第8章-光学非球面零件的超精密加工课件

第8章-光学非球面零件的超精密加工第8章-光学非球面零件的超精密加工18.1.1光学非球面零件的性能特点非球面光学零件是一种非常重要的光学零件，常用的有抛物面镜、双曲面镜、椭球面镜等。非球面光学零件可以获得球面光学零件无可比拟的良好的成像质量，在光学系统中能够很好的矫正多种像差，改善成像质量，提高系统鉴别能力，它能以一个或几个非球面零件代替多个球面零件，从而简化仪器结构，降低成本并有效的减轻仪器重量。非球面光学零件在军用和民用光电产品上的应用也很广泛，如在摄影镜头和取景器、电视摄像管、变焦镜头、电影放影镜头、卫星红外望远镜、录像机镜头、录像和录音光盘读出头、条形码读出头、光纤通信的光纤接头、医疗仪器等中。8.1概述8.1.1光学非球面零件的性能特点非球面光学零件是一种非常2第8章-光学非球面零件的超精密加工课件3第8章-光学非球面零件的超精密加工课件4第8章-光学非球面零件的超精密加工课件5第8章-光学非球面零件的超精密加工课件6（1）单点金刚石切削（2）弧形金刚石砂轮磨削加工（1）单点金刚石切削（2）弧形金刚石砂轮磨削加工78.2非球面零件超精密加工技术国外非球面零件的超精密加工技术的现状国外许多公司己将超精密车削、磨削、研磨以及抛光加工集成为一体，并且研制出超精密复合加工系统，如RankPneumo公司生产的Nanoform300、Nanoform250、CUPE研制的Nanocentre、日本的AHN60―3D、ULP一100A(H)都具有复合加工功能，这样可以便非球面零件的加工更加灵活。8.2非球面零件超精密加工技术国外非球面零件的超精密加工技8我国非球面零件超精密加工技术的现状我国从80年代初才开始超精密加工技术的研究，比国外整整落后了20年。近年来，该项工作开展较好的单位有北京机床研究所、中国航空精密机械研究所、哈尔滨工业大学、中科院长春光机所应用光学重点实验室等。

为更好的开展对此项超精密加工技术的研究，国防科工委于1995年在中国航空精密机械研究所首先建立了国内第一个从事超精密加工技术研究的重点实验室。

“Nanosys-300”非球面曲面超精密复合加工系统我国非球面零件超精密加工技术的现状我国从80年代初才98.2.1非球面零件超精密切削加工技术美国UnionCarbide1972年R-θ非球面机床摩尔公司1980M―18AG非球面加工机床英国RankPneumo1980年MSG-325,随后ASG2500、ASG2500T、Nanoform300；1990年开发出Nanoform600美国LODTM，(LLNL)实验室于1984年研制

英国Cranfield大学精密工程研究所(CUPE)研制的大型超精密金刚右镜面切削机床日本，ULG―l00A(H)不二越公司的ASP―L15、丰田工机的AHN10、AHN30×25、AHN60―3D非球面加工机床等8.2.1非球面零件超精密切削加工技术美国UnionCa10硬脆材料的塑性域超精密磨削加工实现塑性域超精密磨削加工的条件是：砂轮单个磨粒的最大切削深度小于脆性材料的临界切削厚度。压痕的临界深度：E-弹性模量H-显微硬度K1c－断裂韧性8.2.2非球面零件超精密磨削加工技术硬脆材料的塑性域超精密磨削加工实现塑性域超精密磨削加工的条件11砂轮单个磨粒的最大切削深度：单个磨粒的最大切削深度工件的进给速度砂轮速度砂轮动态有效磨刃数砂轮直径磨削常数微晶玻璃、单晶硅等脆性材料才能进行塑性域的超精密磨削加工砂轮单个磨粒的最大切削深度：单个磨粒的最大切削深度工件的进给12在考虑其他磨削条件下，只有采用平均磨粒尺寸低于20μm（或平均磨粒尺寸的最大值不超过25μm）的金刚石砂轮才能获得塑性域的超精密磨削加工，从而消除表面的裂纹缺陷。在考虑其他磨削条件下，只有采用平均磨粒尺寸低于20μm（或平13第8章-光学非球面零件的超精密加工课件14要实现塑性域的超精密磨削加工，必须保证机床系统精度和工具与工件之间高的动态精度，具体条件为：微细磨粒砂轮的高精密“修整”和“修锐”，以保证砂轮足够锋利；高动态刚度的主轴，主轴的运动误差（径向和轴向）必须小于0.1μm；高动态刚度的导轨，运动误差（线性和回转）必须小于0.1μm；光滑、无噪声、高刚度伺服驱动控制成形切削运动。要实现塑性域的超精密磨削加工，必须保证机床系统精度和工具与工15非球面零件超精磨削设备英国RankPneumoNanoform250超精密加工系统CUPE生产的Nanocentre非球面光学零件加工机床CUPE还为美国柯达公司研究、设计和生产了当今世界上最大的超精密大型CNC光学零件磨床“0AGM2500”日本丰田工机研制的AHN60―3D是一台CNC三维截形磨削和车削机床非球面零件超精磨削设备英国RankPneumoNa168.2.3光学非球面零件的ELID镜面磨削技术InProcessDressing(ELID)的磨削法，实现了对硬脆材料高品位镜面磨削和延性方式的磨削，现在该方法己成功的应用于球面、非球面透镜、模具的超精密加工。①ELID镜面磨削原理ELID磨削系统包括：金属结合剂超微细粒度超硬磨料砂轮、电解修整电源、电解修整电极、电解液(兼作磨削液)、接电电刷和机床设备。磨削过程中，砂轮通过接电电刷与电源的正极相接，安装在机床上的修整电极与电源的负极相接，砂轮和电极之间浇注电解液，这样，电源、砂轮、电极、砂轮和电极之间的电解液形成一个完整的电化学系统。8.2.3光学非球面零件的ELID镜面磨削技术InP17要求砂轮的结合剂有良好的导电性和电解性、结合剂元素的氢氧化物或氧化物不导电，且不溶于水，ELID磨削使用的电源，可以采用电解加工的直流电源或采用各种波形的脉冲电源或直流基量脉冲电源。在ELID磨削过程中，电解液除作为磨削液外，还起着降低磨削区温度和减少摩撩的作用，ELID磨削一般采用水溶性磨削液，全属基结合剂砂轮的机械强度高，通过设定合适的电解量，砂轮磨损小。同时能得到高的形状精度。应用这个原理，能实现从平面到非球面，各种形状的光学元件的超精密镜面磨削。要求砂轮的结合剂有良好的导电性和电解性、结合剂元素的氢18②ELID镜面磨削实验系统在RankPneumo公司的ASG―2500T机床上，装上由砂轮、电源、电极、磨削液等组成大森整ELID系统毛坯粗成形加工时使用400#、半精加工时使用1000#或2000#、作镜面磨削时使用4000#(平均粒径约为4μm)或8000#(平均粒径约为2μm)的铸铁结合剂金刚石砂轮，电解修锐电源(ELID电源)，使用的是直流高频脉冲电压式专用电源，工作电压为60V，电流为lOA。所用的磨削液，使用时要求用纯水将水溶性磨削液AFH―M和CEM稀释50倍。②ELID镜面磨削实验系统19③ELID镜面磨削实验方法和实验结果作非球面加工时，通过安装在工件轴上的碗形砂轮(325#铸铁结合剂金刚石砂轮为φ30×W2mm)进行平砂轮的R成形修整，约10min的电解初期修锐之后，经过400#的粗磨和1000#的半精加工，最后再用4000#进行ELID镜面磨削，在超精密非球面加工机床上，借助ELID磨削技术，成功地加工出了光学玻璃BK―7非球面透镜。面型精度达到优于o．2μm，表面粗糙度达Ra20nm，而对于稍软如LASFN30和Ge等材料的非球面加工，同样能达到面形精度优于O．2～O．3μm，表面粗糙度达Ra30nm的良好镜面。③ELID镜面磨削实验方法和实验结果208.2.4非球面零件的超精密抛光(研磨)技术①非球面零件超精密机械抛光技术日本CANON公司研制出光学非球面元件超光滑抛光装置，交替反复地对工件形状进行测量和进行修正抛光，达到工件的设计精度要求。采用的修正抛光法一边改变抛光头在工件表面上的滞留时间，一边进行扫描的修整抛光法。抛光头必须能够实现在任意方向上对工件表面进行加工，因而定位机构需要有六个自由度，即工作台的X、Z、θ和3个直线机构构成的摆动臂运动。用计算机实时计算控制滞留时间和扫描速度，同时控制抛光头的位置。8.2.4非球面零件的超精密抛光(研磨)技术①非球面零件21②光学非球面曲面的EEM(ElasticEmissionMachining)以弹性流体润滑流态使均匀悬浮于水中的微粒子加速作用于被加工表面，借粒子与加工表面之间的相互作用，来进行原子级加工余量的去除。日本大阪大学工学部森勇芷教授等人利用EEM开发了一种三轴(x、z、C)数控光学表面范成装置，利用该装置加工时，一边在工件表面上控制聚胺脂球的滞留时间，一边用聚胺脂球扫描加工对象的物全领域，利用该装置能加工高精度的任意曲面。

②光学非球面曲面的EEM(ElasticEmission22③非球面零件的等离子体CVM（ChemicalVaporizationMachining）等离子CVM法，这是一种利用原子化学反应，获得超精密表面的一种技术，其加工原理和等离子体刻蚀一样，在等离子体中，被激活的游离基和工件表面原子起反应，将之变成挥发性分子，并通过气体蒸发实现加工的，在高压力下所产生的等离子体，能够生成密度非常高的游离基，所以这种加工方法能达到与机械加工方法相当的加工速度。在高压力下，由于气体分子的平均自由行程极小，等离子体局限在电极附近。所以可以通过电极扫描，加工出O．01μm精度的任意形状的零件，另外可以以50μm／min的速度加工单晶硅平面，加工工件的表面粗糙度可达0.1nm。

③非球面零件的等离子体CVM（ChemicalVapor238.2.5非球面零件复制技术

复制技术，即塑料注射成形和玻璃的模压成形技术，这种技术能够制造一部分非球面透镜。

塑料透镜注射成形是将熔化的树脂注入模具内，一边施加压力，一边冷却固化的加工方法，这种方法能够进行廉价、大批量生产，但存在塑料自身的某些问题，如温度变化、吸湿导致透镜折射率的变化。

玻璃的模压成形是代替切削、磨削、研磨加工透镜、棱镜的最佳的小型零件大批量生产方法。

模压成形技术是将模具内的温度控制在冲压的玻璃转移温度以上，软化温度以下，在模具内，进入有流动性的玻璃，加压成形，并且保持这种状态20s以上，直到成形了的玻璃温度分布均匀化。将模具的形状精度做到0．1μm，表面粗糙度做到0．01μm以下，在上述条件下加压成形，能加工出和模具精度相近的零件。8.2.5非球面零件复制技术复制技术，即塑料注射成形248.3光学非球面零件的检测技术8.3.1光学非球面零件的形状精度

8.3光学非球面零件的检测技术8.3.1光学非球面零件的258.3.2非球面的非接触测试仪

①非接触光干涉三维形状测试仪

采用白色光源在半反射镜上分叉到测试表面和参照镜，再反射回来结合于半反射镜，当光路差相等时发生干涉。白色光的干涉性较小，能够在很小的范围内产生干涉条纹，因此，通过采集的光的干涉强度驱动干涉计的垂直光轴方向，使之能够调节到干涉条纹的零位置。利用此原理，垂直移动参照镜观察测试面上的CCD各点的干涉条纹，确定其等光路位置，然后在水平方向的测试面上进行一定速度的扫描，最终检测出非球面的高度数据。8.3.2非球面的非接触测试仪①非接触光干涉三维形状测26②非接触激光三维形状测试仪激光通过显微镜镜筒，从物镜的一端开始向光轴中心聚焦，再由工件反射后经物镜返回，在聚焦AF感应器聚焦成像。然后，通过移动物镜，使激光点最小且达到光轴心确定垂直方向的位置。此时，将聚焦点的XYZ坐标以线性形式输入到计算机中，获取非球面表面的三维形状数据。测试精度直接取决于工作台面向工件聚焦的移动精度。②非接触激光三维形状测试仪激光通过显微镜镜筒，从物镜的一端开27③原子力探针测试仪利用探针与物体的原子间范德瓦尔斯吸引力和静电力的作用接近测试表面，从而确定非球面表面的三维形状。③原子力探针测试仪利用探针与物体的原子间范德瓦尔斯吸引力和静288.4大型非球面镜的研抛加工8.4.1计算机控制光学表面成形技术计算机控制光学表面成形技术CCOS（ComputerControlledOpticalSurfacing）,又称计算机控制小工具抛光技术，在大口径、高精度非球面的加工中地位重要。①CCOS的形成原理

以下列二次回转曲面加工为例8.4大型非球面镜的研抛加工8.4.1计算机控制光学表面29最接近球面的曲率半径和非球面表面各点的非球面度t非球面与最接近球面的最大偏离量实际加工中，首先用研磨的方法得到最接近球面，然后根据最大偏离量确定在哪个工序将这个最接近球面修改成需要的非球面；最接近球面的曲率半径和非球面表面各点的非球面度t非球面与最接30

如果最大偏离量只有几微米，可以在最接近球面抛光结束后进行修抛；最大偏离量在几十到几百微米时，可在细磨时进行；最大偏离量达到几毫米，需要在粗磨成形时就完成修改。计算机控制小工具抛光技术是采用比被加工光学元件尺寸小很多的柔性抛光工具，根据干涉仪等光学表面面形检测仪器测得的面形数据，选择合适的抛光参数在计算机控制下按照一定的路径加工工件表面，使其面形逐步收敛。实质目的是把高级光学加工者的加工技巧数字化、定量化，由计算机驱动机床运动系统，从而控制抛光模对光学工件表面进行加工。

31②CCOS的设计思路一个反复迭代的闭环控制过程面形检测与预期面形比较选择抛光参数计算驻留时间函数和运动路径预算残余误差形成机床控制文件数控抛光一个周期光学镜面的任意一点的材料去除量②CCOS的设计思路一个反复迭代的闭环控制过程面形检测与预期32首先，由高精度光学面形测量仪测量光学元件的面形误差，取得目前光学表面的面形数据；将面形数据与预期的面形比较，得到本加工周期所需要达到的材料去除分布函数Δz；选择抛光函数，根据预期的材料去除量Δz计算驻留时间函数和最优化的加工路径并通过计算机模拟最终抛光结果，如果模拟结果不符合要求，则需要重新选择抛光参数，再一次进行计算机模拟；重复，直到模拟的抛光结果符合要求时，将抛光模运动参数转化成机床控制文件，并传送到机床数控系统；机床数控系统读入并执行控制文件，驱动机床各运动机构按照一定参数运行，实现本周期内抛光模对工件表面的加工；这一个加工周期完成后，再次用面形检测仪实时检测工件面形，为下一个加工周期提供面形数据；如此周而复始，反复迭代，直到得到符合要求的光学表面。首先，由高精度光学面形测量仪测量光学元件的面形误差，取得目33第8章-光学非球面零件的超精密加工课件34应力盘是采用大尺寸刚性盘作为基盘，在周边可变应力的作用下，盘的面形可以实时地变成所需要的面形。在抛光过程中，安装于应力盘上的驱动器根据计算机发出的变形盘相对镜面位置和方向指令，改变边缘力拒的大小，使应力盘始终与光学非球面镜表面匹配。8.4.2应力盘抛光技术①概述应力盘是采用大尺寸刚性盘作为基盘，在周边可变应力35②应力盘工作的基本原理②应力盘工作的基本原理36③应力盘抛光机床

无论应力盘系统本身有多么复杂，对于机床来说，它始终是一个在工件表面移动的“刀具”。机床控制系统必须为这个特殊的“刀具”提供可以移动到光学镜镜面上的任意位置的运动。机床采用数控系统，自动控制应力盘抛光模在工件表面上按照已有的加工程序进行抛光。机床各传动机构的设计应该尽可能减小机械摩擦、消除空回间隙和爬行；在每个运动方向设置限位开光，可以在发生电器故障或操作失误时自动关闭系统以防止损坏机床和工件。③应力盘抛光机床无论应力盘系统本身有多么复杂，对于37④采用应力盘的大镜加工工艺与面形检测小型金刚石砂轮数控铣磨表面成形机械探针法测量加工精度为5μmrms。计算机控制应力盘加散粒磨料精磨激光干涉仪加工精度在0.5μmrms。计算机控制应力盘抛光激光干涉仪加工精度达0.05～0.02μmrms。④采用应力盘的大镜加工工艺与面形检测小型金刚石砂轮数控铣磨表388.4.3离子束成形技术

离子束成形技术是对模具研、抛技术的重大突破，是利用离子束直接轰击工件表面的惯量转换的方法、在原子量级上的溅射材料去除。①离子束成形系统真空系统：由两级机械泵和冷凝泵组成离子源位移系统：由5轴联动数控系统控制离子源系统：宽束准直氩离子源8.4.3离子束成形技术离子束成形技术是对模具研39②工艺建模与去除函数建模条件材料的去除是线性的并正比于驻留时间在整个表面各处的溅射材料去除速率一致离子束去除函数对时间恒定离子束去除函数对位置不敏感3个基本量输入离子束去除函数期望的去除分布函数离子束扫描路径输出驻留时间分布函数②工艺建模与去除函数建模条件408.5超精密非球曲面加工机床实例8.5.1大型非球面加工机床的设计①大型非球面零件加工精度要求分析加工尺寸及精度要求尺寸要求：非球面零件口径要求在300～1000mm甚至更大精度要求：面形精度优于1/40λrms，表面粗糙度<2nm加工工艺分析粗磨（铣磨成形）——精密研磨抛光8.5超精密非球曲面加工机床实例8.5.1大型非球面加工41②机床总体设计非球面加工机床的性能要求②机床总体设计非球面加工机床的性能要求42机床设计原则精度先行和精度优先结构上尽可能提高刚度机床总体方案机床设计原则43机床关键零部件的设计床身：天然花岗岩导轨及驱动装置：精密级直线滚动导轨、滚珠丝杠副、膜片式柔性联轴器位置反馈装置：贴片式光栅测量装置铣磨主轴装置：高速气浮主轴研磨抛光装置：双旋转运动方式机床关键零部件的设计448.5.2超精密非球面加工机床Nanosystem3008.5.2超精密非球面加工机床Nanosystem300458.6超精密非球曲面加工技术的发展趋势向大批量、小型化、高精度方向发展向大型化发展与有关学科交叉发展8.6超精密非球曲面加工技术的发展趋势向大批量、小型化、高46主题团日14中文2班坚定信仰，做马克思主义无神论者主题团日坚定信仰，做马克思主义无神论者47什么是信仰？马克思主义信仰和宗教信仰的区别什么是马克思共产主义？汪雨梦信仰自由与正确的宗教信仰活动孙晓琼师生为什么不能信仰宗教？穆建聪什么是信仰？48人活世上，不可能没有信仰。人需不需要信仰？需要，因为只有信仰才能推动一个人不停的进步，但这种信仰，不应该是让人丧失理智的传统意义上的宗教。信仰，“信”指“信奉”，“仰”指“尊敬”。信仰就是我们信奉且尊敬的东西。百度：信仰指对某种主张、主义、宗教或对某人、某物的信奉和尊敬，并把它奉为自己的行为准则；信仰带有主观和情感体验色彩，特别体现在宗教信仰上，极致甚至会丧失理智。信仰≠宗教信仰信仰是心灵的主观产物，宗教或政党起了催化剂的作用。没有宗教和政党，人同样可以拥有信仰。什么是信仰？人活世上，不可能没有信仰。信仰，“信”指“信奉”，“仰”指“49马克思主义信仰和宗教信仰的区别恩格斯说：“一切宗教不过是支配着人们日常生活的外部力量在人们头脑中的幻想的反映，在这种反映中，人间的力量采取了超人间的力量形式。宗教信仰是信仰中的一种，指信奉某种特定宗教的人群对其所信仰的神圣对象，由崇拜认同而产生的坚定不移的信念及全身心的皈依。马克思主义是由马克思、恩格斯创立的，并由其后的马克思主义者们集成、发展和创新的一系列理论总结和经验概括的总和，揭示了人类社会发展的基本矛盾和客观规律，其哲学基础是辩证唯物主义和历史唯物主义。马克思主义的最终理想：实现共产主义。马克思主义信仰和宗教信仰的区别恩格斯说：“一切宗教不过是支配501、世界观、认识论不同马克思主义是彻底的唯物主义和无神论的；而神的观念在宗教世界观中占据了核心的位置。马克思主义认为人可以认识和掌握客观规律，并为我所用；而宗教认为世界和人类社会由神创造并主宰，是不可知的。1、世界观、认识论不同512、信仰对象不同马克思主义信仰是现实的信仰宗教信仰是一种虚幻的信仰信仰方式不同任何一种宗教均有固定的宗教活动场所、特殊的宗教经典、特殊的教义、特殊的清规戒律、特殊的信仰方式、特殊的信仰仪式，宗教信仰的仪式性的行为是由宗教规定的。马克思主义信仰比任何信仰都更强调实际行动的意义。

2、信仰对象不同52关于宗教信仰自由1、人的自觉意识是信仰自由的前提信仰自由是指人们对自身信仰有明确的意识，不是强制的、盲目的，而是自觉地去选择适合于社会和自身的信仰。没有人自身信仰意识的成熟，不能使人真正获得信仰的自由。2.宗教信仰兼具个体性与社会性的特征信仰选择是公民的私人事情，但是公民选择了信仰之后的宗教实践，却并非私人的事情。社会主义时期的宗教问题具有“群众性、复杂性和国际性”。宗教信仰的这些特性，实际上已经超越了私人性或个体性，具有了丰富的社会性。不受任何约束的“宗教自由”是不正确和不可能的。离开法律来谈“宗教自由”是违背人民利益和不符合社会主义民主与法制要求的。关于宗教信仰自由1、人的自觉意识是信仰自由的前提533、正确理解宗教信仰自由宗教信仰的“自由”是相对的，不是绝对的。只有在国家法律、法规和政策允许范围内的自由才是合法的，也才是真正自由的。任何社会组织和个人不得将自己的宗教信仰强加于他人。在宗教氛围浓厚的地方，特别要注意保护群众不信仰宗教的自由。3、正确理解宗教信仰自由54结论1、信仰对人生具有重要意义2、宗教信仰是人类信仰的一种形式3、马克思主义信仰是现实的科学的信仰4、不存在绝对的信仰自由5、坚持宗教与教育相分离、宗教不得干涉教育6、师生不能信仰宗教结论1、信仰对人生具有重要意义55第8章-光学非球面零件的超精密加工第8章-光学非球面零件的超精密加工568.1.1光学非球面零件的性能特点非球面光学零件是一种非常重要的光学零件，常用的有抛物面镜、双曲面镜、椭球面镜等。非球面光学零件可以获得球面光学零件无可比拟的良好的成像质量，在光学系统中能够很好的矫正多种像差，改善成像质量，提高系统鉴别能力，它能以一个或几个非球面零件代替多个球面零件，从而简化仪器结构，降低成本并有效的减轻仪器重量。非球面光学零件在军用和民用光电产品上的应用也很广泛，如在摄影镜头和取景器、电视摄像管、变焦镜头、电影放影镜头、卫星红外望远镜、录像机镜头、录像和录音光盘读出头、条形码读出头、光纤通信的光纤接头、医疗仪器等中。8.1概述8.1.1光学非球面零件的性能特点非球面光学零件是一种非常57第8章-光学非球面零件的超精密加工课件58第8章-光学非球面零件的超精密加工课件59第8章-光学非球面零件的超精密加工课件60第8章-光学非球面零件的超精密加工课件61（1）单点金刚石切削（2）弧形金刚石砂轮磨削加工（1）单点金刚石切削（2）弧形金刚石砂轮磨削加工628.2非球面零件超精密加工技术国外非球面零件的超精密加工技术的现状国外许多公司己将超精密车削、磨削、研磨以及抛光加工集成为一体，并且研制出超精密复合加工系统，如RankPneumo公司生产的Nanoform300、Nanoform250、CUPE研制的Nanocentre、日本的AHN60―3D、ULP一100A(H)都具有复合加工功能，这样可以便非球面零件的加工更加灵活。8.2非球面零件超精密加工技术国外非球面零件的超精密加工技63我国非球面零件超精密加工技术的现状我国从80年代初才开始超精密加工技术的研究，比国外整整落后了20年。近年来，该项工作开展较好的单位有北京机床研究所、中国航空精密机械研究所、哈尔滨工业大学、中科院长春光机所应用光学重点实验室等。

为更好的开展对此项超精密加工技术的研究，国防科工委于1995年在中国航空精密机械研究所首先建立了国内第一个从事超精密加工技术研究的重点实验室。

“Nanosys-300”非球面曲面超精密复合加工系统我国非球面零件超精密加工技术的现状我国从80年代初才648.2.1非球面零件超精密切削加工技术美国UnionCarbide1972年R-θ非球面机床摩尔公司1980M―18AG非球面加工机床英国RankPneumo1980年MSG-325,随后ASG2500、ASG2500T、Nanoform300；1990年开发出Nanoform600美国LODTM，(LLNL)实验室于1984年研制

英国Cranfield大学精密工程研究所(CUPE)研制的大型超精密金刚右镜面切削机床日本，ULG―l00A(H)不二越公司的ASP―L15、丰田工机的AHN10、AHN30×25、AHN60―3D非球面加工机床等8.2.1非球面零件超精密切削加工技术美国UnionCa65硬脆材料的塑性域超精密磨削加工实现塑性域超精密磨削加工的条件是：砂轮单个磨粒的最大切削深度小于脆性材料的临界切削厚度。压痕的临界深度：E-弹性模量H-显微硬度K1c－断裂韧性8.2.2非球面零件超精密磨削加工技术硬脆材料的塑性域超精密磨削加工实现塑性域超精密磨削加工的条件66砂轮单个磨粒的最大切削深度：单个磨粒的最大切削深度工件的进给速度砂轮速度砂轮动态有效磨刃数砂轮直径磨削常数微晶玻璃、单晶硅等脆性材料才能进行塑性域的超精密磨削加工砂轮单个磨粒的最大切削深度：单个磨粒的最大切削深度工件的进给67在考虑其他磨削条件下，只有采用平均磨粒尺寸低于20μm（或平均磨粒尺寸的最大值不超过25μm）的金刚石砂轮才能获得塑性域的超精密磨削加工，从而消除表面的裂纹缺陷。在考虑其他磨削条件下，只有采用平均磨粒尺寸低于20μm（或平68第8章-光学非球面零件的超精密加工课件69要实现塑性域的超精密磨削加工，必须保证机床系统精度和工具与工件之间高的动态精度，具体条件为：微细磨粒砂轮的高精密“修整”和“修锐”，以保证砂轮足够锋利；高动态刚度的主轴，主轴的运动误差（径向和轴向）必须小于0.1μm；高动态刚度的导轨，运动误差（线性和回转）必须小于0.1μm；光滑、无噪声、高刚度伺服驱动控制成形切削运动。要实现塑性域的超精密磨削加工，必须保证机床系统精度和工具与工70非球面零件超精磨削设备英国RankPneumoNanoform250超精密加工系统CUPE生产的Nanocentre非球面光学零件加工机床CUPE还为美国柯达公司研究、设计和生产了当今世界上最大的超精密大型CNC光学零件磨床“0AGM2500”日本丰田工机研制的AHN60―3D是一台CNC三维截形磨削和车削机床非球面零件超精磨削设备英国RankPneumoNa718.2.3光学非球面零件的ELID镜面磨削技术InProcessDressing(ELID)的磨削法，实现了对硬脆材料高品位镜面磨削和延性方式的磨削，现在该方法己成功的应用于球面、非球面透镜、模具的超精密加工。①ELID镜面磨削原理ELID磨削系统包括：金属结合剂超微细粒度超硬磨料砂轮、电解修整电源、电解修整电极、电解液(兼作磨削液)、接电电刷和机床设备。磨削过程中，砂轮通过接电电刷与电源的正极相接，安装在机床上的修整电极与电源的负极相接，砂轮和电极之间浇注电解液，这样，电源、砂轮、电极、砂轮和电极之间的电解液形成一个完整的电化学系统。8.2.3光学非球面零件的ELID镜面磨削技术InP72要求砂轮的结合剂有良好的导电性和电解性、结合剂元素的氢氧化物或氧化物不导电，且不溶于水，ELID磨削使用的电源，可以采用电解加工的直流电源或采用各种波形的脉冲电源或直流基量脉冲电源。在ELID磨削过程中，电解液除作为磨削液外，还起着降低磨削区温度和减少摩撩的作用，ELID磨削一般采用水溶性磨削液，全属基结合剂砂轮的机械强度高，通过设定合适的电解量，砂轮磨损小。同时能得到高的形状精度。应用这个原理，能实现从平面到非球面，各种形状的光学元件的超精密镜面磨削。要求砂轮的结合剂有良好的导电性和电解性、结合剂元素的氢73②ELID镜面磨削实验系统在RankPneumo公司的ASG―2500T机床上，装上由砂轮、电源、电极、磨削液等组成大森整ELID系统毛坯粗成形加工时使用400#、半精加工时使用1000#或2000#、作镜面磨削时使用4000#(平均粒径约为4μm)或8000#(平均粒径约为2μm)的铸铁结合剂金刚石砂轮，电解修锐电源(ELID电源)，使用的是直流高频脉冲电压式专用电源，工作电压为60V，电流为lOA。所用的磨削液，使用时要求用纯水将水溶性磨削液AFH―M和CEM稀释50倍。②ELID镜面磨削实验系统74③ELID镜面磨削实验方法和实验结果作非球面加工时，通过安装在工件轴上的碗形砂轮(325#铸铁结合剂金刚石砂轮为φ30×W2mm)进行平砂轮的R成形修整，约10min的电解初期修锐之后，经过400#的粗磨和1000#的半精加工，最后再用4000#进行ELID镜面磨削，在超精密非球面加工机床上，借助ELID磨削技术，成功地加工出了光学玻璃BK―7非球面透镜。面型精度达到优于o．2μm，表面粗糙度达Ra20nm，而对于稍软如LASFN30和Ge等材料的非球面加工，同样能达到面形精度优于O．2～O．3μm，表面粗糙度达Ra30nm的良好镜面。③ELID镜面磨削实验方法和实验结果758.2.4非球面零件的超精密抛光(研磨)技术①非球面零件超精密机械抛光技术日本CANON公司研制出光学非球面元件超光滑抛光装置，交替反复地对工件形状进行测量和进行修正抛光，达到工件的设计精度要求。采用的修正抛光法一边改变抛光头在工件表面上的滞留时间，一边进行扫描的修整抛光法。抛光头必须能够实现在任意方向上对工件表面进行加工，因而定位机构需要有六个自由度，即工作台的X、Z、θ和3个直线机构构成的摆动臂运动。用计算机实时计算控制滞留时间和扫描速度，同时控制抛光头的位置。8.2.4非球面零件的超精密抛光(研磨)技术①非球面零件76②光学非球面曲面的EEM(ElasticEmissionMachining)以弹性流体润滑流态使均匀悬浮于水中的微粒子加速作用于被加工表面，借粒子与加工表面之间的相互作用，来进行原子级加工余量的去除。日本大阪大学工学部森勇芷教授等人利用EEM开发了一种三轴(x、z、C)数控光学表面范成装置，利用该装置加工时，一边在工件表面上控制聚胺脂球的滞留时间，一边用聚胺脂球扫描加工对象的物全领域，利用该装置能加工高精度的任意曲面。

②光学非球面曲面的EEM(ElasticEmission77③非球面零件的等离子体CVM（ChemicalVaporizationMachining）等离子CVM法，这是一种利用原子化学反应，获得超精密表面的一种技术，其加工原理和等离子体刻蚀一样，在等离子体中，被激活的游离基和工件表面原子起反应，将之变成挥发性分子，并通过气体蒸发实现加工的，在高压力下所产生的等离子体，能够生成密度非常高的游离基，所以这种加工方法能达到与机械加工方法相当的加工速度。在高压力下，由于气体分子的平均自由行程极小，等离子体局限在电极附近。所以可以通过电极扫描，加工出O．01μm精度的任意形状的零件，另外可以以50μm／min的速度加工单晶硅平面，加工工件的表面粗糙度可达0.1nm。

③非球面零件的等离子体CVM（ChemicalVapor788.2.5非球面零件复制技术

复制技术，即塑料注射成形和玻璃的模压成形技术，这种技术能够制造一部分非球面透镜。

塑料透镜注射成形是将熔化的树脂注入模具内，一边施加压力，一边冷却固化的加工方法，这种方法能够进行廉价、大批量生产，但存在塑料自身的某些问题，如温度变化、吸湿导致透镜折射率的变化。

玻璃的模压成形是代替切削、磨削、研磨加工透镜、棱镜的最佳的小型零件大批量生产方法。

模压成形技术是将模具内的温度控制在冲压的玻璃转移温度以上，软化温度以下，在模具内，进入有流动性的玻璃，加压成形，并且保持这种状态20s以上，直到成形了的玻璃温度分布均匀化。将模具的形状精度做到0．1μm，表面粗糙度做到0．01μm以下，在上述条件下加压成形，能加工出和模具精度相近的零件。8.2.5非球面零件复制技术复制技术，即塑料注射成形798.3光学非球面零件的检测技术8.3.1光学非球面零件的形状精度

8.3光学非球面零件的检测技术8.3.1光学非球面零件的808.3.2非球面的非接触测试仪

①非接触光干涉三维形状测试仪

采用白色光源在半反射镜上分叉到测试表面和参照镜，再反射回来结合于半反射镜，当光路差相等时发生干涉。白色光的干涉性较小，能够在很小的范围内产生干涉条纹，因此，通过采集的光的干涉强度驱动干涉计的垂直光轴方向，使之能够调节到干涉条纹的零位置。利用此原理，垂直移动参照镜观察测试面上的CCD各点的干涉条纹，确定其等光路位置，然后在水平方向的测试面上进行一定速度的扫描，最终检测出非球面的高度数据。8.3.2非球面的非接触测试仪①非接触光干涉三维形状测81②非接触激光三维形状测试仪激光通过显微镜镜筒，从物镜的一端开始向光轴中心聚焦，再由工件反射后经物镜返回，在聚焦AF感应器聚焦成像。然后，通过移动物镜，使激光点最小且达到光轴心确定垂直方向的位置。此时，将聚焦点的XYZ坐标以线性形式输入到计算机中，获取非球面表面的三维形状数据。测试精度直接取决于工作台面向工件聚焦的移动精度。②非接触激光三维形状测试仪激光通过显微镜镜筒，从物镜的一端开82③原子力探针测试仪利用探针与物体的原子间范德瓦尔斯吸引力和静电力的作用接近测试表面，从而确定非球面表面的三维形状。③原子力探针测试仪利用探针与物体的原子间范德瓦尔斯吸引力和静838.4大型非球面镜的研抛加工8.4.1计算机控制光学表面成形技术计算机控制光学表面成形技术CCOS（ComputerControlledOpticalSurfacing）,又称计算机控制小工具抛光技术，在大口径、高精度非球面的加工中地位重要。①CCOS的形成原理

以下列二次回转曲面加工为例8.4大型非球面镜的研抛加工8.4.1计算机控制光学表面84最接近球面的曲率半径和非球面表面各点的非球面度t非球面与最接近球面的最大偏离量实际加工中，首先用研磨的方法得到最接近球面，然后根据最大偏离量确定在哪个工序将这个最接近球面修改成需要的非球面；最接近球面的曲率半径和非球面表面各点的非球面度t非球面与最接85

如果最大偏离量只有几微米，可以在最接近球面抛光结束后进行修抛；最大偏离量在几十到几百微米时，可在细磨时进行；最大偏离量达到几毫米，需要在粗磨成形时就完成修改。计算机控制小工具抛光技术是采用比被加工光学元件尺寸小很多的柔性抛光工具，根据干涉仪等光学表面面形检测仪器测得的面形数据，选择合适的抛光参数在计算机控制下按照一定的路径加工工件表面，使其面形逐步收敛。实质目的是把高级光学加工者的加工技巧数字化、定量化，由计算机驱动机床运动系统，从而控制抛光模对光学工件表面进行加工。

86②CCOS的设计思路一个反复迭代的闭环控制过程面形检测与预期面形比较选择抛光参数计算驻留时间函数和运动路径预算残余误差形成机床控制文件数控抛光一个周期光学镜面的任意一点的材料去除量②CCOS的设计思路一个反复迭代的闭环控制过程面形检测与预期87首先，由高精度光学面形测量仪测量光学元件的面形误差，取得目前光学表面的面形数据；将面形数据与预期的面形比较，得到本加工周期所需要达到的材料去除分布函数Δz；选择抛光函数，根据预期的材料去除量Δz计算驻留时间函数和最优化的加工路径并通过计算机模拟最终抛光结果，如果模拟结果不符合要求，则需要重新选择抛光参数，再一次进行计算机模拟；重复，直到模拟的抛光结果符合要求时，将抛光模运动参数转化成机床控制文件，并传送到机床数控系统；机床数控系统读入并执行控制文件，驱动机床各运动机构按照一定参数运行，实现本周期内抛光模对工件表面的加工；这一个加工周期完成后，再次用面形检测仪实时检测工件面形，为下一个加工周期提供面形数据；如此周而复始，反复迭代，直到得到符合要求的光学表面。首先，由高精度光学面形测量仪测量光学元件的面形误差，取得目88第8章-光学非球面零件的超精密加工课件89应力盘是采用大尺寸刚性盘作为基盘，在周边可变应力的作用下，盘的面形可以实时地变成所需要的面形。在抛光过程中，安装于应力盘上的驱动器根据计算机发出的变形盘相对镜面位置和方向指令，改变边缘力拒的大小，使应力盘始终与光学非球面镜表面匹配。8.4.2应力盘抛光技术①概述应力盘是采用大尺寸刚性盘作为基盘，在周边可变应力90②应力盘工作的基本原理②应力盘工作的基本原理91③应力盘抛光机床

无论应力盘系统本身有多么复杂，对于机床来说，它始终是一个在工件表面移动的“刀具”。机床控制系统必须为这个特殊的“刀具”提供可以移动到光学镜镜面上的任意位置的运动。机床采用数控系统，自动控制应力盘抛光模在工件表面上按照已有的加工程序进行抛光。机床各传动机构的设计应该尽可能减小机械摩擦、消除空回间隙和爬行；在每个运动方向设置限位开光，可以在发生电器故障或操作失误时自动关闭系统以防止损坏机床和工件。③应力盘抛光机床无论应力盘系统本身有多么复杂，对于92④采用应力盘的大镜加工工艺与面形检测小型金刚石砂轮数控铣磨表面成形机械探针法测量加工精度为5μmrms。计算机控制应力盘加散粒磨料精磨激光干涉仪加工精度在0.5μmrms。计算机控制应力盘抛光激光干涉仪加工精度达0.05～0.02μmrms。④采用应力盘的大镜加工工艺与面形检测小型金刚石砂轮数控铣磨表938.4.3离子束成形技术

离子束成形技术是对模具研、抛技术的重大突破，是利用离子束直接轰击工件表面的惯量转换的方法、在原子量级上的溅射材料去除。①离子束成形系统真空系统：由两级机械泵和冷凝泵组成离子源位移系统：由5轴联动数控系统控制离子源系统：宽束准直氩离子源8.4.3离子束成形技术离子束成形技术是对模具研94②工艺建模与去除函数建模条件材料的去除是线性的并正比于驻留时间在整个表面各处的溅射材料去除速率一致离子束去除函数对时间恒定离子束去除函数对位置不敏感3个基本量输入离子束去除函数期望的去除分布函数离子束扫描路径输出驻留时间分布函数②工艺建模与去除函数建模条件958.5超精密非球曲面加工机床实例8.5.1大型非球面加工机床的设计①大型非球面零件加工精度要求分析加工尺寸及精度要求尺寸要求：非球面零件口径要求在300～1000mm甚至更大精度要求：面形精度优于1/40λrms，表面粗糙度<2nm加工工艺分析粗磨（铣磨成形）——精密研磨抛光8.5超精密非球曲面加工机床实例8.5.1大型非球面加工96②机床总体设计非球面加工机床的性能要求②机床总体设计非球面加工机床的性能要求97机床设计原则精度先行和精度优先结构上尽可能提高刚度机床总体方案机床设计原则98机床关键零部件的设计床身：天然花岗岩导轨及驱动装置：精密级直线滚动导轨、滚珠丝杠副、膜片式柔性联轴器位置反馈装置：贴片式光栅测量装置