離軸薄壁非球面光學(xué)零件的超精密加工裝置及其加工方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種離軸薄壁非球面光學(xué)零件的超精密加工裝置及其加工方法，步驟1、光學(xué)零件設(shè)置在楔角工裝內(nèi)，光學(xué)零件的底平面與楔角工裝的凹槽頂面相互貼合，并使得光學(xué)零件非球面墊平；步驟2、在光學(xué)零件的通孔處墊入墊片；步驟3、在光學(xué)零件外圓壁與楔角工裝頂面之間安裝墊圈；步驟4、銑磨機同步銑磨光學(xué)零件、墊片和墊圈，銑磨出該光學(xué)零件的非球面；步驟5、拋光機對光學(xué)零件的非球面、墊片及外圓處的墊圈進行拋光。本發(fā)明巧妙的利用楔角工裝、墊片及墊圈，精準(zhǔn)地加工出離軸薄壁非球面光學(xué)零件，解決了離軸薄壁非球面光學(xué)零件難加工的問題。
【專利說明】 離軸薄壁非球面光學(xué)零件的超精密加工裝置及其加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)零件的加工裝置及其加工方法，特別涉及一種離軸薄壁非球面光學(xué)零件的超精密加工裝置及其加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]如圖1、2所示為離軸薄壁非球面光學(xué)零件的結(jié)構(gòu)示意圖，該光學(xué)零件I的光學(xué)面為非球面11，非球面對稱光軸與幾何中心軸的夾角為非球面的楔角α，且在中心部位設(shè)有通孔12，加工出光學(xué)零件成品的楔角α的精度在±1'以內(nèi)，中心部位通孔的厚度控制在
+ 0.0lmnin
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中加工非球面加工技術(shù)包括:光學(xué)玻璃模壓技術(shù)、單點金剛石車削技術(shù)、古典法修帶技術(shù)、磁流變拋光技術(shù)、離子束拋光技術(shù)以及計算機控制光學(xué)表面成型技術(shù)。
[0004]1、光學(xué)玻璃模壓成型技術(shù)
美國柯達公司在20世紀(jì)70年代研究成功玻璃的精密模壓成型技術(shù)，一次就完成光學(xué)球面或非球面的零件成型，不需要研磨拋光的加工。光學(xué)玻璃模壓成型技術(shù)，是利用了玻璃從熔融態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)化的過程是連續(xù)可逆的熱加工性質(zhì)，在玻璃的轉(zhuǎn)變溫度Tg附近，在無氧條件下，對玻璃和模具進行加溫加壓，一次性將光學(xué)玻璃模壓成達到使用要求的光學(xué)零件。由于光學(xué)玻璃模壓成型法摒棄了傳統(tǒng)的粗磨、精磨、拋光以及定心磨邊等工序，直接一次成型，大大節(jié)省了材輔料、時間、設(shè)備及人力，且能模壓出不同形狀，尤其是在非球面光學(xué)玻璃零件制造方面，有著廣闊的應(yīng)用前景。光學(xué)玻璃模壓成型技術(shù)，是一項綜合技術(shù)，需考慮玻璃材料、模具材料、模壓設(shè)備及模壓的工藝參數(shù)。該技術(shù)主要適用于小型非球面制造，目前最大模壓尺寸在50mm以內(nèi)，而且不能模壓離軸非球面光學(xué)零件。
[0005]2、單點金剛石車削技術(shù)
計算機數(shù)控單點金剛石車削技術(shù)，是由美國國防科研機構(gòu)于60年代率先開發(fā)、80年代得以推廣應(yīng)用的非球面光學(xué)零件加工技術(shù)。它是在超精密數(shù)控車床上，采用天然單晶金剛石刀具，在對機床和加工環(huán)境進行精確控制條件下，直接利用金剛石刀具單點車削加工出符合光學(xué)質(zhì)量要求的非球面光學(xué)零件。目前，采用金剛石車削技術(shù)可以加工的材料:有色金屬、鍺、塑料、紅外光學(xué)晶體，但是不能車削玻璃。
[0006]3、古典法修帶技術(shù)
古典法修帶技術(shù)是傳統(tǒng)的非球面光學(xué)零件材料去除式加工方法。這種方法，是先把零件研磨成最接近球面形狀，然后用機器或手工繼續(xù)局部研磨或拋光，邊加工邊測量，直至修磨出符合要求的非球面面形。由于主要依靠手工，所以這種方法只適用于大口徑且非球面度較小的非球面。按此方法加工出的非球面，可達到很高的精度，但效率低，且精度重復(fù)性差，只適用于單件或小批量生產(chǎn)，古典法修帶技術(shù)適合于回轉(zhuǎn)對稱的非球面的加工，不能用來加工離軸非球面。
[0007]4、磁流變拋光技術(shù)
磁流變拋光技術(shù)(MRF)，是美國Rochester大學(xué)提出的一種新型的光學(xué)零件加工方法，其將電磁學(xué)流體動力學(xué)理論、分析化學(xué)有機結(jié)合起來。磁流變拋光液在高強度的梯度磁場中會變硬，而成為具有粘塑性的Bingham介質(zhì),形成類似鍛帶的凸起。當(dāng)這種介質(zhì)流經(jīng)工件與運動盤形成的很小空隙時，工件表面材料會被工件表面與其接觸的區(qū)域產(chǎn)生的剪切力去除。由于磁流變拋光能夠獲得品質(zhì)很高的光學(xué)表面，與CCOS相結(jié)合，可實現(xiàn)計算機控制，從而得到較復(fù)雜的面形，且去除效率高，不會存在刀具磨損、堵塞現(xiàn)象。因其獨特的剪切去除機理在保證較高去除效率的同時不引入亞表面損傷，可以高效消除磨削產(chǎn)生的亞表面損傷層，實現(xiàn)近零亞表面損傷和納米級精度拋光。缺點是有磁介質(zhì)不能使用，且磁流變液特性隨材料變化，拋光去除函數(shù)必須隨時標(biāo)定，同時受到磁盤尺寸的限制，對于一些高陡度的非球面光學(xué)零件無法加工。
[0008]5、離子束拋光
離子束拋光是1965年美國亞利桑那大學(xué)的工作人員發(fā)現(xiàn)并研制成功的。目前，美國離子光學(xué)公司、法蘭克福兵工廠早已研制成功離子束拋光設(shè)備，并應(yīng)用于生產(chǎn)。此外，日本、英國、法國等國也已開發(fā)和研究了這一新技術(shù)。離子束拋光的原理，是將惰性氣體(如氬、氪、氙等)原子在低真空中電離為離子，再加速撞擊到放在高真空度的真空室內(nèi)的工件表面上，以原子量級將其表面材料予以去除。離子束加工玻璃的主要特點，是加工工具精度非常好，表面不產(chǎn)生正壓力，加工量的控制極其精確穩(wěn)定。被加速的離子與工件材料的原子核直接產(chǎn)生彈性碰撞，使其逸出表面，可以輕易實現(xiàn)原子量級的材料去除，加工精度可達入/100，且不受被加工零件表面和材料的限制。該項技術(shù)的缺點是成本昂貴，操作復(fù)雜，工作時有振動，且拋光速度緩慢。
[0009]6、計算機控制光學(xué)表面成型技術(shù)
計算機控制光學(xué)表面(CCOS)加工技術(shù)是20世紀(jì)70年代初，美國Itek公司率先提出的一種新光學(xué)表面加工的技術(shù)構(gòu)想，它是通過計算機控制一個小型工具，將控制軟件、機床設(shè)備和檢測方法有機結(jié)合起來，進行光學(xué)表面加工。隨后美、法、德、俄的科研中心都在此領(lǐng)域開展了深入的研究。如美國的亞利桑那大學(xué)光學(xué)科學(xué)中心、法國空間光學(xué)制造中心、德國蔡司公司、俄羅斯瓦維洛夫國家光學(xué)研究所等。隨著計算機技術(shù)和精密計量技術(shù)的飛速發(fā)展，CCOS加工技術(shù)從計算速度到加工精度等，都得到了進一步的提高與完善。CCOS加工技術(shù)的基本原理是用計算機來控制一個比被加工零件尺寸小得多的拋光模，以一定的路線、速度和壓力拋光工件表面。通過改變?nèi)魏我粋€區(qū)域的拋光時間，可以精確地獲得要求的材料去除量。由于拋光的去除量不大，所以工件要先用通常的方法研磨、拋光成接近的比較球面。計算機控制拋光，僅僅是拋去球面和要求的非球面在各點處所存在的偏離量。在加工中，使用迭代的方式，使表面誤差逐步收斂。
[0010]上述加工技術(shù)均無法滿足該離軸薄壁非球面光學(xué)零件的精度要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的是提供一種離軸薄壁非球面光學(xué)零件的超精密加工裝置及其加工方法，巧妙的利用楔角工裝、墊片及墊圈，精準(zhǔn)地加工出離軸薄壁非球面光學(xué)零件，解決了離軸薄壁非球面光學(xué)零件難加工的問題。
[0012]為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種離軸薄壁非球面光學(xué)零件的超精密加工裝置，用來加工離軸薄壁非球面光學(xué)零件，該光學(xué)零件的光學(xué)面為非球面，非球面對稱光軸與幾何中心軸的夾角為非球面的楔角，且在中心部位設(shè)有通孔，其特點是，包含:
楔角工裝，其頂面設(shè)有凹槽，所述的光學(xué)零件設(shè)置在凹槽內(nèi)；
墊片，其填充在所述光學(xué)零件的通孔內(nèi)；
墊圈，其安裝在光學(xué)零件外圓壁與楔角工裝頂面之間；
所述凹槽頂面的楔角由光學(xué)零件非球面的楔角和零件口徑計算所得將光學(xué)零件的非球面墊平，使得非球面對稱光軸與幾何中心軸相重合。
[0013]一種利用上述的離軸薄壁非球面光學(xué)零件的超精密加工裝置的加工方法，其特點是，該方法包含如下步驟:
步驟1、光學(xué)零件設(shè)置在楔角工裝內(nèi)，光學(xué)零件的底平面與楔角工裝的凹槽頂面相互貼合，并使得光學(xué)零件的非球面墊平；
步驟2、在光學(xué)零件的通孔處墊入墊片；
步驟3、在光學(xué)零件外圓壁與楔角工裝頂面之間安裝墊圈；
步驟4、銑磨機同步銑磨光學(xué)零件、墊片和墊圈，銑磨出該光學(xué)零件的非球面；
步驟5、拋光機對光學(xué)零件的非球面、墊片及外圓處的墊圈進行拋光。
[0014]所述的步驟I包含如下子步驟:
步驟1.1、將光學(xué)零件的底平面作為基準(zhǔn)面，清洗干凈基準(zhǔn)面；
步驟1.2、在凹槽內(nèi)側(cè)面點上均勻的膠，并將光學(xué)零件底面與凹槽頂面相互貼合，墊平光學(xué)零件非球面，使得非球面的對稱光軸與幾何中心軸相重合。
[0015]所述凹槽頂面的楔角精度高于光學(xué)零件所需加工出的楔角精度。
[0016]所述凹槽頂面的楔角精度2倍于光學(xué)零件所需加工出的楔角精度。
[0017]所述的步驟4包含如下子步驟:
步驟4.1、銑磨機將光學(xué)零件、位于光學(xué)零件內(nèi)的墊片、光學(xué)零件外圓處的墊圈同步銑磨，并將光學(xué)零件、墊片、墊圈同步初銑磨出球面；
步驟4.2、銑磨機銑磨出光學(xué)零件的非球面及墊片、墊圈的非球面。
[0018]所述的步驟5包含如下子步驟:
步驟5.1、拋光機對光學(xué)零件的非球面、墊片和墊圈進行拋光，通過測量墊片的厚度，控制中心部位通孔的厚度；
步驟5.2、拋光機對光學(xué)零件進行拋光，將拋光中產(chǎn)生的外圓塌邊呈現(xiàn)在外圓墊圈上，保證了拋光后的面型精度。
[0019]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點:
1、通過設(shè)計超精密的楔角工裝，將光學(xué)零件非球面墊平，使得非球面對稱光軸與幾何中心軸相重合，只需加工出對稱的非球面，從而巧妙得到離軸的非球面，提高了楔角精度。
[0020]2、墊片墊入在通孔內(nèi)，并與光學(xué)零件同步加工，用高度尺可以測量墊片的厚度，通過控制墊片的厚度可以將離軸薄壁非球面光學(xué)零件的中心通孔厚度控制在±0.01mm以內(nèi)。
[0021]3、將墊圈上盤在離軸薄壁非球面光學(xué)零件的外圓，隨著離軸薄壁非球面光學(xué)零件一起拋光，將拋光中產(chǎn)生的外圓塌邊呈現(xiàn)在外圓墊圈上，很好的保證了拋光后的面型精度。?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0022]圖1為離軸薄壁非球面光學(xué)零件的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為離軸薄壁非球面光學(xué)零件的楔角的I處局部放大圖 圖3為本發(fā)明離軸薄壁非球面光學(xué)零件的超精密加工裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為本發(fā)明的楔角工裝的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為本發(fā)明楔角工裝II處的局部放大圖；
圖6為本發(fā)明銑磨時的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖7為本發(fā)明拋光時的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0023]以下結(jié)合附圖，通過詳細說明一個較佳的具體實施例，對本發(fā)明做進一步闡述。
[0024]如圖1、2所示，一種離軸薄壁非球面光學(xué)零件，該光學(xué)零件I的光學(xué)面為非球面11，非球面對稱光軸與幾何中心軸的夾角為非球面的楔角a，且在中心部位設(shè)有通孔12。
[0025]如圖3、4所示，一種離軸薄壁非球面光學(xué)零件的超精密加工裝置，用來加工離軸薄壁非球面光學(xué)零件，包含:楔角工裝2，其頂面設(shè)有凹槽21，所述的光學(xué)零件I安裝在凹槽21內(nèi)；墊片3，其墊入在所述光學(xué)零件I的通孔12內(nèi)；墊圈4，其安裝在光學(xué)零件外圓壁與楔角工裝頂面之間；所述凹槽頂面的楔角P由光學(xué)零件非球面的楔角a和光學(xué)零件口徑計算所得(參見圖5)，將光學(xué)零件非球面墊平，使得非球面11的對稱光軸與幾何中心軸相重合。
[0026]一種利用上述的離軸薄壁非球面光學(xué)零件的超精密加工裝置的加工方法，該方法包含如下步驟:
步驟1、光學(xué)零件I安裝在楔角工裝2內(nèi)，光學(xué)零件I的底平面與楔角工裝2的凹槽頂面相互貼合，并使得光學(xué)零件的非球面11墊平，凹槽頂面的楔角精度高于光學(xué)零件所需加工出的楔角精度，凹槽頂面的楔角精度2倍于光學(xué)零件所需加工出的楔角精度，本實施例中，光學(xué)零件所要求的楔角精度為±1’，而采用的楔角工裝的楔角精度為30"；
步驟1.1、將光學(xué)零件I的底平面作為基準(zhǔn)面，清洗干凈基準(zhǔn)面；
步驟1.2、在凹槽21內(nèi)側(cè)面點上均勻的膠，保證光學(xué)零件I的基準(zhǔn)面不進膠，并將光學(xué)零件底平面與凹槽頂面相互貼合，墊平光學(xué)零件的非球面11，使得非球面11的對稱光軸與幾何中心線相重合。
[0027]步驟2、在光學(xué)零件I的通孔12處墊入墊片3 ；
步驟3、在光學(xué)零件外圓壁與楔角工裝頂面之間安裝墊圈4 ；
步驟4、采用型號為LOH SPM50-1SL的銑磨機同步銑磨光學(xué)零件1、墊片3和墊圈4，銑磨出該光學(xué)零件的非球面11 ;
步驟4.1、銑磨機將在光學(xué)零件1、及位于光學(xué)零件內(nèi)的墊片3、光學(xué)零件I外圓處的墊圈4同步銑磨，并將光學(xué)零件1、墊片3和墊圈4同步初銑磨出非球面11的最接近球面；步驟4.2、在銑磨機的數(shù)控界面上輸入一系列非球面的參數(shù)，調(diào)整好砂輪轉(zhuǎn)速、進給速度、徑向進給量等一系列機床參數(shù)，通過砂輪5銑磨出光學(xué)零件I的非球面11，用泰勒霍普森測量儀測量非球面11的面形，制作修整面形數(shù)據(jù)檔，并反饋給銑磨機銑磨，通過不斷銑磨、測量、反饋，控制好零件帶工裝的中心厚度，最終將光學(xué)零件面形精度Rt控制在Rt〈2um(參見圖6)。
[0028]步驟5采用型號為LOH SPS140的拋光機對光學(xué)零件I的非球面11、墊片3及外圓處的墊圈4進行拋光；
步驟5.1、在拋光機上輸入非球面參數(shù)，安裝好拋光墊6，設(shè)置拋光墊參數(shù)、拋光轉(zhuǎn)速、拋光壓力、拋光的去除因子等工藝參數(shù)，拋光非球面，用泰勒霍普森測量儀測量非球面的面形，制作修整面形數(shù)據(jù)檔，并反饋給拋光機拋光，通過不斷拋光、測量、反饋，控制好零件帶工裝中心厚度，同時將拋光中產(chǎn)生的外圓塌邊呈現(xiàn)在外圓墊圈上，很好的保證了拋光后的面型精度，終將離軸薄壁非球面光學(xué)零件的面形精度Rt控制在Rt〈0.5um，用高度尺可以測量墊片3的厚度，通過控制墊片3的厚度將離軸薄壁非球面光學(xué)零件的中心厚度控制在±0.01mm以內(nèi)(參見圖7)；
步驟5.2、拋光機對光學(xué)零件進行拋光，將拋光中產(chǎn)生的外圓塌邊呈現(xiàn)在外圓墊圈上，保證了拋光后的面型精度。
[0029]離軸薄壁非球面光學(xué)零件材料以K9玻璃為主，最終表面粗糙度Ra要求控制在Ra〈6nm，而表面粗糙度的控制是一個綜合型的技術(shù)，需要開展以下幾方面的研究。通過工藝試驗找出拋光時間、拋光轉(zhuǎn)速、拋光壓力、拋光液PH值等拋光參數(shù)對K9玻璃高速拋光表面粗糙度的影響，選擇最適合離軸薄壁非球面光學(xué)零件高速拋光的工藝參數(shù)。
[0030]拋光時間
在拋光工藝中，時間參數(shù)決定實際拋光效率。對于光學(xué)玻璃表面的拋光加工，旨在去除銑磨過程中產(chǎn)生的損傷和加工變質(zhì)層，以減小表面粗糙度，獲得表面質(zhì)量較高的工件。實驗只考慮拋光時間對K9玻璃 表 面粗糙度的影響，分別取5塊K9玻璃，拋光10 min，20 min，30min, 45 min和60min,試驗結(jié)果如表1所示。
[0031]
【權(quán)利要求】
1.一種離軸薄壁非球面光學(xué)零件的超精密加工裝置，用來加工離軸薄壁非球面光學(xué)零件，該光學(xué)零件(I)的光學(xué)面為非球面(11)，非球面對稱光軸與幾何中心軸的夾角為非球面的楔角(a )，且在中心部位設(shè)有通孔(12)，其特征在于，包含: 楔角工裝(2)，其頂面設(shè)有凹槽(21)，所述的光學(xué)零件(I)設(shè)置在凹槽(21)內(nèi)； 墊片(3)，其填充在所述光學(xué)零件(I)的通孔(12)內(nèi)； 墊圈(4)，其安裝在光學(xué)零件外圓壁與楔角工裝頂面之間； 所述凹槽頂面的楔角(P )由光學(xué)零件非球面的楔角(a )和零件口徑計算所得將光學(xué)零件的非球面(11)墊平，使得非球面對稱光軸與幾何中心軸相重合。
2.一種利用如權(quán)利要求1所述的離軸薄壁非球面光學(xué)零件的超精密加工裝置的加工方法，其特征在于，該方法包含如下步驟: 步驟1、光學(xué)零件(I)設(shè)置在楔角工裝(2)內(nèi)，光學(xué)零件(I)的底平面與楔角工裝的凹槽頂面相互貼合，并使得光學(xué)零件的非球面(11)墊平； 步驟2、在光學(xué)零件的通孔(12)處墊入墊片(3)； 步驟3、在光學(xué)零件外圓壁與楔角工裝頂面之間安裝墊圈(4)； 步驟4、銑磨機同步銑磨光學(xué)零件(I)、墊片(3)和墊圈(4)，銑磨出該光學(xué)零件的非球面(11); 步驟5、拋光機對光學(xué)零件(I)的非球面(11)、墊片(3)及外圓處的墊圈(4)進行拋光。
3.如權(quán)利要求2所述的離軸薄壁非球面光學(xué)零件的超精密加工裝置的加工方法，其特征在于，所述的步驟I包含如下子步驟: 步驟1.1、將光學(xué)零件(I)的底平面作為基準(zhǔn)面，清洗干凈基準(zhǔn)面； 步驟1.2、在凹槽(21)內(nèi)側(cè)面點上均勻的膠，并將光學(xué)零件底面與凹槽頂面相互貼合，墊平光學(xué)零件非球面，使得非球面(11)的對稱光軸與幾何中心軸相重合。
4.如權(quán)利要求3所述的離軸薄壁非球面光學(xué)零件的超精密加工裝置的加工方法，其特征在于，所述凹槽頂面的楔角精度高于光學(xué)零件所需加工出的楔角精度。
5.如權(quán)利要求3所述的離軸薄壁非球面光學(xué)零件的超精密加工裝置的加工方法，其特征在于，所述凹槽頂面的楔角精度2倍于光學(xué)零件所需加工出的楔角精度。
6.如權(quán)利要求3所述的離軸薄壁非球面光學(xué)零件的超精密加工裝置及其加工方法，其特征在于，所述的步驟4包含如下子步驟: 步驟4.1、銑磨機將光學(xué)零件(I)、位于光學(xué)零件內(nèi)的墊片(3)、光學(xué)零件(I)外圓處的墊圈(4)同步銑磨，并將光學(xué)零件(I)、墊片(3)、墊圈(4)同步初銑磨出球面； 步驟4.2、銑磨機銑磨出光學(xué)零件(I)的非球面(11)及墊片(3)、墊圈(4)的非球面。
7.如權(quán)利要求3所述的離軸薄壁非球面光學(xué)零件的超精密加工裝置及其加工方法，其特征在于，所述的步驟5包含如下子步驟: 步驟5.1、拋光機對光學(xué)零件的非球面(11)、墊片(3)和墊圈(4)進行拋光，通過測量墊片(3)的厚度，控制中心部位通孔(12)的厚度； 步驟5.2、拋光機對光學(xué)零件進行拋光，將拋光中產(chǎn)生的外圓塌邊呈現(xiàn)在外圓墊圈上，保證了拋光后的面型精度。
【文檔編號】B24B13/01GK103659520SQ201310648065
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月6日
【發(fā)明者】袁航, 蘭潔, 陸波, 陸亞力, 徐政, 徐 明 申請人:上海新躍儀表廠