氧化物是能生成玻璃网络结构的氧化物，如SiO2、B2O3、P2O5等，属AO2、A2O3、A2O5型氧化物，称之为玻璃形成体或玻璃网络体；另一类氧化物，不能生成玻璃的网络体，只是插入玻璃的网络结构中间，如Na2O、K2O、CaO、BaO、PbO等，属于A2O、AO型氧化物，他们称之为玻璃的网络外体。,18,第一章光学材料,例如：K9的成分由SiO2：69.13%；B2O3：10.75%；K2O：6.29%；Na2O：10.40%；As2O3：0.36%；BaO：3.07%。加入氧化铝（Al2O3），能提高光学玻璃的化学稳定性和机械强度；加入氧化铅（PbO）和氧化钡（BaO），可增大光学玻璃折射率，但化学稳定性降低；加入氧化钠（NaCl），使光学玻璃化学稳定性和机械性能变差，但可降低熔炼温度；等等。,19,第一章光学材料,二、无色光学玻璃的分类及命名（牌号）大都采用拉丁字母作为品种的标志，在品种标志之后附有牌号的标志。1、分类划分界限：按光学玻璃折射率和阿贝数的大小将其分为冕牌玻璃和火石玻璃两大类。例如：德国规定nd1.6，d50为冕牌类，其余则为火石类；日本规定nd1.6，d55为冕牌类，其余则为火石类。我国光学玻璃标准规定：将玻璃分为2大类，用K代表冕牌玻璃，F代表火石玻璃。每一大类又进一步按nd及d分为18个品种。,20,第一章光学材料,冕牌玻璃（8个）：,火石玻璃（10个）：,21,第一章光学材料,2、牌号：ZF9（199）其中F种类；ZF品种；ZF9牌号同一品种玻璃，它的折射率大致相同相差不多。三、无色光学玻璃的质量指标（七项）（一）折射率、色散系数的允差及一致性折射率：表示光在空气中的传播速度与在玻璃中的传播速度之比。n=C/V（nd、nF、nc）色散系数：不同波长的光经过折射后，出射点不同。用中部色散nF-nc衡量,22,第一章光学材料,nd、d的允差（允许差值）分0、1、2、3、4四类例如：K9：nd=1.51630类K9的nd：1.51581.5168nd、d的一致性同一批玻璃中要控制nd、d的差值不能过大。分A、B、C、D四级,23,第一章光学材料,例如：K9：nd=1.51630类A级时nd的大小0类：1.51581.5168A级：1.516251.516350类A级去它们交集。选取时：小批量生产时，高级照相机物镜和高倍的望远镜物镜可选用nd为13类和d为23类玻璃。大批量生产时选用均为12类的玻璃。对于望远镜的第二组分和光焦度不大的透镜、目镜、会聚光路上的棱镜，可用nd和d均为34类玻璃。保护玻璃、分划板、毛玻璃、反射镜、聚光镜、场镜、平行光路中的棱镜级弯月透镜，对玻璃的nd和d不做要求。,24,第一章光学材料,（二）光学均匀性1、定义：同一块玻璃中，各部分折射率变化的不均匀程度。依据/0的比值，分1、2、3、4四类。/01.0、1.1、1.2、1.5根据光学系统选择均匀性：提高分辨率和高像质观察仪器的物镜，如高精度干涉仪、天文仪、测地仪、准直仪和显微镜等应用光学均匀性第1类的玻璃。制作精密的望远镜、瞄准镜、观察镜以及具有高分辨和高像质的复制镜，用23类玻璃。对普通的照相物镜，应使用第34类玻璃。,25,第一章光学材料,对望远物镜的第二组分、广角物镜的弯月透镜、位置靠近像平面的光学零件（场景、分划板、棱镜），均可采用第4类玻璃。对于有一面为毛面的分化镜，均匀性不作规定；对于保护玻璃、棱镜和滤光镜，其玻璃的均匀性要求可与其位置靠近的零件的均匀性要求相同。（三）应力双折射按o光、e光通过每1cm厚的玻璃产生的光程差大小分1、1a、2、3、4五类nm/cm2、6、10、20、50以毛坯光程差最大方向之最大部分测的为准。,26,第一章光学材料,选取原则：干涉仪和天文仪，只能使用双折射为第1类的玻璃。对于高精度的望远镜、准直镜和复制显微镜的物镜以及反射镜，玻璃的应力双折射应该是第23类。照相物镜使用双折射第34类玻璃。聚光镜、普通仪器的目镜、放大镜采用双折射第45类玻璃。（四）光吸收系数EE：表示白光通过1cm厚的玻璃所吸收的光通量与进入该玻璃光通量之比。E0.015=1.5%,27,第一章光学材料,分00、0、1、2、3、4、5、6八类。选取原则：凡是与空气临接面较多，玻璃内光程长度较短（2050mm）的复杂系统，光的主要损失是反射。因此，这种系统中以及较薄的光学零件，应采用46类玻璃。玻璃内光程较长的零件（棱镜、天文和照相仪器的透镜）、光的透过系数的降低主要是光的吸收造成的，因此这类零件应选用003类玻璃。（五）条纹度按检验条件分00、0、1、2四类；按观察方向分A、B、C三级。,28,第一章光学材料,选取原则：对于具有极限分辨率和高像质的干涉仪、天文仪、平行光管以及显微镜的物镜必须采用C级0类玻璃。对于目镜、聚光镜、毛玻璃用的玻璃可选用条纹第2类的玻璃。（六）气泡度首先按所含最大气泡的直径分为0、1、2三类；并按每100立方厘米玻璃内允许含有的气泡总截面积（平方毫米）分为A00、A0、A、B、C、D、E七级。,29,第一章光学材料,选取原则：对于位置靠近或处于像平面上的零件，其材料不允许有气泡，应使用第0类玻璃。大倍率观察仪器的分划板、分度盘、平行光管、分辨率板，应采用0类和1类玻璃。照相物镜、双筒望远镜和大地测量仪器的物镜，允许选用2类D、E级玻璃材料。在望远镜和大口径照像物镜中允许气泡度为E级。,30,第一章光学材料,1-3有色光学玻璃,31,第一章光学材料,能选择地透过特定波长的光线；1、作用:透过连续光谱中一定宽度的光谱范围的光线；均匀地减弱白光的光谱等。2、组成:是在基本的无色光学玻璃成分中，加入少量着色剂而成。（一）离子着色选择吸收玻璃着色剂在玻璃中呈离子状态，称离子着色选择吸收玻璃，简称离子着色玻璃。离子着色剂，通常采用金属钴、镍、钼、锰、铬、钛、铜的氧化物。,32,第一章光学材料,种类：透紫外线玻璃（ZWB）、紫色玻璃（ZB）、青色（蓝色）玻璃（QB）、绿色玻璃（LB）、透红外线玻璃（HWB）、防护玻璃（FB）、透紫外线白色玻璃（BB等）。（二）中性玻璃特点：在可见光区域内能比较均匀地降低光源的光强度，而不改变其光谱成分。作用：主要是做中性滤光片、减光镜。牌号：AB1，AB2，AB3，AB10等。,33,第一章光学材料,（三）硒镉玻璃着色剂是采用硒化镉和硫化镉，故称硒镉玻璃。由于着色剂在玻璃中呈胶态，亦称胶态着色玻璃。品种：红色（HB）金色（JB）橙色（CB）1硒镉玻璃；2离子着色选择吸收玻璃；3离子着色中性玻璃,34,第一章光学材料,1-4特种光学玻璃（一）耐辐射光学玻璃加入多价离子做抑制剂。二氧化铈（CeO2）就是抑制剂之一。牌号：例如K609。Kn09以K9玻璃为基底耐辐射能力为10伦琴，而且还保持K9玻璃的光学常数和其它性质。（二）防辐射光学玻璃目前我国使用的防辐射玻璃是含铅、含钡量高、密度大的ZF1、ZF6、ZF7玻璃。,35,第一章光学材料,（三）透红外和透紫外玻璃目前，国内外红外光学材料发展的重点是适用于13m、35m和814m波段的光学材料。1、光学石英玻璃含SiO299.9%，即可以透红外线，又能透过紫外线。牌号：JGS1、JGS2、JGS3。光谱特性：0.24.7m。2、铝酸钙玻璃以CaO、Al2O3为主要成分透过波长：11.5m。牌号：HWC31。,36,第一章光学材料,3、高硅氧玻璃含SiO2达96%，其性能接近于石英玻璃。它的膨胀系数小，软化温度高，化学稳定性好，熔制温度比石英玻璃低得多。（四）石英玻璃1优良的光谱特性，在0.24.7m光谱范围内。2耐高温、热膨胀系数小，它的熔化温度在1713以上，软化温度是158010。3化学稳定性好，耐碱性差。4机械性能高。（五）光学功能材料激光、电光、声光、磁光等光学功能材料。,37,第一章光学材料,1-5微晶玻璃一、结构介于玻璃与晶体之间玻璃陶瓷，按Li2O-Al2O3-SiO2做系统的玻璃。在玻璃内部各处形成晶核；经历两个阶段：形成晶核的玻璃在晶体生长过程中逐渐转变为陶瓷。微晶玻璃与普通玻璃的区别主要是具有结晶的结构，而与陶瓷的主要区别是，它的结晶结构要比陶瓷细得多。,38,第一章光学材料,二、微晶玻璃的性能1、热膨胀系数小温度160范围内，热膨胀系数均很小，室温膨胀系数接近于零。2、强度大微晶玻璃比普通压延玻璃的强度高八倍。3、硬度高，比重小硬度比熔石英玻璃高，比重小，约为2.442.62，比铝还轻。4、稳定性极高它比目前使用的其它反射镜材料都好。三、应用平晶、标准米尺、大型反射镜、激光制导陀螺等。,39,第一章光学材料,1-6光学晶体一、概念晶体是具有格子结构的固体。定义：晶体的结构与玻璃不同，即构成晶体内部的质点（原子和离子），是以点阵的形式在三度空间作有规律的、重复的排列，构成所谓的格子结构。格子结构：空间格子中的点，称为结点；结点在直线上的排列称为行列；结点在平面上的分布称为面网；在三度空间中,空间格子的最小单位称为平行六面体。,40,第一章光学材料,实际晶体的最小单位称为晶胞。组成晶体多面体外形的平面称为晶面；两个晶面相交而成的直线称为晶棱；三条晶棱会聚的点称为角顶。晶胞三个棱的方向称为晶轴。晶体分为三大晶族，七大晶系，光学晶体多属中级和高级晶族的晶体，如石英晶体是属中级晶族中的六方晶系；萤石是高级晶族，属立方晶系。二、晶体的基本性质（一）均匀性晶体内部质点性质和排列方式都是相同的。,41,第一章光学材料,（二）各向异性晶体内部不同方向上质点性质不同，排列方式也不同所引起的。（三）对称性晶体光轴为对称轴单轴（四）自范性（自限性）晶体具有自发地形成封闭集合多面体外形的性质。（五）最小内能行及稳定性,42,第一章光学材料,三、光学性质（一）双折射与晶体结构对称程度有关。（二）旋光性当平面偏振波沿光轴方向传播时，偏振面旋转一定角度的现象。（三）吸收性和多色性吸收性：各项异性。多色性：除等轴晶体外，同一晶体的不同方向上呈现出不同的颜色。,43,第一章光学材料,四、力学性质（一）解理解理性：指晶体在外界定向机械力的作用下，按着一定的方向分裂成光滑平面的能力。解理面：因解理而成的平面。断口：依一定方向破裂而成的凹凸不平的表面。（二）硬度硬度：表示物体对外来机械侵入所表现的抵抗能力。测定方法不同，硬度的标准也不同。对晶体最常用的是莫氏硬度。,44,第一章光学材料,磷灰石：正长石：滑石：,45,第一章光学材料,旧莫氏硬度：（10种）滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石、石英、黄玉、刚玉、金刚石。新莫氏硬度：（15种）滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石、熔融石英、石英、黄玉、石榴石、碳化锆、刚玉、碳化硅、碳化硼、金刚石。五、晶体的溶解度晶体的溶解度表示在一定的温度下，该晶体在100g水中所能溶解的克数。,46,第一章光学材料,六、分类及应用（一）按晶体的用途分类1、紫外、红外晶体有石英（SiO2）、萤石（CaF2）、氟化锂（LiF）、岩盐（NaCl）、硅（Si）、锗（Ge）等。石英：,47,第一章光学材料,萤石晶体：岩盐：,48,第一章光学材料,2、偏振晶体常用的偏振晶体有方解石（CaCO3）、石英和硝酸钠（硝石）等。方解石：,49,第一章光学材料,3、复消色差晶体利用晶体特殊的色散特性制造复消色差物镜，如萤石与玻璃组合制成复消色差系统，可以消除球差和二级光谱。4、激光晶体可用作固体激光器的工作物质，如红宝石、氟化钙和钇铝石榴石等。刚玉：石榴石：,50,第一章光学材料,（二）按硬度和工艺方法分类1、硬质晶体硬质晶体的硬度比玻璃高。玻璃的莫氏硬度约为6，石英晶体、红宝石、钇铝石榴石等，莫氏硬度在79之间。2软质晶体大部分光学晶体均属软质晶体，莫氏硬度为24。常用的软质晶体有萤石和方解石等。3水溶性晶体水溶性晶体的种类很多，例如氯化钠、氯化钾和ADP（磷酸氰氨）、KDP（磷酸氰钾）等。,51,第一章光学材料,1-7光学塑料一、光学塑料的组成及种类（一）组成在树脂中添加增强剂、增塑剂、稳定剂和润滑剂等。塑料的基本性质，主要取决于树脂的性质，添加剂对改善塑料的性能起着重要作用。,52,第一章光学材料,（二）分类光学塑料按其性质分为：热塑性塑料：是线性分子链结构。热固性塑料：是网状分子链结构。1、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）高度透明，对可见光的透过率高达92%，并能透过73%的紫外光。它的折射率为1.492，与冕牌玻璃相近，故称王冕塑料。缺点：表面硬度低、易划伤。优点：冲击强度高、不易碎、质轻、价格低、已成型。成型方法：浇注成型法、注射成型法、机械加工成型法、热成型法。,53,第一章光学材料,2、聚苯乙烯它的折射率为1.591。与火石玻璃相近，故称火石塑料。缺点：强度低，耐热性差。优点：自由着色、无臭无味无毒、吸湿性小。3、烯丙基二甘醇碳酸脂（CR39）是目前使用的唯一的热固性光学塑料，通常采用浇铸成型。缺点：收缩率大、价格贵。优点：耐磨、抗冲击、抗化学腐蚀性强。4、苯乙烯丙烯酸酯共聚物70%的苯乙烯和30%的丙烯酸酯的共聚物。可调其2者的成份，成份不同折射率不同。,54,第一章光学材料,二、光学塑料的优缺点优点：1比重小光学塑料的比重在0.83-1.4之间，而光学玻璃为2.5-4.7。2耐冲击强度高3透红外、紫外性能好4耐温度骤变能力强5易成型、成本低缺点：1热膨胀系数高，吸水性大2硬度低、易划伤3光学常数选择范围有限4耐溶剂性能差,55,第二章光学零件加工的技术要求,2-1光学零件及零件图一、光学零件种类1、透镜,56,第二章光学零件加工的技术要求,2、棱镜：3、平面镜：分划板、度盘、码盘,57,第二章光学零件加工的技术要求,表面作用：工作表面：有效表面，它用于光的透射、反射、改变光束方向或会聚光线等方面。辅助表面：用于连接、支撑和固定的，又称装夹或安装表面。自由表面：用于零件的夹紧或在完成零件基本加工后，为限制零件的形状和尺寸，去掉多余材料得到的表面。二、光学零件图在光学零件图中要反映以下内容：反映出零件的几何形状、结构参数和公差；反映出对光学材料的质量要求；反映出对光学零件加工精度和表面质量的要求。,58,第二章光学零件加工的技术要求,59,第二章光学零件加工的技术要求,60,第二章光学零件加工的技术要求,61,第二章光学零件加工的技术要求,1、反映零件的几何形状、结构的主要尺寸（1）透镜表面曲率半径R；曲率中心位置；透镜的中心厚度d；边缘厚度t；透镜外圆直径D；有效孔径D0；倒角的位置、角度和宽度等。（倒角分工艺性倒角和装配性倒角）,o1,o2,62,第二章光学零件加工的技术要求,（2）棱镜棱镜各面间的夹角；棱镜的厚度和高度；倒角和成形截面的位置、角度和宽度等。2、对光学材料质量指标和光学零件加工的要求（1）光学材料质量指标7项,63,第二章光学零件加工的技术要求,（2）光学零件加工要求透镜光圈数N；局部光圈数N；中心偏差C；样板精度R；表面疵病等级B；光学零件的气泡度q。棱镜N、N、B、q；光学平行差、；角度误差；两相同角度差值（如45）；尖塔差；平行平面的平行度公差；屋脊棱镜的双象差；有效孔径。,64,第二章光学零件加工的技术要求,3、其它技术要求如镀膜、刻划及某些面的粗糙度要求等。增透膜外反光膜内反光膜分光膜滤光膜防水膜保护膜光热膜感光膜,65,第二章光学零件加工的技术要求,2-2光学玻璃的要求一、对折射率和色散系数的要求五类四级二、对光学均匀性的要求四类三、对应力双折射的要求五类四、对光吸收的要求八类五、对条纹度的要求四类3级六、对气泡度的要求三类7级,66,第二章光学零件加工的技术要求,2-3对光学零件的要求一、对光学样板的要求（R）光学样板半径所允许的半径偏差R，根据其大小分为A、B两级。它不仅能检查R的大小，还能检查R的变化。,67,第二章光学零件加工的技术要求,二、对光圈数N和局部光圈N的要求零件表面与样板表面之间存在的偏差，用两表面间空气隙所产生的干涉条纹数N和N表示。N表示整个表面的面形偏差；N表示零件表面的局部偏差。N1=3，N1=0.3N2=2，N2=0.2,68,第二章光学零件加工的技术要求,69,第二章光学零件加工的技术要求,三、对透镜中心偏差的要求C1、定义：指透镜外圆的几何轴与光轴在曲率中心处的偏离量，用C表示。中心偏差会使轴上象点产生慧差、象散等象差。,70,第二章光学零件加工的技术要求,四、对透镜的厚度公差和空气间隙的要求厚度公差的最小单位0.01。,空气间隙,71,第二章光学零件加工的技术要求,五、对表面疵病的要求光学零件的表面疵病，系指抛光后的光学表面存在的麻点、划痕、开口气泡和破边等，用符号B表示。六、对光学零件气泡度的要求标注方法有三种：1、只规定气泡大小，不限数量。如q=0.01，表示整个表面只允许直径小于0.01mm的气泡，数量不限。,72,第二章光学零件加工的技术要求,2、分区限制气泡的大小与数量如q=(2)0+(10)0.013+0.025。小于2mm：不允许有气泡；210mm：d0(即比理论值大)，则曲率半径R减小；反之则反。（2）d一定时，愈小（即R愈大），dR愈大。（3）磨轮r误差dr对曲率半径的影响是：对凸球面，r增大（刃口变钝），R减小；对凹球面，r增大，|R|增大；（4）磨轮中径Dm的误差dDm对曲率半径误差的影响是dDm0,则|R|增大。（5）当d、dr和dDm为一定时，越大，dR越小。,108,第四章光学零件的粗磨,（二）中心调整误差的影响中心调整误差是指经过角度调整之后，磨轮端面刃口并未正好处于工件表面中心，而存在一定的偏离差。外包内包,109,第四章光学零件的粗磨,（三）磨轮轴与工件轴共面调整误差铣磨机使用时，一般不作磨轮轴与工件轴共面误差的调整，而由机床装校保证。如果存在磨轮轴与工件轴的共面误差h，球面方程将变为高次曲线的回转面。（四）磨轮轴和工件轴径向跳动的影响径向跳动的影响，将使工件表面产生非球面误差。磨轮轴与工件轴径向跳动允差在0.0050.01mm范围内，对球面半径精度影响不大。,110,第四章光学零件的粗磨,二、影响透镜中心厚度误差的因素（一）磨轮轴和工件轴轴向跳动的影响一般铣磨机两轴的轴向跳动量均为0.005mm。因此，轴向跳动影响的最大误差是0.01mm。（二）夹具精度对透镜中心厚度的影响主要是由于夹具制造误差和对夹具使用不当造成的。4-6铣磨球面产生的表面疵病铣磨球面产生的表面疵病常见的有：菊花纹（细密振纹）、宽疏菊花纹、麻点、擦贴圈有缺口（或中间环带脱空）和球面偏心等。,111,第四章光学零件的粗磨,一、菊花纹和宽疏菊花纹（一）菊花纹产生原因：是磨头误差与振动影响造成的，磨头预紧力的大小对菊花纹也有一定影响。判断内包与外包：（二）宽疏菊花纹产生原因：工件主轴的轴向窜动。,112,第四章光学零件的粗磨,二、麻点产生原因：磨轮线速度选择不当，进刀速度与工件转速配合不好。三、几何形状的疵病（一）擦贴环带有缺口产生原因：光刀时间不够或者密封圈过厚。检验方法：金属样板卡工件被加工表面擦贴度法简易球径仪测失高检查被加工表面,113,第四章光学零件的粗磨,（二）擦贴环带脱空产生原因：机床工件主轴轴线与磨头轴线不相交。一般两轴线不相交允差0.03mm。（三）球面偏心产生原因：夹具定位面的偏心。,114,第四章光学零件的粗磨,作业：1、绘图说明凹球面铣削成型原理，推导计算角公式。2、双凸透镜，外径20mm，R=24.21mm，d=8mm，磨轮外径23mm，内径15mm，r=2mm，求？,115,第五章光学零件的精磨,目的：减小零件表面的凹凸层深度，并提高其均匀性；进一步改善零件表面的面形精度及有关尺寸精度，以满足抛光对零件表面结构和形状的要求。方法：散粒磨料精磨、固着磨料精磨。5-1散粒磨料精磨,116,第五章光学零件的精磨,光学零件的精磨一般用两道砂，即用两种粒度不同的磨料。若第一道砂的磨料粒度为W28，第二道砂的磨料粒度则为W14。有些特殊零件需要三道或四道砂，磨料粒度可选用W28、W14、W10、W7等。精磨工艺因素主要包括如下几点：精磨模与镜盘的相对尺寸；顶针的摆幅；顶针的前后伸缩量；主轴转数与顶针摆速。,117,第五章光学零件的精磨,5-2金刚石高速精磨一、金刚石高速精磨磨具金刚石高速精磨磨具是采用金刚石精磨片，按一定的排列方式，用胶粘结在磨具基体上，并通过修磨而成。,118,第五章光学零件的精磨,（一）球面金刚石精磨模的形式无论是凸精磨模还是凹精磨模。均由精磨片、粘结剂和磨具基体构成。（二）球面金刚石精磨模的曲率半径取被加工球面抛光完工后的曲率半径名义尺寸。并按精磨后的光圈比抛光完工后的光圈低几道光圈来修磨曲率半径。一般高速精磨预留35N，散粒磨料精磨预留510N。凸球面：RcmRtmRjm1Rjm2Rpm凹球面：RcmRtmRjm1Rjm2Rpm,119,第五章光学零件的精磨,（三）精磨模与镜盘的相对位置和相对尺寸1、精磨模与镜盘的相对位置散粒磨料精磨，将凸面的安装在机床主轴上。金刚石高速精磨，将金刚石磨具安装在机床主轴上。2、精磨模与镜盘的相对尺寸,120,第五章光学零件的精磨,3、精磨模的基体曲率半径公式中凸模取“-”号，对凹模取“+”号。二、精磨片特性参数的选择（一）粒度的选择在高速精磨中，要求金刚石磨具既有较高的磨削效率，又能得到较好的表面粗糙度。第一道精磨，采用的金刚石磨片粒度为W28或W20为宜；第二道精磨，采用W10或W7为宜。如果只用一道精磨，则以W14为宜。,121,第五章光学零件的精磨,（二）浓度的选择浓度过低或过高对于精磨效率和质量影响都不利。最合适的浓度，国内外很不统一。国内为3050%；国际上定为45%。（三）磨片的结合剂在高速精磨中，国内外普遍采用金属结合剂，它包括青铜结合剂，钢结合剂等。国内主要采用青铜结合剂。（四）精磨片的形状和尺寸精磨片的形状：一般为圆形，国外也有矩形（苏联）。圆形有平、凸、凹三种形式。精磨片的尺寸：主要指磨片的直径和厚度。此外，还有金刚石层厚度和曲率半径等。,122,第五章光学零件的精磨,精磨片的直径：取决于精磨模的曲率半径、口径和镜盘的直径。精磨片的厚度：主要取决于精磨片直径。（五）覆盖比的选择覆盖比：指排列在磨具上的精磨片表面积之和与磨具整个球缺表面积之比。Z精磨片的数目；Ap每片精磨片的面积；AW磨具球缺表面积。,123,第五章光学零件的精磨,覆盖比的选择，主要取决于磨具的曲率半径。（六）精磨片的排列方式应满足以下要求：保证磨具的形稳性；不应产生死点，冷却液畅通无阻，以利散热和排屑。1、同心圆排列两种情况：一种是在各同心圆上，相临两精磨片错开圆周线排列，即径向有重叠；另一种情况是在不同圆周上精磨片排列间隙不等。2、螺旋线排列,124,第五章光学零件的精磨,例题：双凸透镜R=24.21mm，镜盘口径42.00mm，一道模精磨模，设计高速精磨磨具。一、对磨片的设计1、粒度：W142、浓度：40%（30%50%）3、结合剂：青铜结合剂4、精磨片的形状和尺寸：形状：圆柱形尺寸：6x3.5mm（查表）,125,第五章光学零件的精磨,5、覆盖比：取=40%（查表）计算磨片数量6、排列方式：同心圆排列，且中心疏边缘密,126,第五章光学零件的精磨,二、对基体的设计1、精磨盘对镜盘的位置：磨具在下。2、相对尺寸：D精=1.1D镜=46.23、精磨盘的曲率半径：,127,第五章光学零件的精磨,5-3球面金刚石模具的理想磨耗规律磨耗比：治模具与玻璃相磨，模具磨损量与玻璃去除量的比值。铸铁和玻璃相磨，磨耗比为1：100；金刚石磨片的为1：3000。一、金刚石磨片磨耗量与摩擦功的关系金刚石磨片的磨耗，主要是机械作用的结果，即金刚石颗粒的磨损、折断、脱落和结合剂的磨耗。实验表明：在一定压强范围内，磨片的磨耗量与压强成正比；在一定速度范围内，磨耗与相对磨削速度大小成正比；在玻璃原始表面粗糙度相同情况下，磨片的磨耗量与有效磨削时间成正比。,128,第五章光学零件的精磨,由普雷斯顿假说提出的公式计算：上式说明，模具上某点的磨耗量与该点所承受的摩擦功成正比。二、球面金刚石模具的理想磨耗规律理想磨耗：如果模具磨损后的表面与磨损前的表面具有相同的曲率半径。,129,第五章光学零件的精磨,在理想磨耗情况下，磨具表面上各点摩耗量之间的余弦关系，所以我们又把理想磨耗规律称作余弦磨耗规律。如何实现理想磨耗呢？主要有两个途径：（1）在给定速度和压力分布的情况下设计磨具，使磨片的排列和分布满足余弦磨耗规律；（2）在磨具已定的情况下，选择适当的速度和压力分布与磨具相匹配，从而达到余弦磨耗之目的。,130,第五章光学零件的精磨,5-4金刚石高速精磨中的冷却液金刚石高速精磨冷却液具有四大作用：冷却、润滑、清洗和化学作用。一、冷却作用冷却作用：是指冷却液流经磨具和工件表面时，吸收和带走热量的能力。在一切液体中，水的比热最大，其值为油类的23倍；在标准大气压下沸腾时，水的蒸发热是油类的715倍；水的导热系数是油类的35倍。,131,第五章光学零件的精磨,二、润滑作用润滑作用：是指它减少金刚石磨具与工件接触面摩擦的能力，即减小磨削阻力和磨具磨损的能力。三、清洗作用清洗作用：主要指它能否及时清除加工中产生的玻璃碎屑和磨具碎屑的能力。四、化学作用目前，国内外在高速精磨中广泛使用的冷却液是以水为主体，再加入少量的三乙醇胺、甘油、硫酸镍等，组成三乙醇胺水，甘油水，三乙醇胺甘油水等水溶性的冷却液。,132,第五章光学零件的精磨,1、冷却液对金刚石磨具的化学自锐作用金刚石精磨片中的结合剂铜，能与空气中的二氧化碳、氧和冷却液中的水生成两种碱式碳酸铜：一种叫铜绿CuCO3Cu(OH)2H2O，另一种叫蓝色石青2CuCO3Cu(OH)2。2、冷却液对二氧化碳的吸收作用玻璃水解后，除生成硅酸凝胶薄膜外，还生成氢氧化钠，它与空气中的二氧化碳作用，生成碳酸钠，这种盐类会对玻璃表面产生腐蚀作用。,133,第五章光学零件的精磨,5-5光学零件的上盘一、平行平面上盘（一）松香蜂蜡胶上盘法方法一：先将粘结模擦干净，加热后涂上一层粘结胶，再放上已预热工件，加一定压力挤出多余的胶。特点：这种方法常用于粗磨过程的上盘及光圈平行度要求不高的零件精磨上盘。,134,第五章光学零件的精磨,方法二：先将粘结模擦干净，然后放上擦净的工件，将粉末状的粘胶撒在零件的缝隙处，加热粘结模，使粘结胶融化从零件边缘渗入。优点：操作方便。缺点：平行度不高，不适用于面型精度较高的薄片。,135,（二）点胶上盘法加热工件到能粘住粘结条的温度，视工件大小，均匀排列胶条。冷却后，将它贴在贴置模上，再放上已加热的粘结模，让其自然下落到贴置模四周的定位条上，自然冷却后，沿水平方向拉下镜盘即可。优点：可获得较好的面形（N=0.5）和平行度（=30）缺点：承受不了高压高速的加工条件，怕震动，对室内温度梯度要求较高。,第五章光学零件的精磨,136,第五章光学零件的精磨,（三）浮胶上盘法先将粘结垫板擦干净，再放上擦净的零件。如果是抛光面，即能看到清晰的光圈，然后将粘结胶滴入零件间的空隙处。冷却后刮净零件待加工表面的胶即可。优点：工件及粘结平板都不需加温，工件可达到较高的平行度和面形精度（N0.5，10）。缺点：承受不了高速高压的加工条件，易走动。,137,第五章光学零件的精磨,（四）光胶上盘法将零件光胶面擦净后，放到光胶垫板上，呈现清晰的光圈后，从零件的一边稍许加压。如发现光胶面间有气泡、白点，可用酒精灯局部加热工件，拆胶后重新擦净，重新光胶。优点：平行度和平面度可达到很高精度（Nhk，故hk可以舍去，则在样板检验中，光线垂直照射，即cosi1，则在两表面产生的光程差可写成：满足暗条纹条件为：,168,第六章光学零件的抛光,（四）相邻光圈的间隔r与干涉级的关系当k=0时，当k逐渐增大时，愈来愈小，即r逐渐减小，以致眼睛无法分辨，k的极限可由物理光学得知：一般=10nm,169,第六章光学零件的抛光,二、光圈的识别与度量在样板检验中，R的大小表现为光圈数量的多少，R的正负表现为光圈的高低。低光圈：样板与工件边缘接触；高光圈：样板与工件中间接触。,170,第六章光学零件的抛光,对平面来说，低光圈，说明表面凹下；高光圈，说明表面凸起。对凸球面来说，低光圈，说明曲率半径R偏大；高光圈，说明曲率半径R偏小；对凹球面来说，低光圈，说明曲率半径R偏小；高光圈，说明曲率半径R偏大。在抛光过程中，被加工表面还可能出现局部偏差，即局部凸起或凹下，或叫局部高或局部低。最常见的局部偏差有中心高或中心低、边缘高或边缘低。边缘高又叫翘边，边缘低又叫塌边。,171,第六章光学零件的抛光,（一）高低光圈的识别通常是根据干涉条纹的形状、特征，移动情况、弯曲方向、疏密程度、颜色等来识别光圈的高低。1、周边加压法最适用于光圈N1的情况。高光圈，样板周边加压后，干涉条纹从中心向边缘移动。低光圈，样板周边加压后，干涉条纹从边缘向中心移动。,172,第六章光学零件的抛光,2、边缘点力法边缘点力法，是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。这种方法最适用于N1的光圈识别和度量，其精度可达/10左右。,173,第六章光学零件的抛光,工件表面为高光圈，各带干涉条纹弯曲方向是弯向受力点。,174,第六章光学零件的抛光,工件表面为低光圈，各带干涉条纹弯曲方向是背向受力点。,175,第六章光学零件的抛光,3、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。色序法不仅适用N1时光圈高低的识别，而且也可用于N1时光圈的度量。低光圈：从中心到边缘的颜色序列为“红、黄、蓝”等。高光圈：从中心到边缘的颜色序列为“蓝、黄、红”等。,176,第六章光学零件的抛光,（二）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：曲率半径偏差被检光学表面的R相对于参考光学表R的偏差，称半径偏差，又称整体偏差，用N表示。像散偏差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，用1N表示。局部偏差被检光学表面与参考光学表面在任一位置上产生的干涉条纹的局部不规则程度，称局部偏差，2N表示。,177,第六章光学零件的抛光,1、光圈数N的度量（1）在光圈数N1的情况下在光圈数N1的情况下，在有效检验范围内，用直径方向上最多条纹数的一半来度量，并以红光的条纹数度量。,178,第六章光学零件的抛光,（2）在光圈数N1的情况下在光圈数N1的情况下，光圈数N以通过直径方向上干涉条纹的弯曲量(h)相对于条纹的间距(H)的比值(N=h/H)来度量。,179,第六章光学零件的抛光,如果对光圈的精度要求不高时，也可根据干涉色度量光圈数。用样板检验，以荧光灯作光源时，当边缘接触其颜色为灰白色时，则可根据中间部位的颜色确定光圈数。,180,第六章光学零件的抛光,与空气隙厚度相对应的光圈数和颜色。,181,第六章光学零件的抛光,2、象散光圈的度量象散光圈数，以两个互相垂直方向上光圈数N的最大代数差的绝对值来度量。（1）椭圆形象散光圈数的度量被检光学表面在X-X和Y-Y方向上的光圈数Nx和Ny不等，偏差方向相同。图中的象散光圈数为N=|Nx-Ny|=|-2-(-3)|=1。,182,第六章光学零件的抛光,（2）马鞍形象散光圈数的度量被检光学表面在X-X和Y-Y方向上的偏差方向相反。图中的马鞍形象散光圈数N=|Nx-Ny|=|-1-(+2)|=3。（3）柱形象散光圈数的度量被检光学表面的X-X和Y-Y方向上的光圈数Nx和Ny不等。其中，某一方向的光圈数N=0。图中的柱形象散光圈数N=|Nx-Ny|=|-1-0|=1。,183,第六章光学零件的抛光,（4）在光圈数N1的情况下，象散光圈的度量Nx和Ny都小于1。这时可根据两个方向的干涉条纹的弯曲度来确定Nx和Ny，而象散光圈数N=|Nx-Ny|。,184,第六章光学零件的