基于硫系玻璃非球面抛光工艺研究
非球面超精密抛光技术研究现状_袁巨龙
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机
械
工
程
学
报Leabharlann 第 48 卷第 23 期期
本文对当前的非球面超精密抛光技术现状进 行综述。 文章第 1 节回顾了非球面抛光技术的发展； 第 2 节及第 3 节根据非球面超精密抛光技术的发展 脉络，分别阐述了当前采用柔性接触方式及非接触 方式的非球面超精密抛光技术的加工原理及加工实 例；第 4 节，从亚表面损伤、边缘效应等方面对几 种非球面超精密抛光技术做了比较；第 5 节，以提 高抛光精度与效率为目标，对非球面超精密抛光技 术的发展趋势进行了预测。
图1
超精密非球面抛光方法发展思路
2
2.1
柔性接触方式
新抛光工具 通过抛光工具的创新实现柔性接触抛光，代表
方法是气囊抛光。气囊抛光由伦敦大学学院光学科
月 2012 年 12 月
袁巨龙等：非球面超精密抛光技术研究现状
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学实验室(University College London-Optical Science Laboratory, UCL-OSL)和英国 Zeeko 公司 2000 年联 合提出，其抛光原理如图 2 所示[7]。其使用的抛光 工具是特制的柔性球冠状气囊，将其装于旋转的部 件上，形成封闭的腔体，腔内充入压力可控的低压 气 体 。 加 工 时 可 选 择 Zeeko-Classic Zeeko-Grolish
Abstract：The requirement of profile accuracy and surface quality for aspherical surface has become higher and higher with the expanding application range and raising application precision demand. As the finishing process, the ultra-precision polishing method for aspherical surface is drawing great attention from countries around the world. For improving the precision and efficiency of aspheric surface polishing, an understanding of the mechanisms of material removal in ultra-precision aspheric polishing, as well as the sub-surface damage imparted, is essential prerequisites. Historical progress of aspheric polishing techniques is plotted, and based on the development of aspheric polishing methods, the present advanced ultra-precision aspheric polishing methods are described with emphasis on the processing mechanisms and examples. The different ultra-precision aspheric polishing methods are compared in terms of sub-surface damage and edge effect. And aiming to high finishing accuracy and high efficiency, the probable further trend of ultra-precision aspheric polishing technology is forecasted. Key words：Aspherical surface Ultra-precision machining Polishing
硫系玻璃非球面透镜的模压温度与应力研究
硫系玻璃非球面透镜的模压温度与应力研究曹胜;朱勇建;范玉峰;王宇;焦洁;陈岁繁【摘要】在硫系玻璃模压成形技术中,为确定适宜工艺参数和降低残余应力,提高模具精度和玻璃表面成形质量,建立基于非线性有限元分析法的硫系玻璃非球面透镜的模压成形模型.采用二维轴对称模型分析,五单元的广义M ax w ell黏弹性模型作为输入模型,通过此模型研究非球面透镜在不同温度下的热量扩散和应力分布情况,并研究模压后非球面透镜表面位移、速度、温度和残余应力的关系;再用仿真结论指导试验完成,得出红外硫系玻璃IG5非球面透镜模压的适宜温度为315℃左右,压造时间为60 s.【期刊名称】《浙江科技学院学报》【年(卷),期】2018(030)005【总页数】9页(P412-420)【关键词】硫系玻璃模压;残余应力;IG5;模压温度【作者】曹胜;朱勇建;范玉峰;王宇;焦洁;陈岁繁【作者单位】浙江科技学院机械与能源工程学院,杭州310023;浙江科技学院机械与能源工程学院,杭州310023;浙江科技学院机械与能源工程学院,杭州310023;浙江科技学院机械与能源工程学院,杭州310023;浙江科技学院机械与能源工程学院,杭州310023;浙江科技学院机械与能源工程学院,杭州310023【正文语种】中文【中图分类】TQ171.63随着军工、检测等行业的迅猛发展，红外硫系玻璃非球面透镜的应用日益广泛[1]。
硫系玻璃的透红外性能和成玻能力较好，故广泛应用于夜视系统中[2]；非球面透镜相对于球面透镜成像质量更高，容易调整光学像差，便于优化光学系统结构[3]。
非球面的传统研磨加工方式生产周期长、效率低、成本高，而玻璃模压成形技术(glass molding process, GMP)是在高温无氧环境下，玻璃呈现黏弹性状态，在模具型腔中进行压造作业，然后玻璃透镜在适宜的温度下退火冷却，冷却后即可投入使用。
但是，模压成形制造技术对模具要求极高，运用试错法反复制造模具的方式成本极高。
小口径双非球面硫系玻璃镜片精密模压成型实验研究
小口径双非球面硫系玻璃镜片精密模压成型实验研究唐昆1，孔明慧1，朱勇建2，陈逢军3，毛聪1，张明军1(1.长沙理工大学工程车辆轻量化与可靠性技术湖南省高校重点实验室，湖南长沙410114；2.浙江科技学院机械与汽车工程学院，浙江杭州310023；3.湖南大学机械与运载工程学院，湖南长沙410082)摘要:为实现小口径双非球面硫系玻璃镜片的精密模压成型制造，通过正交模压成型实验，研究了相关工艺参数对成型镜片质量的影响规律。
首先，介绍了模压成型过程和用于实验的PFLF7-60A 型多工位模压成型机床，并根据非球面曲线公式设计了目标镜片。
然后，选定了一种环保型硫系玻璃IRG205，通过VFT 方程拟合了玻璃粘度与温度之间的关系，确定了模压温度，并对各工位实验参数进行了设置。
最后，利用无镀膜模具及球形预形体进行了正交模压成型实验，分析了实验条件下模压温度、加压载荷及保持压力等成型工艺参数对镜片成型质量(形状精度PV 、表面粗糙度Ra 及轮廓偏移量)的影响规律，并获得了优化的成型工艺参数。
结果显示：在优化的工艺参数下，成型镜片ASP1和ASP2的PV 值分别为129.2nm 和174.8nm ，Ra 值分别为19.6nm 和25.6nm ，轮廓偏移量分别为0.614μm 和2.682μm ，基本满足镜片高精度应用的要求，为小口径双非球面硫系玻璃镜片的高精度批量制造提供了参考和依据。
关键词:硫系玻璃；小口径双非球面；模压成型；模压温度；加压载荷；保持压力中图分类号:TG376.2；TN213文献标志码:ADOI :10.3788/IRLA201847.0418006Experimental study on precision molding of small dual asphericalchalcogenide glass lensTang Kun 1,Kong Minghui 1,Zhu Yongjian 2,Chen Fengjun 3,Mao Cong 1,Zhang Mingjun 1(1.Key Laboratory of Lightweight and Reliability Technology for Engineering Vehicle,Education Department of Hunan Province,Changsha University of Science and Technology,Changsha 410114,China;2.School of Mechanical and Automotive Engineering,Zhejiang University of Science and Technology,Hangzhou 310023,China;3.College of Mechanical and Vehicle Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China)Abstract:In order to realize the precision molding of small dual aspherical chalcogenide glass lenses,the influence of the relevant process parameters on the quality of molded lenses was studied by orthogonal molding experiment.Firstly,the molding process and the PFLF7-60A multi⁃station molding machine were introduced,the target lens was designed according to the aspheric curve formula.Secondly,an environmentally friendly chalcogenide glass IRG205was selected,and the relationship between the viscosity and temperature of the glass was fitted by the VFT equation,then the molding temperature was收稿日期:2017-11-19;修订日期:2017-12-22基金项目:(51405034);(2015JJ3014);(15C0039);(2017kfjj06)作者简介:(1980-),,,,,、。
一种加工硫系玻璃的方法与流程
一种加工硫系玻璃的方法与流程Processing sulfur glass is a meticulous and intricate task that requires a specific set of methods and procedures. 加工硫系玻璃是一项需要特定方法和程序的细致复杂的任务。
First and foremost, it is essential to gather all the necessary materials and equipment needed for the processing of sulfur glass. This includes sulfur, a glass substrate, a furnace, protective gear, and various tools for shaping and manipulating the glass. 首先，必须收集进行硫系玻璃加工所需的所有材料和设备。
这包括硫、玻璃基板、熔炉、防护装备以及各种用于塑形和操纵玻璃的工具。
The process of melting sulfur and shaping it into glass requires extreme caution and precision due to the high temperatures involved. It is crucial to carefully monitor the temperature of the furnace and ensure that the sulfur is melted evenly to prevent any inconsistencies in the final glass product. 融化硫并将其塑形成玻璃的过程需要极度谨慎和精确，因为涉及到高温。
必须仔细监控熔炉的温度，确保硫均匀融化，以防止最终玻璃产品中出现任何不一致。
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基于硫系玻璃非球面抛光工艺研究韩侗睿;付秀华;贾宗合;张馨心【摘要】硫系玻璃非球面透镜具有优异的红外光学性能,分析了硫系玻璃材料的光学和热力学特性,针对硫系玻璃质软,热膨胀系数大,依据自适应迭代驻留时间算法理论,采用数控气囊式抛光对?50mm硫系玻璃非球面透镜进行抛光.通过正交试验确定了透镜在抛光过程中的气囊抛光头旋转速度、气囊充气压力值、氧化铈抛光液浓度等工艺参数,再使用带有聚氨酯抛光垫的气囊对透镜进行多次抛光,并检测其面形图.最后通过分析对比实验,在实验基础上改用金刚石微粉作为抛光液,对透镜进行最后阶段的面形修正抛光,其表面粗糙度Ra值为9.28nm,PV值为0.6097μm,表面疵病B为Ⅲ级.%Chalcogenide glass aspheric lens has an excellent infrared optical property. In this paper,the optical and thermo dynamic properties of chalcogenide glass materials are analyzed. The chalcogenide glass is soft and has a big thermal expansion coefficient. Based on the adaptive iterative dwell time algorithm theory,50mm chalcogenide glass aspheric lens is polished by numerical control ballonet polishing. Through the orthogonal experiment,the polishing process param-eters of chalcogenide glass aspheric lens are determined. The lens is polished several times and its surface is examined by Profilometer. Finally through analysis of comparative experiments,the Chalcogenide glass lens is polished by using diamond powder. The surface roughness Ra value is to 9.28nm,PV value is to 0.6097μm,the surface defects B is to III.【期刊名称】《长春理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(040)006【总页数】5页(P60-64)【关键词】硫系玻璃非球面透镜;气囊式抛光;工艺参数;表面粗糙度【作者】韩侗睿;付秀华;贾宗合;张馨心【作者单位】长春理工大学光电工程学院,长春130022;长春理工大学光电工程学院,长春130022;长春理工大学光电工程学院,长春130022;长春理工大学光电工程学院,长春130022【正文语种】中文【中图分类】TH706随着红外热成像系统在军事和医疗中需求的不断扩大，硫系玻璃是全光开关的首选材料，广泛用于无热化设计、光导纤维、高功率CO2激光传输等光学尖端科技领域［1］。
目前，硫系玻璃是能够代替单晶锗，用于红外光学系统的低成本材料之一，其原料成本是单晶锗的1/3，具有良好的红外透过率、极低的折射率温度热系数和色散性能。
由表1可知，硫系玻璃热膨胀系数大，导致材料受温度梯度应力影响大，面形随温度变化显著，抗断裂性能差，材料易炸裂；硬度低，导致材料去除速率大，面形调整变化快，抛光表面容易产生划伤，这些特性都阻碍了红外光学零件的普及发展，所以，光学零件硫系玻璃的加工制造工艺制约了其广泛应用，尤其是对于大于ϕ50mm口径硫系玻璃非球面透镜而言更是如此。
硫系玻璃由元素周期表中第VIA族的S、Se、Te三种元素与其它如Ge、Ga、As、Sb等金属元素形成的一种红外透明玻璃，折射率较低（2.0～3.0），密度为4.41g/cm3，外观颜色为黑灰色，硫系玻璃是低光子能量材料［2］，因此其在红外波段1.5～14μm均有较高的透过率，其玻璃体系为Ge-As-Se、As-Se、Ge-Sb-Se、As-Se-Te。
硫系玻璃透镜常用的加工方法包括：机械抛光技术、单点金刚石车削技术及模压技术等［5，6］，单纯机械抛光技术易划伤玻璃表面，单点金刚石成本昂贵，并不适用于批量生产，而模压技术常常加工ϕ30mm口径以下的硫系玻璃，非球面还需单独制作模压工具，而且表面疵病等级较高。
所以本文以ϕ50mm透镜为例，提出用柔性气囊式抛光方法，提高加工效率、降低透镜表面疵病等级和表面粗糙度。
表1 硫系玻璃与其他典形光学材料物理特性对比材料硫系玻璃单晶锗Ge硫化锌ZnS单晶硅Si硒化锌ZnSe金刚石C K9玻璃ZF6玻璃微晶玻璃热膨胀系数10-6/°C 17 5.9 7.0 2.5 7.6 0.8 8.2 8.3 0.09热导率w/(mk)0.2 60 19 163 28 200 1.6杨氏模量(Gpa)18 150 100 130 67 1050 792 547 92努普硬度Kg/mm-2 180 850 250 1150 150 9000 595 525 550目前，模压技术是加工小口径硫系玻璃光学元件的一种较为成熟的工艺方法。
美国学者Y.Guimond采用模压高精度成型工艺，使硫系玻璃GASIR系列直接被制成高品质球面、非球面和衍射光学元件。
近年来，优美科公司利用高精度模压成型工艺批量生产了小口径高精度硫系玻璃光学元件，表面粗糙度Ra值为10nm，表面疵病B为Ⅳ-Ⅴ级。
但是对于中、大口径硫系玻璃来说，采用模压技术很难降低透镜的表面粗糙度和表面疵病等级，因此本文以ϕ50mm透镜为例着重对降低硫系玻璃透镜的表面粗糙度和表面疵病等级进行研究。
1 数控气囊式抛光技术原理由于硫系玻璃表面较软，采用常规的加工方法很难提高其表面光洁度，本文采用柔性气囊式抛光方法对透镜的加工工艺进行研究。
图1显示了气囊式抛光模型，使用特制的柔性球冠状气囊作为抛光工具，并将其装于旋转的部件上，形成封闭的腔体，在腔内充入压力可控的低压气体。
气囊上粘贴聚氨酯抛光垫，氧化铈为抛光液。
数控气囊式抛光使用自适应迭代（self-adaptive iterative，简称SAI）驻留时间算法［3］，其接触面积的大小是由气囊工具与工件之间的z-偏移量控制，使气囊与工件表面接触、压缩，形成一个确定的抛光点。
刀具旋转轴线的倾斜角度（称为“进动角”）为10°～25°。
对于接触区，刀具轴对工件表面的进动以离散步骤进行。
数控气囊式抛光的材料去除模型由著名的preston方程导出，如下式所示：图1 气囊抛光模型式中，Δh(x,y)是单位时间内材料的去除率，K是preston常数，p(x,y)是气囊与工件接触区的压力分布，V(x,y)是刀具和工件之间的相对速度。
气囊式抛光是一种确定性抛光技术，气囊式抛光中H(x,y)是去除的物质量等于单位时间R(x,y)和驻留时间函数D(x,y)和运动轨迹之间的材料去除函数之间的二维卷积，⊗代表卷积，并且可以表示为：因此，表面残余误差E(x,y)在气囊式抛光过程可以表示为：其中，H0(x,y)是所需的材料去除，H0(x,y)是离散为n×m 矩阵，以 D(x,y)，H(x,y)和 E(x,y)。
R(x,y)是在其中的一个停留点(xi,yi)，它会停留在预先计算每个时间点实施所需的材料去除。
对于这个问题，引入一个修正系数使阻尼因子变得自适应。
在这驻留时间算法，对去除函数表示为VR是用来确定初始的驻留时间和校正的驻留时间的体积去除率，定义为：最初的驻留时间矩阵D0可以表示：和表面的残余误差矩阵E0后抛光过程中使用D0可表示为：几个计算迭代将使用以前计算的表面误差阵列执行，直到预测的剩余误差足够小。
H0被处理为非负且可以确保所获得的停留时间是非负的，并用表示。
表2 硫系玻璃非球面透镜参数2 硫系玻璃非球面透镜气囊式抛光的表面粗糙度实验研究以加工ϕ50mm硫系玻璃非球面透镜为例来研究气囊式抛光的工艺技术，其面形方程、参数如表2，该透镜材料为国产硫系玻璃IRG205［4］，组成成分为Ge28Se60Sb12，v10.6=97.3，n10600=2.6030，Tg=285℃，透过波段为0.5μm～17μm。
要求表面粗糙度Ra小于15nm，PV值小于1μm、表面疵病B为Ⅲ级。
2.1 确定抛光工艺参数工艺参数包括：气囊抛光头旋转速度、气囊充气压力值、抛光液的浓度和驻留时间，针对上述透镜参数要求进行逐一优化。
具体研究方案如表3所示，抛光驻留时间设定为3s，对其余三个不同工艺参数分别相互组合，需要进行27组实验，采用正交试验可寻求最优水平组合、减少试验次数，是一种高效率试验设计方法。
因此，选用正交试验法，从27组试验中选出具有代表性的参数组合进行试验。
表3 抛光影响因子的不同取值影响因子1 2 3 A充气压力（kPa）15 20 25 B气囊抛光头转速（r/min）650 850 1050 C抛光液浓度（%）5 10 15根据正交试验法特点：任意一列，不同数字出现的次数相等；任两列，同一横行所组成的数字对在试验中只出现一次［7］。
因此，可从27组中挑出9组进行代表性试验，如表4所示。
试验过程：将铣磨完成后的透镜固定在设计好的工装夹具上，调整好同轴度。
然后进行表4中的9组试验，抛光液主要成分为氧化铈，每组各抛光60min，并记录对应的粗糙度值。
如表4，极差决定了A、B、C三组工艺参数对试验（表面粗糙度）影响的主次关系，分别是：气囊抛光头转速＞充气压力＞抛光液浓度。
表4 硫系玻璃非球面透镜正交试验正交实试方案组数A充气压力（kPa）B气囊抛光头转数（r/min）C抛光液浓度（%）实试结果表面粗糙度(nm)15 15 15 20 20 20 25 25 25 103.37 95.36 104.39 9.03 1 2 3 4 5 6 7 8 9 650 850 1050 650 850 1050 650 850 1050 89.69 99.12 114.32 24.63 5 10 15 10 15 5 15 5 10 106.98 100.97 103.83 6.01 39.35 73.21 197.56 153.41 37.62 95.06 76.31 186.54 50.34-kA(nm)-kB(nm)-kC(nm)R图2 三个工艺参数对表面粗糙度影响曲线是A、B、C三个工艺参数在不同取值下对表面粗糙度的影响，如图2所示，表面粗糙度越小，实验效果越佳，即所在柱状图中位置越低。