1 引 言
口径在φ200 mm以下的非球面元件的制作工艺技术是中小非球面元件低成本大批量生产的关键技术,是影响非球面广泛应用的主要技术瓶颈。国际上像美国的Rochester大学和德国LOH公司等,都利用计算机自动控制技术,已经能够实现非球面元件的快速精密铣磨成型,并使其面形精度优于±1μm(PV)。但如何对多样化的非球面元件进行快速的抛光和质量评价,是国内外学者面临的巨大难题。
近几年来,由计算机控制小磨头方法、MRF和ELID抛光技术等,在实现非球面的抛光技术方面都取得了重大突破,并努力使其走向商用化。长春光机所在大口径非球面和离轴非球面的数控加工技术方面积累了许多经验,目前正着力于中小口径非球面元件的生产工艺的研究,并把精密铣磨成型、轮廓检验和快速抛光工艺系统结合起来,探讨利于中小非球面元件低耗快速的生产工艺技术,推动非球面的广泛应用。
2 工艺理论分析
中小口径的非球面的生产工艺,主要可分为三个大的阶段:精密铣磨成型、精密抛光和中间过程的定量数据检测。完成上述功用,可有多种设备选择和由多种工艺方法及生产流程来实现产品的加工。但如何利用简易的工艺路线,并与之配套的加工检测设备,满足中小口径非球面元件的低耗高效快速的生产过程,这是本文探讨的主要内容。
2·1 非球面检测方法分析
由于非球面元件的曲率半径随着空间坐标的变化而各不相同,因而不能采用传统的球面或平面元件的检验和加工方法,加之非球面应用的多样性,给元件的质量评价造成许多困难,增加了产品的生产成本。
非球面的面形比较实用的检验方法一般有:一是基于干涉计量的零位补偿检验和非零位直接检验。设备基础为数字波面干涉仪、标准具或补偿器,并且检具与被检元件是一一对应的,成本高。此方法实用于较大批量元件和特殊元件(大口径非球面)制造过程的检验。二是直接测量、轮廓测量和斜率测量以及其它检验方法等。无论那一种方法都必需具备专用的设备,并受到设备自身测量范围的约束。
2·2 加工方法分析
提高中小口径非球面的生产进程,降低成本,必须具备确定性的工艺技术,即确定性的铣磨成型,定量的数据检测和确定性的精密抛光。工作过程由计算机控制的机构自动完成。下面是几种成熟加工方法的分析。
2·2·1 小工具数控抛光
它是根据定量的面形检测数据,加工过程中在控制模型的基础上,用计算机控制一个小磨头在元件表面的驻留时间及在一定的压力下磨头与工件间的相对速度来控制材料的去除量,实现对光学表面进行研磨和抛光。此方法适用于中大口径非球面的加工。对于φ200 mm以下的非球面来说,随着元件的口径的变小,工具与元件口径比例关系失调,将无法得到稳定的工作速度、加工力和吻合性,不再有好的加工能力。
2·2·2 磁流变抛光技术(MRF)
它是利用磁流变抛光液在磁场中的流变性实现抛光,在高强度的梯度磁场中,磁流液变硬,形成具有粘稠性的Bingham介质,并形成缎带凸起,再通过计算机控制抛光轨迹和驻留时间,实现对面形误差的修正。突出的优点是抛光部分没有磨损,抛光特性稳定,实用于复杂形状表面的加工,但不能加工较小半径的凸曲面和凹曲面。
2·2·3 离子束抛光
离子束抛光是在真空状态下,当采用被充电的高能原子或离子束去撞击工件表面时,在撞击点上的材料以原子量级实现去除。优点能在原子量级上实现材料的确定性超精密加工,对振动温度以及装卡稳定性不敏感,被加工元件没有塌边翘边的边缘效应,是未来加工最理想的设备,但价格昂贵,难以涉足。
3 实验研究
经上述非球面检测和加工方法分析,对中小口径非球面元件的生产工艺采用元件表面定量的轮廓检验数据,指导元件的确定性精密铣磨成型和精密抛光这样一种生产流程,并使之与工艺技术贯通。
3·1 非球面轮廓检验研究
自行设计的小型非球面轮廓仪采用的是直角坐标测量系统,其原理示意图如图1所示。
系统采用的是两维计算机全闭环控制和一维具有调节功能的测量单元组成。仪器材料全部采用泰山青花岗石的空气导轨结构。软件包是基于Windows98平台,并应用Visual C++自行开发的,它将运动控制、数据采集、数据处理和误差分离等各种模块集成一体,具有人机交流、操作简单等优点。测量范围(X, Y,Z)为150 mm×150 mm×20 mm,轮廓质量评价精度优于λ/2,能够满足中低精度非球面元件的检验。
3·2 非球面抛光工艺的研究
自行设计的非球面抛光机原理示意图如图2所示。
抛光机是由计算机控制的五轴数控系统,即二维X、Y轴移动、工件转动、抛光轴转动和抛光轴单元摆动五个自由度构成,能够完成φ200 mm口径以下非球面元件的确定性快速抛光,系统基于Windows98平台和应用Visual C++软自行开发的应用程序,能有效地将轮廓仪的定量测试的非球面轮廓或面形误差分布准确地生成数据控制文件,用于指导抛光。抛光头采用了有机复合材料,具有良好的弹性和耐磨特性,能快速地的实现元件表面误差的修正。
4 结 论
中小口径非球面元件的加工技术是目前光学工作者所面临的巨大难题。高效率批量化是传统手工操作所无法满足的,而市场需求的巨大推动力,将为这一技术的发展带来前所未有的活力。本文仅以非球面元件的检验和抛光设备研究为基础,对非球面的铣磨成型、轮廓检验到抛光的整个工艺过程进行了实验探索性研究,旨在探讨能够实现非球面元件加工的最有效的工艺技术路线,达到实现中小口径非球面的快速加工的目的。
致谢:本论文的研究内容曾得到余景池研究员的精心指导,并且在计算机模拟曲面快速抛光技术的研究的课题进行中曾获苏州大学现代光学技术研究所的开放基金资助。至此一并表示衷心感谢。
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作者简介:张忠玉(1964-),男,吉林省集安市人,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所副研究员,主要从事光学超精密加工和检测方面的研究。
