精磨工艺
精磨又称细磨。它是介于粗磨与抛光两大工序之间的重要工序。
精磨的目的是保证工件达到抛光前所需要的面形精度、尺寸精度和表面粗糙度。因此，精磨的质量对抛光的影响是非常重要的。
精磨的方法分为散粒磨料精磨和金刚石精磨。前者称为古典法精磨，又称自由研磨；后者称为高速精磨。
§4—1精磨的技术要求与技术分类
一、精磨的技术要求。
1、表面粗糙度要求
粗磨完工的光学玻璃表面粗糙度比较大，即表面凹凸程度很严重。散粒磨料加工常以 金刚砂研磨后留下来的表面，其玻璃表面破坏层约30微米，表面粗糙度RZ小于6微米；固着磨料加工常以 金刚石砂轮加工的表面，其表面破坏层约50微米，表面粗糙度RZ约在0.9微米以下。
精磨的目的之一，就是要使光学玻璃表面凹凸程度变小，以达到能被抛光抛去的程度。目前情况下认为：用散粒磨料以 金刚砂加工后破坏层在12微米以下，粗糙度在0.4微米以下；固着磨料加工时，以W10金刚石丸片加工后的破坏层在8微米以下，表面粗糙度Rz在0.35微米以下。
2、几何面形精度要求
光学完工的几何面形要求—般很高，往往是在微米级精度，要达到这样高的精度，只能通过精磨这道工序逐级提高，从而为最后的抛光工序作好准备。在古典法抛光中，精磨后的表面几何形状要比抛光完工零件差4～8个牛顿干涉圈，大约2微米左右；在现代高速抛光中只能相差2个牛顿干涉圈，约0.5微米左右。这里要注意，在实际生产中，精磨后的面形应该是低光圈，这时对凸透镜来说是曲率半径应大一些，而对凹透镜则相反，曲率半径要小一些。
二、精磨方法的分类
精磨一般可以分为散粒磨料研磨法和固着磨料法。后者又分为：成型面形工具和范成法之分。
散粒磨料精磨也称古典法，就是以金属成型模具(通常用黄铜)，中间加上金刚砂对玻璃逐步研磨。每更换一次磨料粒度就得更换一个曲率半径的球摸。对加工凸透镜来说，磨料粒度越来越细，相应地球模曲率半径也将越来越小。
固着磨料精磨法亦称金刚石高速精磨，又称微粉细磨。
所谓成型法丸片高速精磨，就是用含有金刚石微粒的青铜基体做成的小圆片按一定排列胶成球面形或平面形。对玻璃进行铣磨加工，这种方法最为常用。
范成法高速精磨与球面铣磨完全一样，唯一不同的是磨轮的金刚石粒度比较细一点而已。
§4—2古典精磨
古典精磨在这里指的是在古典式精磨机上，低速、低压，用散粒磨料(金刚砂)和金属模具进行研磨光学玻璃加工的工艺方法。
一、古典精磨的模具
古典法加工是用黄铜模子，磨料粒度由粗到细研磨
玻璃以达到抛光前的面形和粗糙度要求。如果加工透镜，那么精磨模具应是球模，如果加工平面，那么就应该是平模了。
古典精磨通常用2～3种粒度磨料逐级加工，在球面精磨时常用 、 (或 )金刚砂。平面精磨常用 、 两道工序，每更换一种粒度砂子就要相应地更换一种半径的球模，而平模就不必更换了。
图4—1
为了保证精磨的顺利进行，球面精磨的矢高 和口径 与镜盘的矢高 和口径 之间存在着一定的关系。如图4-1所示。现将它们之间关系列于表4-1。
表4—1球面精磨模与镜盘尺寸大小的相应关系
加工特点 镜盘特点 磨模与镜盘的相互关系 磨具相对于镜盘的尺寸
单件或成盘 凹面 磨盘在下 镜盘尺寸的1.0～1.2
手工操作 凸面 镜盘尺寸的1.0～1.5
在精磨机上加工 R镜≤100mm
凸面
磨盘在上
镜盘尺寸的0.9～1.0
R镜>100mm凸面 镜盘尺寸的0.9～1.0
R镜≤100mm凹面
磨盘在下
镜盘尺寸的1.0～1.2
R镜>100mm凹面 镜盘尺寸的1.0～1.3
从上表可以看出，古典精磨中加工凹透镜玻璃磨盘在下，镜盘在上，而加工凸玻璃则磨盘在上，镜盘在下。但不管那个在上，上盘直径一定小于下盘直径。
二、古典精磨、抛光机床
1、目前光学生产中常用的古典精磨、抛光机种类、型号、性能和结构。
在我国光学生产中使用的精磨和抛光机的结构并没有多大区别。一般人称之为精磨——抛光机。无论是古典机床还是近代高速机床，精磨抛光机的主要结构变化不大，其主要性能的差异是：精磨机床的压力和转速比抛光机高。
古典精磨抛光机床多数是平面摆动的摩擦传动的多轴机床。如二轴机、四轴机、五轴机、六轴机等。现将其主要技术参数列于下表：
表4-2
机床名称
技术指标 二轴机 大六轴机 四轴机 五轴机 小六轴机
加工范围 75～∞ 40～75 25～40 Φ5～25
～ 30
<±30
水锅尺寸 Φ500 Φ390 Φ270 Φ220 1210×210(长×宽)
主轴转速（无级变速）转/分 ～17
～36
～47
～88 60～150
155～215
225～370 120～150
200～280
400～700 25～330 130～180
160～250
220～350
偏心轮直径（mm） Φ200 Φ180 Φ90 Φ60 Φ70
摆动频率 （次/分） ～40 98～158 ～148
～158
～268 45～185 32～210
最大压力（Kg） 重锤4 重锤3～4 重锤3 重锤1 重锤1
古典式精磨抛光机床结构的主要特点是：摆动是由曲柄连杆机构驱动的平面摆动，主轴和摆动的速度都是通过摩擦轮实现无级调速。现将二轴机和小六轴机的传动示意图列于下图。
图4—2 二轴精磨抛光机传动示意图
1.电机 2.皮带轮 3.摩擦轮 4.偏心轮 5.摩擦轮 6.镜盘
图4—3 小六轴精磨抛光机传动示意图
1.电机 2.皮带轮 3.4.摩擦轮 5.7.皮带轮
8.主轴 9.摆动轴
马达1经过皮带轮使传动轴2旋转，通过摩擦轮3使偏心盘4转动，从而驱使铁笔作平面孤线摆动。另外，主传动轴通过摩擦轮5使主轴6旋转。分别调节各对摩擦轮的相对位置，就可以达到摆轴和主轴的无级调速。二轴机上的主轴转速和摆轴转速互不影响，可各自调节。
小六轴精磨抛光机的传动与四轴机、五轴机和大六轴机的传动相类似。马达1经皮带轮使传动轮2转动，大摩擦轮随之旋转。通过摩擦轮4使摆动轴9转动，带动偏心轮使三角架摆动。调节摩擦轮4的上下位置可以改变轴9的转速。通过皮带轮5和7使主转8转动，驱使镜盘或磨盘旋转。这里必须指出一点是： 主轴转速与摆轴转速相关联，它是随着摆轴的速度变化而变化的。
2、古典精磨抛光机的使用、维护与检修
古典精磨抛光机床的结构比较简单，使用也较方便，使用时应注意下列几点： ．
(1)开车前应检查各操作手柄是否位于“空位”上。
(2)开车前应检查各油孔中是否有足够的润滑油，各滑动面是否清洁和有足够的润滑油。
(3)开车前应检查各处螺钉是否松动。
(4)使用的过渡接头应注意其螺纹与主轴螺纹相一致，否则会损坏轴螺纹而降低机床精度。
(5)操作人员离开机床应关闭电源。
(6)机床若发生故障应立即停车。
（7）严禁开车清擦机床。
机床维护事项：
（1）机床润滑
表4—3
部位 润滑方式 润滑剂
机床摆轴 每班检查油杯是否充足并加油 黄油
其余相对运动处 每班加少量油 机油
全部滚动轴承 半年清洗换油一次 二硫化钼润滑油2#钙基润滑油
(2)机床清洁
每班工作完毕必须仔细清洗水锅并清擦台面、手柄、 三角架及滑动导轨。清擦后加几滴机油。切勿用水冲洗主轴、轴承、螺纹和滑块等零件。
三、古典精磨的操作
1、修刮模具
精磨操作者在拿到新加工的球模后，由于机械加工的精度低，一般都不能满足光学加工要求，所以要用人工修刮金属球模，使其曲率半径(球模)和平面度(平模)符合抛光要求。
一般修刮模子都是以抛光完工零件的光圈作为对象。在散砂精磨中，最后一道精磨 砂模子半径应该修整成，由该模子加工出来的零件光圈比抛光完工零件的光圈低。具体低多少要看镜盘排列的情况和抛光方式的不同有所差别。用于高速抛光的精磨模曲率半径与完工零件光圈相接近，一般只低于2～4个光圈为宜，而用于古典抛光的精磨曲率半径与抛光完工零件的半径相差情况按表4-4对照。
表4—4 古典法精磨光圈与抛光完工光圈关系对照表
抛光完工光圈N 成盘件数 精磨后低光圈数N（半径mm）
～～20 20～40 40～60 60～100 100～
0.3～1.0 1～4
5
～15
15～25
25～50 13～11 10 9 7 6
2～1 2～1 1 1 1
1 1 1 1 1
1 1 1 1 1
1.0～5.0 1～4
5～15
15～25
25～50 15～13 11 10 9 8
6 5 3 3 3
5 3 2 2 2
4 3 2 2 1
按上表修改成的精磨模就能保证抛光时玻璃边缘先被抛到。然后以 精磨模(平二道精磨模) 为基准再来修改第一道精磨模的曲率半径。修刮模具一般用硬质合金刮刀或砂轮片。修改好的模子先用废玻璃试磨，若加工后零件光圈偏低则修刮模子顶部；反之，修刮边缘。如此反复，直至达到要求为止。
2、影响古典精磨的工艺因素
(1)磨料粒度的影响
在其它条件相同情况下，磨粒越粗磨削效率就越高，但是加工后零件的表面粗糙度就越大。
(2)磨削速度的影响
在其它条件相同情况下，相对研磨速度越大， 即在单位时间内磨粒经过的路程越长，那么磨削效率就越高。但是速度越大磨粒的离心力也大，也越易飞走而造成磨料浪费。同时速度越大机床的振动也越大，极易造成零件破点。古典精磨的线速度一般在1.5米／分以内。
(3)压力的影响
压力对研磨效率有直接的关系。一般压力加大，磨削效率提高，基本上成正比关系。这是因为随着压力增加，磨粒敲击玻璃作用加剧，加速了玻璃的碎裂。
(4)悬浮液浓度的影响
悬浮浓度是指水和砂子的比例。浓度的高低对精磨质量有较大的影响。实验证明：水太多或太少对精磨都将不利。通常开始时用的浓度较大，以提高磨削率，然后浓度适中，到即将完毕前减小浓度，到快干时拿起模子，这样能得到细密的磨砂表面。
3、古典精磨的操作程序
(1)按照图纸的加工半径核对模子的半径名义值，并用实际玻璃来擦试。
(2)使用的金刚砂必须干净，绝对不准有不同粒度金刚砂混合。
(3)检查已胶好的玻璃镜盘是否有脱胶、歪斜、破碎等现象。将不合格的镜盘剔除出来。
(4)开始研磨时浓浓地加上一笔砂，用手扶模子轻轻地在玻璃镜盘上推几下，然后插上铁笔，加上重荷，先开主轴，再开摆动。
(5)研磨过程中加砂及时，砂量适中，切勿完全磨干。
(6)在一种粒度磨料加工完毕后，必须将玻璃清洗干净，再换另一号砂。在快下盘前加一二笔清水，待砂子磨细但切勿磨干即可下盘。
（7）每次精磨好的镜盘要用温水洗净，冬天切勿用冷水，以免脱胶。
（8）每加工第一盘玻璃，加工好后必须仔细清擦干净。在玻璃表面上呵一口气，立即用光学样板检查，看工件表面与样板表面的接触部位与面积，从而确定光圈的高低。只接触边缘表明光圈偏
低；只接触中央表明光圈太高。以从边缘接触1/3为合适。在灯下仔细观察表面砂眼是否均匀一致，不应有破点、路子为好。
（9）每班工作完毕时应冲洗磨头、毛笔并清洗水锅、擦净工作台面。
四、古典精磨中常见的疵病及克服的操作方法
精磨的质量与多种因素有关，现列表于下：
表4—5
疵病名称 生产原因 克服办法
路子 1.工作地点或模子不干净；
2.金刚砂中混入坚硬杂质；
3.粒度不同的金刚砂相混；
4.砂子完全磨干；
5.模子表面粗糙，且不规则； 1.搞清洁，保持干净；
2.清理金刚砂;
3.更换粒度均匀砂子；
4.注意均匀加砂；
5.修改磨具表面至平滑；
砂眼太粗 1.精磨时间太短，上道砂眼未磨去；
2.使用砂子太粗；
3.粗磨砂眼太粗。 1.延长研磨时间充分磨尽上道砂眼；
2. 改换细砂；
3.提高粗磨质量。
局部磨不到 1.贴置模不规则；
2.胶盘时贴置不当有松紧；
3.胶盘后停放时间过长零件有走动。 1.修理贴置模；
2.提高胶盘质量；
3. 缩短时间，当天胶当天磨.
破点 铁笔破伤 认真操作
疵病名称 生产原因 克服办法
破边 1.胶好的镜盘与精磨模太紧；
2.粗磨的倒边太小；
3.加砂干湿不当或不均匀；
4.机床主轴或接头跳动太大；
5.手工操作时摆动不均匀。 1.检查贴置模和精磨模的曲率半径；
2.加宽倒边；
3.注意加砂；
4.修理机床；
5.改善操作。
光圈不好或不规则 1.磨具半径不合适；
2.操作摆动大小不合适；
3.手工操作时摆动及用力不均匀。 1.重新修刮磨具；
2.根据要求调整摆幅；
3.手推着力点应低一些用力均匀，运动平稳。
厚度磨小 加工时间过长。 缩短时间。
腰麻 贴置模不规则，局部凸。 修整贴置模。
顶麻 最后一道细砂未磨到顶。 延长时间细砂磨到顶。
边麻 精磨模从顶部先磨下来未到边。 修整磨具。
侧边麻 火漆过软，零件走动。 下胶更换合适火漆。
§4—3 金刚石磨具
固着金刚石磨具的精磨是一个复杂的过程，加工表面的几何形状和粗糙度以及生产效率和工艺过程的重复性，直接与金刚石颗粒、结合剂、玻璃和冷却液等因素的相互作用有关。为此，人们不断在探讨研究它们之间相互影响的规律性，以便使金刚石磨具精度、玻璃的加工方法得到进一步发展和完善。
一、金刚石精磨中各因素相互影响的规律性
（一）全刚石颗粒
在使用散粒磨料研磨玻璃时，切削能力和工件表面的粗糙度仅取决于磨料颗粒的粒度。但是，在使用固着磨料研磨时，尤其是在金刚石精磨中，磨具的切削能力，不仅取决于金刚石颗粒的粒度，而且还取决于它在结合剂中的浓度以及颗粒从结合剂里露出的尺寸，并且
与玻璃原始表面的粗糙度有关。
图4—4 玻璃的破坏层与粒度之间的关系曲线
—金刚石磨具研磨的破坏层；
—金刚石微粉研磨的破坏层。
如图4-4所示，在金刚石颗粒的粒度小于40 m时，金刚石磨具产生的破坏层 稍小于金刚石微粉粒度研磨产生的破坏层 ，但两者相差不明显；当金刚石颗粒尺寸大于40 m时，按两钟方式研磨产生的破坏层相差很大， 是 的2～2.5倍。采用固结的金刚石磨料研磨时，所形成的破坏层深度小，这主要是由于结合剂中金刚石颗粒的突出部分的平均尺寸小于相同颗粒在散粒研磨时的工作尺寸。
每种粒度的金刚石磨片都具有自己相应的浓度。低浓度的金刚石磨具，尽管生产率高，但由于磨具严重的线性磨损，工件表面的形稳性差。浓度在25～50 时，可得到最好的效果。浓度增加到75～100 时，会降低磨削效率。因为金刚石颗粒尺寸小时，浓度增加，被加工表面同时接触的切削刃增多，磨料所受的切削力难以去除玻璃表面的材料层。这是由于金刚石颗粒刺入被加工表面的深度减小，所以，磨削效率降低，同时表面粗糙度提高。
（二）结合剂
在金刚石精磨过程中，保证研磨的稳定性和重复性的首要条件是：金刚石与结合剂的平衡磨损。也就是结合剂磨损，磨具表面上的金刚石切削刃的密度始终保持不变。这种平衡是靠金刚石磨具的自锐作用实现的。如果均衡条件遭到破坏，将会导致两种情况：或者金刚石过早的脱落，从而缩短磨具的使用寿命；或者钝化的颗粒长期保持不脱落，这样不仅降低磨削效率，而且也影响加工表面的粗糙度。
金刚石精磨磨具的自修整作用主要与结合剂固有的硬度有关，其次与玻璃原始表面粗糙度、冷却液以及金刚石颗粒切入玻璃的深度等有关。
结合剂的硬度（系指金刚石颗粒脱落的难易程度）应保证结合剂对金刚石颗粒具有一定的固结程度，同时又不会阻止变钝磨粒的脱落。
（三）玻璃
为了合理地选择和使用金刚石磨具，以获得最好的工艺效果，必须考虑到玻璃的物理力学特性对磨削效率和表面质量的影响。例如，在加工表面粗糙度相同的情况下．用金刚石精磨比散粒磨料研磨所形成的裂纹深度要小。这是由于前者加工的切削力的合力方向几乎与玻璃表面相切所致。
在用金刚石磨具进行精磨的过程中，磨削产物——玻璃碎屑将同磨具表面发生相互作用。碎屑的数量、颗粒的分散性和形状，在很大程度上影响着磨削的过程。
如果在加工表面，磨削产生的玻璃碎屑不是分散于磨具与玻璃表面之间的空隙中，而是由于加热变软密集地堵塞于磨具表面，则会阻碍结合剂的磨损，钝
化的金刚石颗粒不能脱落，冷却液也难以流通。若加工表面温度继续升高，不仅玻璃屑变软，而且粘合剂也开始熔化，则金刚石磨具表面被覆盖一层玻璃和金属的融膜，这就是磨具的严重釉化，从而无法继续加工。上述过程的发生与金刚石颗粒切入深度、冷却液的性能和流量有关。
（四）冷却液
众所周知，冷却液的作用是散发加工过程中产生的热，去除磨削碎屑和减小磨具与玻璃的摩擦，即起到冷却、清洗和润滑作用。在金刚石精磨的过程中，冷却液的影响机理由于与磨具和被加工表面状态有关而变得复杂化。冷却液不仅直接作用于结合剂和切削刃，而且能改变玻璃表层的物理—力学性质，因而影响磨具的研磨性能。这是因为金刚石颗粒切削刃状态的改变，首先取决于玻璃表层的性质和结构。
在金刚石精磨中，采用乳化液、甘油—水、三乙醇胺—水冷却液，磨削效率较高，磨具磨损降低。纯水绝对不可以作金刚石精磨的冷却液。实验表明，用水作冷却液，精磨几分钟后，将使得磨具表面从结合剂中凸出的大部分金刚石颗粒过早脱落，而剩下的颗粒明显磨损。三乙醇胺—水，比乳化液和甘油—水冷却液能更有效地防止金刚石磨具钝化。
二、球面金刚石磨具的余弦磨耗规律
如果磨具磨损后的表面与磨损前的表面具有相同的曲率半径，我们称这种磨耗为理想磨耗，即余弦磨耗。如图4-5(a)所示。
图4—5 球面磨具的余弦磨耗形式
—磨损前的表面 —磨损后的表面
在理想磨耗的情况下，磨具能稳定地保持其表面的几何形状。
磨具磨耗后的表面，仍是一个以Y轴为对称轴的回转面。在理想磨耗的情况下，这个回转面上各点的曲率半径与未磨耗前的曲率半径一致。因此图4-5 (b)中的虚线(磨耗后的表面)是磨具磨耗前表面(实线)，沿Y轴移动 的距离的球面。那么由图4-5(b)中的几何关系，可以得到磨具上任意点 的磨耗量 与磨具顶点的磨耗量 之间的近似关系：
(4-1)
式中: —任意点的磨损量
—球面中心顶点的磨损量
θ—表面任意一点与球心连线和中心线的夹角 ????????
公式（4-1）虽然是近似公式，但只要 ，那么它的精确度是足够高的。这就是球面磨具余弦磨耗规律的数学表达式。它表示了在理想磨耗情况下，磨具表面上各点磨耗量之间的余弦关系，所以，我们也把理想磨耗称作余弦磨耗规律。这一规律也适用于凸球面磨具。
§4—4 球面金刚石高速精磨工艺
一、 金刚石磨具的尺寸
成型法高速精磨的磨具是采用金刚石精磨片(又称金刚石磨片)，按一定的形式排列在磨具基体上，用粘
结剂粘结而成。在精磨过程中，工件的几何精度和表面质量主要是靠磨具保证的。因此，金刚石磨具的尺寸、性能、覆盖比、排列方式以及磨片的特性参数：粒度、浓度、结合剂等，都直接影响工件的质量和效率。
(一) 球面金刚石精磨盘的曲率半径
首先我们应了解粗磨、精磨和抛光各道工序之间，曲率半径之间的关系。图4-6表示加工凸球面时，各道工序磨具的曲率半径之间的关系。
图4-6中各曲率半径之间的关系是：加工凸球面时，应该是 ，即在整个加工过程中，总是从光圈数低得多逐渐提起来，直到抛光后光圈数低得少 (凹光圈)。
加工凹球面时，应该是 。光圈数仍然是由低得多向低得少修改。因为凹面曲率半径愈小，光圈低得愈多，所以从粗磨到抛光，磨具曲率半径逐渐增大。
高速精磨后，工件表面粗糙度比散粒磨料精磨的小。所以高速精磨后，所留的低光圈数要比散粒磨料精磨后留的少。一般来说，第二道精磨盘 磨出的透镜光圈，比抛光完工所要求的光圈低1～2道；而第一道精磨盘 磨出的光圈比抛光后光圈低4～5道。
(二) 精磨盘与镜盘的相对位置和相对尺寸
1、精磨盘与镜盘的相对位置
按照散粒精磨的习惯，一般来讲，不管是镜盘还是磨盘，都是将凸球面安在机床主轴上，把凹球面放在上面与顶针连接。
图4—6 加工凸球面的各道工序磨具的曲率半径的关系
—粗磨后的透镜曲率半径，其球心为 ；
—贴置模的曲率半径，其球心为 ， 等于精磨前镜盘表面曲率半径；
一精磨盘表面的曲率半径，其球心为 ，若采用两道精磨，则有 和 ；
一抛光模曲率半径(图中未画出)；
— 与 之间在透镜口径上的矢高差， 就是铣磨时需要控制的擦贴度；
— 与 之间在镜盘口径上的矢高差， 表示精磨盘与贴置模之间的光圈差数，保证镜盘从边上开始磨起。
在高速精磨中，通常不管是凸磨具还是凹磨具，凡是金刚石磨具，均安在机床主轴上，使其获得高速旋转，让镜盘作随动，这样磨具在下作高速回转，有利于高速磨削，并且镜盘在上，加工操作方便。另外，对镜盘而言，在下比在上时，对装盘偏心要求严。
综上所述，在高速精磨中，磨具安在机床主轴上，作主动运动比较合理。
2、精磨盘与镜盘的相对尺寸
精磨盘与镜盘的相对尺寸，是指精磨盘的口径(或矢高)与镜盘口径(或矢高)的比例。它与两者的相互位置和透镜曲率半径有关。详见表4-6。
表4—6精磨盘与镜盘的相对尺寸
精磨盘位置 透镜曲率半径 透镜凸、凹 精磨盘尺寸：镜盘尺寸
精磨盘在下 R<100mm 凸面 1.10～1.25
凹
面 1.30～1.40
R>100mm 凸面 1.10～1.25
凹面 1.20～1.30
精磨盘在上 R<100mm 凸面 1.0～0.9
R>100mm 凹面 1.0～0.9
3、精磨盘的基本半径
精磨盘的曲率半径由下式确定：
(4-2)
式中： 一基体表面曲率半径；
—精磨盘要求的曲率半径；
t —精磨片在磨盘-上的厚度，
δ—粘结胶层厚度，一般取0.1mm左右。
式中，对凸磨盘取“一”号，对凹磨盘取“十”号。
图4—7 金刚石磨具定位尺寸
在设计基体时要考虑：基体上一定要有一个基准面，以保证磨具拧到主轴上时，磨盘表面球心正好与摆架回转轴处于同一水平高度。无论对凸磨盘还是凹磨盘都是如此。所以设计基模时，除标明曲率半径、口径和矢高外，还要注明定位尺寸。如图4-7，图中 为定位尺寸。
二、精磨片特性参数的选择
金刚石磨片的特性参数包括：金刚石粒度、浓度、结合剂和磨片尺寸等。
(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。因此，通常采用两道精磨。第一道精磨粒度粗一些，这样磨削量较大；第二道精磨，粒度细一些，则可获得良好的表面粗糙度。
第一道精磨，又称粗精磨，采用的金刚石磨片粒度为W28或W20为宜；第二道精磨，又称精精磨，采用W1O或W7为宜。如果只用一道精密，则以W14为宜。
据外国波拉姆公司介绍，该公司的精磨磨头，其金刚石微粉的直径为5～25μm。在选用某一粒度时，对颗粒均匀性要求非常严格，例如 (颗粒直径规定为4～8μm)微粉，允许有10％微粉小于4μm，10％的在8～10μm，如果偏离上述规定，则精度质量不能保证。
(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。美国为15～75％，西德为35～50％，国内为30～50％，目前，国际上定为45％，认为这样效果最好。
(三) 磨片的结合剂
目前，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。其中硬青铜结合剂使用寿命较长，钢结合剂也较耐磨，而且质量相当稳定；软青铜结合剂可用于加工大而薄的零件。
国内主要采用青铜结合剂。
国外，美国大多采用钢结合剂；西德、法国一般采用由铁、钴、铜制成的硬青铜结合剂，对于精磨，如粗糙度的要求较高，即加工表面较细，可采用塑料加青铜的软青铜结合剂；日本采用金属结合剂和树脂结合剂。
金刚石磨片的结合剂主要作用是把持金刚石颗粒，结合剂的硬度，直接影响钝化金刚石颗粒的脱落速度，即影响磨削效率和工件表面质量。因此结合剂的硬度
，要与金刚石颗粒的磨钝速度和玻璃的抗磨性相匹配，即结合剂磨损速度应与金刚石磨耗速度大致相同。
高速精磨使用的精磨片结合剂很重要的一点，是结合剂的硬度要与玻璃的硬度相匹配。较硬的玻璃要用较硬的结合剂，以利于磨削，较软的玻璃必须用较软的结合剂，以保证玻璃表面不出路子。
目前，国内精磨片已按结合剂的软硬分作不同的牌号，以对应于不同牌号的玻璃。按光学玻璃磨耗硬度比，将玻璃划分为硬、中硬、软三种类型，然后，选择相应三种类型硬度的结合剂磨片与其匹配。如下表4-7所示。
表4—7 各牌号光学玻璃磨耗硬度比
牌号 硬度 牌号 硬度 牌号 硬度 牌号 硬度 牌号 硬度
FK1
QK1
QK3
K5
K9
K10
K11
K13
K14
K15
K16
BaK1
BaK2
BaK3
BaK4 80
80
80
91
100
80
77
85
125
92
92
80
83
80
90 ZK3
ZK4
ZK5
ZK6
ZK8
ZK9
ZK11
ZK14
ZK15
ZK16
ZK17
ZK18
ZK19
ZK20
ZK22 94
71
79
75
72
76
62
80
75
78
77
71
74
73
66 LaK7
LaK8
KF1
KF2
QF1
QF5
QF6
QF7
QF8
QF9
QF10
QF11
QF12
QF13
QF14 131
119
92
99
81
73
97
74
82
75
76
69
69
63
71 BaF8
BaF12
BaF14
F1
F2
F3
F4
F9
F10
ZBaF1
ZBaF3
ZBaF5
ZBaF8
ZBaF9
ZBaF11 61
72
64
66
69
63
63
63
70
67
59
54
68
69
57 ZBaF17
ZBaF18
ZBaF20
ZBaF21
ZF1
ZF2
ZF3
ZF4
ZF5
ZF6
ZF7
ZF10
ZF11
ZF12
ZF13 53
68
54
56
60
59
56
52
47
51
41
57
56
58
48
表4—8玻璃硬度范围
玻璃硬度类型 硬度范围 常用典型玻璃牌号
硬 85以上 中硬 65～85 软 65以下
各类玻璃硬度范围如表4-8所示。不同硬度的结合剂精磨片，适用于玻璃的硬度范围如表4-9所示。
表4—9 不同硬度精磨片适用于玻璃的硬度范围
精磨片硬度类型 磨片代号 结合剂编号 结合剂硬度
适用玻璃硬度范围
一
90左右
85左右
70左右 硬玻璃
二
65左右 中硬玻璃
三
55左右 软玻璃
(四) 精磨片的形状和尺寸
精磨片一般为圆形，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。
选择精磨片的直径，一般取决于精磨盘的曲率半径、口径和镜盘的直径。精磨片的厚度主要取决于磨片直径。直径大，厚度也大。特别是直径小的磨片，厚度不减小，磨片就不易粘牢。磨片尺寸及使用范围见表4-10。
表4—10 精磨片的尺寸和使用范围
精度盘曲率半径 (mm)
10～20
20～30
30～50
50～150
150～∞
精度盘表面积( )
6～25
25～50
50～150
150～1350
>1350
精磨片尺寸(mm)
Ф4×3
Ф6×3.5
Ф8×4
Ф10×4.5
Ф15×5
(五) 覆盖比的选择
所谓覆盖比是指排列在磨具上的精磨片表面积之和与磨盘整个球
缺表面积的比。可用下式表示：
（4—3）
式中： —覆盖比； Z一精磨片的数目；
—每片精磨片的面积； —磨盘球缺表面积； —磨片的直径； R—磨盘曲率半径；
h—磨盘球缺的矢高。
磨片在磨具上紧密排列，仍有空隙，因此覆盖比 是一个小于100％的数。为什么不采用完整的金刚石球面磨具精磨呢？实践表明：这种磨具会使冷却液流通不好，磨屑不易排出，磨削效率低，而且成本高。
覆盖比的选择，主要取决磨盘曲率半径。可参照表4-11。
表4—11覆盖比的选择
磨盘曲率半径 R<50mm R=50～120mm R>120mm
覆盖比 =40%
=30%
=20%
实验表明，覆盖比对工件磨去量和表面粗糙度的影响有两种情况。
1、在所加外力相同的情况下，玻璃磨去量随着覆盖比的加大而显著地减少，外力愈大，这种趋势愈明显。这是因为增大覆盖比，磨具表面虽然切削刃增加，但另一方面使单位面积所受的压强减少。后者作用大于前者，因此，综合作用是随覆盖比加大，玻璃磨去量反而减少。所以，大球面磨盘，覆盖比取小些。小球面磨盘，表面形稳性差，覆盖比取大些。但表面粗糙度却随着覆盖比的加大而变大。
2、在所加外力不同而压强相同的情况下，采用不同的覆盖比，对玻璃磨削量和粗糙度的影响并不太明显，但覆盖比增加时使磨具形稳性相对变好。
(六) 精磨片的排列方式
金刚石精磨片在磨具基体上的排列应满足以下要求：保证磨具的形稳性；不应产生死点，即不应有磨不到的地方；冷却液畅通无阻，以利散热和排屑。
目前，国内外普遍采用的排列方式主要有两种。
1、同心圆排列：
同心圆排列是以模具中心向外，沿圆周排列，一般有两种情况：一种是各相邻圆周上，两精磨片在角度分布上错开一距离，径向有重叠；另一种情况是在不同圆周上磨片排列间隙不等。
同心圆排列如图4-8 所示。
图4—8 同心圆排列
2、螺旋线排列
这种排列是以磨盘中心开口或螺旋线(单头螺旋和多头螺旋)排列，但外圈是圆周排列。
此外，还有多种排列形式。无论采用那种排列，都应保证磨盘加工面曲率半径稳定,则对球面来说，磨片排列要保证余弦磨耗。
磨片用环氧树脂粘结剂或其它胶，粘到磨具基体上，固化以后即可修模。修模是用预先修好光圈的球模，加金刚砂来磨金刚石磨盘。修整的精磨盘可直接装在精磨机床上磨玻璃，然后看玻璃表面的光圈和局部光圈是否符合要求，直到修好为止。
三、工艺因素对高速精磨的影响
高速精磨的工艺因素大致包括以下几方面。
(1)机床：主轴转速、压力
和摆幅等；
(2)磨具：精磨片的粒度、浓度、结合剂的种类、磨片排列方式、磨盘相对镜盘的尺寸和位置等；
(3)冷却液：种类、性能、流量和温度等；
(4)玻璃：品种、工件原始表面粗糙度和加工时间等。
上述工艺因素对精磨的影响，包括以下技术指标。
(1)磨削速率或磨削能力，用单位时间内磨去玻璃的重量或体积表示；
(2)精磨后的表面粗糙度，主要指玻璃表面凸凹层的深度，即磨砂面的粗细；
(3)磨具的寿命，一般用磨耗比表示，即以单位重量的金刚石可以磨去多少重量的玻璃表示；
(4)金刚石磨片的钝化情况。由于有些工艺因素已在有关章节中讲过，所以下面仅研究机床和玻璃的因素对磨削速率和表面粗糙度的影响。
（一） 机床主轴转速影响
无论磨具相对镜盘的位置如何，磨削量随着主轴转速的提高而成线性增加；同时，表面凹凸层的深度，随磨削量增加而有所增加。磨具磨耗也随主轴转速提高而成线性增加。
目前，国内对于曲率半径小于50mm的小球面高速精磨，主轴转速选择范围在2400～3600min-1，按线速度计算，以4～8m／s为宜。对于中球面(50
当磨具作主运动时，压强对玻璃磨去量的影响不一定成直线关系。
压强在lkg／cm2以内，磨去量增加较大，并成直线关系，当压强超过lkg／cm2以后，增长量逐渐变小。
当镜盘作主运动时，压强对磨去量影响基本成直线关系，有时稍有偏离。
（三） 玻璃原始表面粗糙度的影响
实验结果如图4-9所示。对于同种玻璃，工件原始表面粗糙度大，则玻璃去除率高；当玻璃原始表面裂纹层磨去后，玻璃的去除率不再依据原始表面粗糙度的不同而改变，而是稳定在一定速率内。
原始表面粗糙度大，玻璃去除的快，其原因有二点：
(1)在玻璃的破坏层内，有无数凸凹坑和裂纹，因此，去除破坏层要比磨削致密的内层基体快。
(2)粗糙的表面，有利于磨具的“机械自锐作用”，而磨具的自修整作用大小是决定金刚石磨具去除率高低的最重要因素。
图4—9 玻璃原始表面粗 图4—10 玻璃品种对
糙度对磨削速率的影响 磨去量的影响
О原始表面粗糙度Ra值2.2μm；
?原始表面粗糙度Ra值1.2μm；
□原始表面粗糙度Ra值0.5μm．
(四) 玻璃种类的影响
用金刚石高速精磨玻璃工件时，玻璃的去除量随玻璃品种不同而异。一般来说，玻璃表面硬度越大，去除率越低。如图4-10所示。
(五) 加工时间的影响
一般来讲，玻璃磨去量随加工时间的增加而增加，但并不
一定成正比关系，这决定于玻璃的品种和磨片结合剂的种类。
四、高速精磨加工中产生的疵病及克服方法
现将高速精磨中常见的疵病及克服方法列于表4-12。
疵病名称 产生原因 克服办法
有明显的运动轨迹大路子 金刚石丸片中金刚石颗粒不均匀，有大颗粒。 仔细找到大颗粒控去，或用专用修模对磨。
无规则交叉路子或不连路子 1.金刚石丸片结合剂太硬；过软，金刚石颗粒脱落过早。
2.金刚石浓度过高，过早脱落。
3.冷却液浓度太大或过脏。
4.冷却液流量不够。
5.使用时间过长，丸片金刚层钝化。 1.选用结合剂硬度与玻璃材料相适应的金刚石刃片。
2.选择合适浓度。
3.过滤或更换冷液。
4.加大流量。
5.修整模具。
麻点 1.粗磨砂眼太粗。
2.粗磨去量太少，丸片粒度太细。
3.贴置模与精磨曲率半径不匹配，过紧或过松。
4.两道精磨丸片匹配不当。
5.两道精磨工具曲率半径匹配不当。 1.粗磨退修。
2.更换合适粒度丸片。
3.修改贴置模。
4.调整两道丸片的粒度。
5.修改模具半径为合适。
边缘麻点光圈不合适 1.精磨矢高太小或摆动大小。
2.精磨曲率半径不合抛光要求。 1.加大矢高或加大摆幅。
2.修改模具曲率半径。
表4—12
§4—5 金刚石精磨中的冷却液
金刚石精磨是在精磨机床上，采用固结的金刚石磨具和冷却液对玻璃表面进行研磨的。因此，机床和磨具对玻璃的机械磨削作用是主要的，但是，冷却液的种类，无论是对玻璃的去除率和表面粗糙度，还是对磨具的线性磨耗量和磨耗比(磨具相对玻璃)均有重要影响。
冷却液不仅具有冷却、润滑和清洗作用，而且对磨具和玻璃还起一定的化学作用。
一、冷却液的作用
(一) 冷却作用
所谓冷却作用，是指冷却液流经玻璃和工件表面时，吸收和带走热量的能力。
高速精磨是在高速高压的加工条件下进行的，必然会产生较多的磨削热。为了降低磨具的磨耗，提高其使用寿命和尺寸的形稳性，同时减小热应变对玻璃的影响，必然要使研磨过程中产生的热量迅速散发。因此，要求冷却液应具有良好的冷却作用。
在冷却的过程中，由于冷却液吸热，本身的温度会升高并产生蒸发。因此，冷却液的散热能力与它的比热、蒸发热和导热系数等物理性质有关。
在一切液体中，水的比热最大，其值为油类的2～3倍；在标准大气压下沸腾时，水的蒸发热是油类的7～15倍；水的导热系数是油类的3～5倍。
由此可见，水和水溶性流体具有良好的冷却作用，而油类的冷却作用则较差。至于乳化液的冷却液介于两者之间。
（二） 润滑作用
冷却液的润滑作用，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。冷却液润滑性好，才能使磨削流体迅速渗入磨具与玻璃接触表面，并在摩擦表面形成一个牢固的润滑膜，且有一定的强度，从而达到减少摩擦、保护磨具、提高效率和表面质量的目的。另外，良好的润滑作用也可以减小含有玻璃碎屑的冷却液对磨具的附着作用，不仅可以有利延迟磨具的釉化，而且也能保证工件的表面质量。
为了增强冷却液的润滑作用，必须减小其表面张力。由于纯水的表面张力较大，所以它的润滑作用很差。如果在水中加入少量活性剂则可改善其润滑作用。但润滑作用也不能过大，否则会降低磨削效率。
(三) 清洗作用
冷却液的清洗作用，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。如果冷却液的清洗作用差，则加工中不断产生的碎屑得不到及时清除，就会堆积在玻璃和磨具的表面上，由于高速高压的作用，在磨具表面上很快会形成一层材料膜，使磨具变钝，这就是金刚石磨具的“釉化”现象。钝化的磨具不仅会破坏自锐作用，影响磨削效率，同时会降低磨具的寿命并使表面粗糙度加大。在一定限度内，增大冷却液的流量是提高清洗作用的有效方法。
对于循环使用的冷却液，随着加工时间的增加，冷却液中玻璃碎屑的含量也随着增多，如果含量达到4～5％，不仅磨具会产生釉化，而且工件的表面也易造成划痕；同时，对操作者皮肤也有害。因此，应及时清除碎屑或更换新冷却液。冷却液中的玻璃碎屑由于粒度很小，难以沉淀，往往形成胶体状态，因此，用一般过滤方法不能去除碎屑。最好是先用离心机除去大颗粒，再加入少量凝固剂，使碎屑凝聚、沉淀，然后用过滤器过滤，即可重复使用。
(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的，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—水等水溶性的冷却掖。
关于水对玻璃的作用机理，详见§5-1。现以三乙醇胺为例，说明冷却液对磨具和玻璃的作用。
1、冷却液对金刚石磨具的化学自锐作用
金刚石磨片中的结合剂铜，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 ，另一种叫蓝色石青 。这两种碱式碳酸铜虽然都不溶于纯水，但它可以通过以下两种方式溶解到冷却液中：
（1）碱式碳酸铜可以溶解于含有少量碳酸钠或碳酸钾(玻璃水解的产物)的冷却液中并且能生成络合物；
（2）碱式碳酸铜可以与冷却液中的三乙醇胺生
成络合物。
综上所述，说明金刚石磨具中的铜结合剂，将通过上述反应被缓慢地腐蚀、溶解，从而加速了钝化的金刚石颗粒从磨具上脱落下来，新的颗粒露出表面，这就使得磨具产生自锐作用。这种自锐作用，与磨片结合剂硬度所决定的固有自锐性，以及玻璃原始的粗糙表面对磨具所产生的机械自锐作用不同。后者是机械磨削作用，前者是化学作用。尽管机械自锐作用是保持磨具切削能力的主要方式，但化学自锐作用也是存在的。
实验表明，铜片浸泡在微淡黄色的“三乙醇胺—水冷却液中，静置3～4天就变成淡蓝色，静置20天会变成深蓝色。这种现象完全可以证实“三乙醇胺—水”冷却液对金刚石磨具具有腐蚀作用。
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。而冷却液中的三乙醇胺是一种比较强的有机碱，它可以吸收大量的二氧化碳，从而减缓二氧化碳与氢氧化钠的作用，即减缓了水解产物对玻璃的腐蚀作用，有利于提高工件的表面质量。
实验表明，“三乙醇胺—水”冷却液吸收二氧化碳的能力是纯水吸收能力的七倍多。
§4—6 精磨的表面结构
粗磨、精磨和抛光是光学零件加工的三大基本工序。在零件光学表面形成的过程中，各道工序各有其作用。粗磨的目的是去除毛坯的大部分余量，并保证一定的几何形状精度和表面粗糙度；精磨是为抛光作准备，因此，要求零件达到较精确的几何形状和具有较小的裂纹深度，并在此裂纹深度上，又要求较为粗糙的表面；抛光是要去除掉精磨所留下的破坏层（包括粗糙的凸凹层和裂纹层)，最后达到所要求的光学表面。
由此可见，每道工序完工的表面结构，都直接影响下道工序的加工过程。正确认识工件表面结构的作用，对于粗磨、精磨和抛光表面结构匹配的合理性、经济性是颇为重要的，它直接关系到光学零件生产的效率和表面质量的提高。
一、粗磨的表面结构
粗磨的表面结构，直接影响到精磨的磨削效率、工件的表面质量、磨具的磨损和钝化等。
如果粗磨完工的工件表面太粗糙，结果使精磨去除量加大，更主要的是磨具磨损严重。同时，被去除的大量玻璃屑，容易附着在磨具与玻璃接触的表面上，它会降低零件表面质量，甚至使工件精磨后仍残留麻点，抛光难以消除，只好重新进行返修；相反，如果粗磨后的工件表面粗糙度太小，光滑的表面不利于金刚石磨具的自锐作用，结果使磨削效率降低。研究结果表明：金刚石磨具上
，如果有20%以上的金刚石颗粒变钝而不脱落。则磨削效率显著下降，而且加工表面容易形成较深的裂纹层。磨具的自修整作用，就是要保证钝化的金刚石颗粒不断地从磨具工作表面上脱落下来，随之露出新的颗粒参与研磨。这种自锐作是保持磨具切削能力的必要磨耗方式。它与粗磨完工的工件表面粗糙度、结合剂的硬度和冷却液的种类等因素有关。
粗磨后工件的表面粗糙度，应该与精磨金刚石磨具的粒度和结合剂硬度相匹配。如精磨的磨具粒度为26 (相当W28)，结合剂硬度适当，金刚石颗粒从基体表面露出3 左右，在这种条件下，要求粗磨后的表面粗糙度 值为2.2 相当 粗糙度；如果粗磨完的表面粗糙度为1.2 时，精磨磨具的自锐作用就很差，磨削效率显著降低。
目前，在粗磨铣削加工中，通常采用100 或80 金刚石磨轮，工作表面粗糙度达到 , 这时采用粒度为 W28的金刚石磨具作第一道精磨是与粗磨表面相匹配的。
二、精磨的表面结构
关于精磨表面结构对抛光的影响，人们往往误认为，精磨表面粗糙度愈小，对抛光愈有利，其实则不然。衡量精磨的表面结构，主要有两项指标：最大裂纹层和表面凸凹层。前者决定抛光要去除材料的厚度，影响抛光时间；后者作用是防止抛光模釉化，以提供较高的抛光速率。
抛光过程基本上可分为两个阶段：首先是抛去凸凹层，然后是抛去裂纹层。
在抛光第一阶段开始，抛光模仅与工件表面凸凹层的峰顶接触，这时抛光的玻璃表面承受相当大的单位压力，同时，粗糙表面的凹坑，使抛光液能充分地布满整个表面，因此抛光效率较高。随着抛光过程的继续，抛光模与工件表面接触面积增加，工件表面单位压力减小，同时抛光液在加工表面的附着作用降低，因此抛光过程减缓。
抛光进入第二阶段，抛光达到裂纹层时，整个玻璃表面与抛光模完全接触，抛光过程趋于稳定化，这时大多数抛光模开始釉化。随着抛光的继续，釉化加剧，抛光效率进一步降低，釉化程度取决于第二阶段抛光的持续时间。即抛光模的釉化程度直接取决于精磨表面的裂纹层的深度，这是因为第二阶段抛光的持续时间取决于裂纹层深度的大小。因此，精磨后的工件表面应具有较小的裂纹深度为好。
使用釉化的抛光模，抛光下一个工件，是靠工件精磨后粗糙的表面恢复磨具的抛光能力的。因此精磨的表面粗糙度应为清除抛光模的釉化提供可能，若精磨表面粗糙度很小，将不可能消除抛光模的釉化，尤其是柏油或柏油混合模更是如此。
综上所述，精磨的工件表面结构应具有较小的裂纹深度和较为粗糙的表面。但是，表面凸凹
层应大于裂纹深度为限度。
实验表明，用粒度为3 的散粒磨料(三氧化二铝)进行精磨，观测研磨表面腐蚀前后的轮廓图发现，裂纹深度很小，几乎不延伸到凸凹层下面。如果用粒度为15～20 的金刚石精磨，将工件表面腐蚀后发现，裂纹深度为表面凸凹层的2～3倍，尽管两种精磨方式所用磨料粒度不同，但金刚石颗粒露出磨具表面的尺寸与散粒精磨使用磨料粒度是相近的。
此时，散粒磨料精磨比固结的金刚石磨片精磨具有较小的裂纹深度。若两者使用的粒度相同，则情况正相反。
精磨表面的凸凹层，可以用轮廓仪测出。但裂纹层不能用光学方法检验。通常是用氢氟酸腐蚀的方法测定裂纹深度。在腐蚀过程中，将去掉包括裂纹层在内的整个表面的等厚层。然后用显微镜测量凸凹层的峰顶到裂纹底部的距离，或者腐蚀稍长一段时间，使裂纹被扩散到足可以用轮廓仪探针刺入裂纹底部，这样就可用轮廓仪直接测出裂纹层的深度。
精磨表面的裂纹深度，决定了玻璃抛光的去除量。因此，工件表面的裂纹深度应成为评价精磨表面质量的主要指标，但由于这项指标难以测量，因此目前普遍采用表面粗糙度的质量指标。
三、精磨能否代替抛光
随着金刚石精磨光学零件表面质量的提高，经常有人提出这样的问题：假如精磨表面的面形足够精确，并且表面凸凹层可以减小到用光学方法不能再分辨的程度，那么能否用精磨代替抛光呢?
实验表明：采用粒度为7 的树脂结合剂的金刚石磨片磨具进行高速精磨，并用三乙醇胺—水作冷却液，在这种条件下得到的精磨表面，用肉眼看起来似乎象抛光表面。可是，当用2％的氢氟酸腐蚀lmin后，则该表面完全暴露出精磨的本来面貌。用干涉显微镜观察被腐蚀的表面，发现它与抛光的光学表面完全不同。精磨后得到的光滑表面，是玻璃表面材料的流变沉积覆盖凹坑的结果。这种沉积的玻璃表面与整体材料有显著不同。如果将精磨表面腐蚀20min，则露出的裂纹与通常用金刚石磨片高速精磨得到的表面结构相同。
实验结果表明，增大研磨速度和减小金刚石颗粒的粒度，对减小加工表面的破坏层深度有较好的效果，并且精磨的光滑表面，不再显示出玻璃材料再沉积的状况。尽管如此，这样的精磨表面仍不是光学表面，因为裂纹层仍然存在，这与抛光表面截然不同。
上述事实可以说明，至今为止，人们仍然未能获得一种理想的精磨磨具，使其加工的表面结构达到真正的光学表面，也就是说，目前的工艺水平还不能用精磨代替抛光。将来能否用精磨代替抛光，还有待于科学技术的发展和人们的探索。
习
题
1、精磨的目的是什么？
2、古典精磨如何保证质量指标？
3、什么是金刚石磨具的理想磨耗？其计算式是什么？
4、影响高速精磨的工艺因素是什么？
5、金刚石精磨中冷却液的作用是什么？
第 五 章 抛 光
光学零件的抛光是获得光学表面最主要的工序。其目的：一是去除精磨的破坏层，达到规定的表面疵病要求；二是精修面形，达到图纸要求的光圈和局部光圈，最后形成透明规则的表面。
§5—1 抛光机理
抛光的过程是十分复杂的。关于光学玻璃抛光的机理，很早就引起人们的重视，特别是近半个世纪以来，各国对抛光机理的研究，提出了许多见解。但是，在三十年代以前所流行的学说，具有明显的假设性质，这是由于研究抛光现象所需的仪器设备超出光学显微镜之外的缘故。此后，随着科学的发展，出现了电子显微镜、表面轮廓仪，以及相干技术的改进，特别是固体表面化学的提出，对研究玻璃表面的结构是极大的推动。自1950年以后，许多国家进行了大量的实验研究。迄今为止，关于抛光的本质，虽然还没有一个统一看法，但大致为三种理论：机械磨削理论、化学作用理论和热的表面流动理论。看来，三种理论在不同程度上都有一定的正确性。基于三者的综合作用又提出第四种看法，即抛光的本质是机械、化学和物理三种作用的错综复杂的过程。这种综合性的观点，现在已被越来越多的人所承认。
抛光机转速和压力，抛光模和抛光剂质量，抛光悬浮液的酸度和浓度，玻璃种类及精磨后的表面粗糙度等，对抛光效率和零件的表面质量都有重要影响。
关于抛光本质的三种基本学说，概述如下。
一、机械磨削理论
机械说认为：抛光是研磨的继续，抛光与研磨的本质是相同的，都是尖硬的磨料颗粒对玻璃表面进行微小切削作用的结果。但由于抛光是用较细颗粒的抛光剂，所以微小切削作用可以在分子大小范围内进行。由于抛光模与工件表面相当吻合，因此抛光时切向力特别大，从而使玻璃表面凸凹的微痕结构被切削掉，逐渐形成光滑的表面。
下面给出机械磨削理论的主要实验依据。
（一）抛光后的零件重量明显减轻
零件抛光后重量明显减轻。通过实验测得，被抛掉的玻璃颗粒尺寸平均为1～1.2nm。
（二）抛光表面有起伏层和机械划痕
用氧化铈抛光，零件表面凸凹层厚度为30～90nm，用氧化铁抛光，凸凹层厚度为20～90nm。用电子显微镜观察玻璃表面发现：每平方厚米的抛光表面有3万～10万条深 0.008～0.07 的微痕，约占抛光总面积的10～20％。综上说明，抛光是机械作用的过程。
（三）抛光剂的粒度和硬度对抛光速率有重要影响
抛光剂直接作用于玻璃表面，其粒度和硬度对机械磨削作用都有重要影响。实验表明，抛光粉粒度直径在一定范围内，粒度愈大，抛光速率愈高，例如，当红粉( )颗粒大于0.34 而小于3 时，抛光速率与颗粒大小成正比。当颗粒直径大于3 时，不仅不能提高速率，反而使之降低。抛光剂硬度愈高，抛光速率愈高，如目前广泛使用的氧化铈抛光粉（ ）比氧化铁(红粉)的硬度高，所以前者比后者的抛光速率高2～3倍。
（四）抛光速率与压力、速度成线性关系
在抛光过程中，压力和相对速度在一定限度内，抛光速率与压力、速度近似成线性关系。因此，通过增加压力和转速可以显著提高抛光速率，高速抛光就是依此发展而来。
（五）磨料也能用作抛光剂
磨料很细而且加工压力很小时，也能作为抛光剂。如碳化硼( )和刚玉（ ），本属磨料，但其粒度直径为0．5 左右时，也能用于玻璃抛光。
综上可以说明，抛光过程机械磨削作用是基本的。但抛光的本质并不仅仅是微小切削作用，其理由是：
(1)如果抛光仅仅是机械磨削过程，那么，抛光速率应与玻璃硬度有关，愈软的玻璃，抛光愈快，反之则反。可是，这个结论不适用于硅酸盐玻璃 和所有硼酸盐玻璃(仅研究18种玻璃)。
(2)机械磨削理论，尽管得到普遍承认，但它不能解释各种化学因素对抛光速率所产生的重要影响。
二、化学作用理论
化学说认为：抛光过程是在玻璃表层、抛光剂，抛光模和水的作用下，发生的错综复杂的化学过程。主要是玻璃表面发生的水解过程。
纯粹的化学理论，力图把抛光过程都归结于化学作用，这当然是不全面的，但水解作用确实存在于抛光过程的始终，并起重要作用。
(一) 抛光介质水对玻璃的侵蚀作用
1、玻璃的亲水性
光学玻璃的表面结构和内部结构并不相同，表面结构往往处于不稳定状态，这是由于表面上每个金属阳离子所需要的氧离子数得不到满足，就出现不平衡，产生表面力。这个力决定了玻璃表面的张力和吸湿性，而最普遍最容易吸引的便是水。实验表明，水分子与玻璃表面的亲和力是相当大的，要从玻璃表面消除水迹，需要800℃的高温。因此，处于室温下的玻璃表面，很容易吸附空气中的水分。况且，光学零件在加工过程中，时刻在与水接触，这更加剧了水对玻璃的侵蚀作用——水解作用。
2、玻璃的水解反应
许多学者在研究水对玻璃的浸蚀作用时，基本观点是一致的。认为水与玻璃表面的硅酸盐发生反应，结果玻璃表面的碱金属或碱土金属溶解出来，生成氢氧化
物，使溶液变成碱性。同时玻璃表面形成硅酸凝胶薄膜，从而减缓了水的侵蚀作用。但由于硅胶层往往是多孔的或因龟裂而产生裂纹，于是在水溶液中的碱性离子 就会进一步侵蚀玻璃的网络内体，使玻璃主体遭致破坏，大量 转入抛光液中，一部分沉积在玻璃表面。
日本学者泽井等人通过实验证明：水能通过产生裂纹的硅胶层，继续向玻璃深层侵蚀，用流动的水作用于玻璃，然后用显微镜观察水对玻璃表面的侵蚀情况，研究结果表明：在玻璃表层上，首先生成折射率不同于玻璃的薄膜，此薄膜不断地增厚，而后发生剥落，露出新的表面，值得注意的是薄膜内部不断地产生与玻璃平行或垂直的裂纹，于是， 表面的侵蚀作用，通过裂纹继续向深层发展。特别是水解生成的 离子，对玻璃网络结构中的硅原子发生强烈的亲核进攻，使Si—O链断裂，加剧了对玻璃的侵蚀，特别是对耐水性差的玻璃尤其严重。
水对硅酸盐玻璃的侵蚀速度，在开始阶段决定于表面的水解速度，硅胶层形成后的侵蚀速度决定于水及碱金属离子通过薄膜的扩散速度，而扩散速度又取决于硅胶层的结构致密性及厚度。
玻璃表面在水的作用下发生水解，形成胶态硅酸层，在正常情况下，胶态硅酸层能保护玻璃表面，大大减缓侵蚀速度。但在抛光粉的作用下，胶层不断被刮去，露出新的表面又被水解，如此往复循环，构成抛光过程。因此，水解作用是非常重要的。如果用其它介质代替水时，抛光速度显著下降，这是由于这些介质不能进行水解反应。此外，水能使抛光粉均匀分布在抛光膜的工作表面上，同时水还有良好的冷却和洗涤作用。
（二）光学玻璃化学稳定性与抛光速度的关系
实验表明，玻璃的抛光速度与玻璃的硬度和软化点无关，而与化学稳定性有关。玻璃耐酸性与抛光速度关系如图5-1 所示。图中纵坐标是抛光速度，横坐标是将玻璃放在0.01mol/L硝酸中煮沸后重量减少的百分比。
由图5-1可知：玻璃腐蚀后重量减少愈多，抛光速度愈高。而硅酸盐和硼酸盐玻璃之间的差别，是由腐蚀层的硬度造成的，也就是说，未经腐蚀的玻璃，抛光速度与硬度无关，但经过0.lmol／L盐酸腐蚀的玻璃，抛光速度与表面硬度成直线关系，如图5-2所示。
图5—1玻璃耐酸性与 图5—2抛光速度与
抛光速度关系 表面硬度的关系
由此可以得出结论：玻璃是否容易抛光取决于表面水解后形成的腐蚀层，抛光速度则取决于破坏腐蚀层的难易程度。因此，稳定性不好的 (这是日本牌号，相当我国牌号 )玻璃最容易抛光，而稳定性好的 (日本牌号)等不易抛光，有些新型玻璃