光学玻璃的精密加工技术

精密制造与自动化2011年第3期报道与评述光学玻璃的精密加工技术洪 静 高国富 赵 波（河南理工大学 机械与动力工程学院 河南焦作454000）摘 要对光学玻璃的高效精密特种加工技术进行了分析。

对ELID法﹑激光加工﹑超声磨削以及精密铣削的最新研究进展进行了综述。

介绍了采用ELID技术和控制加工工艺参数，使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，实现了脆性材料的塑性加工，并得到精密光滑的表面；在加工非球曲面时，使零件的精加工抛光量降到最低。

采用激光加工技术通过增加预热激光束，极大地降低了已加工表面的热应力及拉伸应力，使得加工质量有了大幅度的提高。

通过选用适当的刀具和工艺参数，使被加工工件表面粗糙度值比普通磨削降低了30%～40%。

通过优化刀具﹑加工方式及工艺参数，提高了光学玻璃精密铣削的加工质量和效率，降低了加工成本。

关键词 光学玻璃 精密加工 延性模式光学玻璃常被用来制作侦查卫星照相机镜头，隐形雷达探照镜，高速飞行器窗口以及激光发射装置中的光学透镜，棱镜等超精密玻璃材料。

小到各类相机的镜头，大到天文望远镜的大型反射镜，都有光学玻璃的应用。

由于光学玻璃的广泛应用，传统的加工方法已不能满足精密加工的需要，尤其是对于加工非球曲面形状和具有小曲率半径的非球凹面零件，传统的加工方法加工较为困难且不能保证加工精度，不符合现代高科技发展的要求。

常用光学玻璃精密加工方法有：ELID法，这项技术通过使用超细微（或超微粉）超硬磨料用来制造砂轮，解决了超细微粒度砂轮应用中难以修整及磨削过程中容易堵塞的缺陷，由于基体材料是微量去除的，故在整个磨削过程中砂轮表面的磨粒始终保持锐利，实现了硬脆材料高精度，高效率的超精密磨削；激光加工光学玻璃是一种较新的精密加工方法，这种加工方式的突出优点是不产生切削力而且加工的热影响小，同时电脑编程与加工设备可紧密结合，特别适用于单件加工或小批量生产；超声磨削，是一种复合加工方法，主要特点是加工效率高、表面质量好、工具磨损小、成本低，特别适用于脆性光学材料的平面加工；在加工非对称且具有复杂功能表面结构的光学零件模具时，精密铣削加工因其独特的优点而受到重视，其突出的优点是提高了加工效率、尺寸精度稳定性好、加工过程可控性强。

1 光学玻璃精密加工技术光学玻璃超精密加工的技术难点在于，光学玻璃是一种典型的脆硬材料，其突出的特性就是材料脆性高，断裂韧性低。

用常规的加工方法，难以获得高的表面质量。

通过以下介绍的4种加工方法，可以看到这些精密加工方法的优点以及所能达到的加工精度和其最新的研究进展。

1.1 在线电解修锐法 (Electrolytic In-process Dressing，简称ELID法)光学零件的加工不仅要求精度高，加工表面超光滑，而且要求加工表面没有加工变质层。

在这样的加工要求下就产生了硬脆材料的延性方式磨削。

当每个砂轮磨粒切除的材料体积小到足以塑性流动而不产生脆性断裂即产生裂纹时，就实现了延性方式“无损伤”磨削。

日本学者大森整等人从1987年对铸铁纤维结合剂金刚石砂轮等的高强度金属结合剂的超硬磨料砂轮，开发了借用Electro1ytic ln-Process Dressing(ELID)的磨削法，利用ELID法在线修锐金刚石砂轮磨削硅片、陶瓷或其他硬脆材料可获得纳米级加工表面，实现了硬脆材料的超精密磨削，现在己成功应用于球面、非球面透镜、模具的1精密制造与自动化2011年第3期超精密加工。

英国Cranfield大学的精密工程研究所(CUPE)己研制出超精密三轴CNC磨床，能对小范围玻璃材料进行延性方式磨削。

日本学者宫下等人通过带有微量进给的立式平面磨床磨削水晶，工件的表面粗糙度达到了R p2 nm。

在超精密非球面加工机床上借助ELID磨削技术，加工光学玻璃BK7的非球面透镜，成功地达到面型精度优于0.2 μm，表面粗糙度R max20 nm，而对于稍软质的LASFN30和Ge等材料的非球面也得到了面型精度0.2～0.3 μm，表面粗糙度R max30 nm级良好镜面。

ELID磨削技术，作为非球面光学零件的实用制造技术，可使零件的最后抛光量减小到最小限度。

用ELID磨削光学玻璃，脉冲频率的大小也是十分重要的，在其他参数保持不变的情况下，脉冲频率较高时得到的被加工工件表面质量较好，但频率过高时反而会使表面质量下降，如果频率过低，表面质量则会明显的下降。

要使磨削过程中保持较好的出刃状态，要使氧化膜的状态薄且致密性适中，从而提高加工质量，应选择较小的电压。

1.2 激光加工激光加工是一种比较适用于单件和小批量加工工件的现代精密加工方法，其独有的优点是无接触、无切削力、热影响小、加工环境干净整洁。

在生产和试验中,已利用激光的高能量密度使玻璃局部瞬间熔化以至汽化来进行打标,内外雕刻、打孔、切割 ,或是利用热应力使材料内产生内裂纹并使裂纹沿规定的方向扩展而达到切割的目的。

在理论上，激光可将任何材料铣削至所要求的尺寸。

最新的一种加工方式是采用两束二氧化碳激光束进行加工，在这项研究中使用两束激光束进行加工，其中的一束是用来预热光学玻璃工件以降低温度梯度，另一束则用来加工工件。

预热激光束在加工激光束的前方，两束激光之间始终保持一个固定的距离。

加工中使用的工件为碳酸钙玻璃，试验分为有预热以及无预热两种情况。

结果表明，采用单束的二氧化碳激光束加工时（即无预热），工件表面温度的变化较为迅速。

尽管采用单束二氧化碳激光束与两束二氧化碳激光束都使工件表面达到适合的加工温度，但使用两束二氧化碳激光束加工产生的热应力为23.6 MPa大大低于单束二氧化碳激光束产生的热应力34.7 MPa。

同时，使用单束激光加工时产生的最大拉伸应力远大于使用两束激光加工产生的热应力。

故使用两束激光加工在提高加工质量的同时还可以有效地降低试件表面的热应力。

1.3 超声磨削超声磨削加工是把超声技术和磨削技术相结合的一种复合加工方法。

超声磨削包括超声研磨、超声研抛和超声珩磨。

超声磨削具有加工效率高、表面质量好、工具磨损小、成本低等优点。

采用超声磨削的方法加工脆性光学材料时工艺参数对表面质量影响较大，已加工表面粗糙度随着超声波振幅、切深和工具横向进给速度的增加而增大，随着超声波频率、磨粒粒度号和工具转速的增加而降低。

超声磨削的材料去除率很高，约为普通磨削的2～2.5倍，而且工具的磨损量很小仅为普通磨削的1/5～1/10。

在玻璃上进行超声研磨钻孔，随着磨料粒度的增加，加工表面质量的提高，边崩处的直径也随之增大，但是试件没有发现有热变形和内应力变形等加工缺陷。

超声波研抛属于超精密加工的范畴，可用作超精密加工的最后加工工序来保证被加工工件的尺寸精度和表面质量，其应用广泛，可加工各种硬脆材料，既可以加工平面也可以加工复杂曲面。

超声珩磨的加工表面与普通珩磨相比，磨削沟槽不仅宽底且平坦，网纹均匀，而且沟槽的顶部平整且不存在断续现象。

普通珩磨延性域加工临界磨削深度小于1.5 μm，而在超声珩磨时临界磨削深度可达3 μm，并且在较高的转速下取得的粗糙度值比普通珩磨高1～2级。

最新的一项超声磨削光学玻璃试验是对不同钻心形状的金刚石砂轮及不同型号的磨粒进行研究。

分别选用三种砂轮：1号是直角砂轮，钻心无槽；2号是顶端带有一定的倾角但钻心无槽的砂轮；3号是顶端直角且钻心带有两条槽的砂轮。

超声波加在砂轮上，不加超声时为普通磨削。

当进给速度低于0.03 mm/s，用超声磨削加工质量较好，而高于这个值时，普通磨削加工质量较好。

在所有条件下，用2号砂轮加工出的工件表面质量要比其他两种砂轮加工的表面质量高。

3号砂轮的磨粒比其他砂轮小，当进给速度大于0.03 mm/s时，用3号砂轮加工出的表面比1号砂轮好，但仍然次于2号砂轮。

这说明，较小的磨粒可能加工出较好的表面质量，但对表面质量影响最大的是刀具形状。

1.4 精密铣削及超声铣削用铣削的方式加工光学玻璃这种脆硬材料，并2洪 静 等 光学玻璃的精密加工技术3使其表面达到极高的精度看似是不可能的，可采用适当的设计方法使这种不可能变为现实。

根据Kevin Foy 等人的研究，在铣削加工中当刀具倾斜一定角度时，对加工表面质量的提高是非常大的。

当刀具倾斜一定角度时，选择适当的加工参数可使铣削加工一直处于延性加工模式之下。

对已加工表面进行观测发现已加工表面无任何裂纹，而且表面粗糙度R a 控制在60 nm 以下。

超声波铣削是近年来新兴的一种加工方法，特别适合硬脆材料复杂型腔的加工。

超声波铣削加工使用简单形状工具,在计算机控制下利用CNC 程序在X Y 平面内实现二维轮廓加工,同时在Z 轴方向上实现逐层进给,把复杂型面的成形加工转变为逐层去除加工。

磨粒在工具的3种运动的综合作用下 ,不断地锤击、冲击、抛磨和刮擦工件表面来完成加工。

通过铣削力的试验发现超声铣削的铣削力大大低于普通铣削，在加工中铣削参数和进给量对铣削力的影响较大，切削深度的影响较小。

与传统的超声波加工相比，超声波铣削大大简化了超声波加工工艺过程的控制，不仅提高了整个系统加工的柔性，而且还降低了加工成本，这种加工方式适合于中小型腔、薄型面、复杂曲线型面和组合型面的加工，采用超声波加工，可以缩短5倍的加工工时，所以说因解决脆硬材质加工而发展起来的超声波铣削加工，是加工光学玻璃的最好选择之一。

2 结语光学玻璃在加工中易产生切削过程不稳定及刀具严重磨损，为获得无微缺陷的高品质加工表面，需要精确控制加工条件以保证加工精度。

现阶段对ELID 磨削技术的研究，大多数是关于使用ELID 方法提高各种硬脆材料加工的加工质量，对于ELID 电解机制、氧化膜的生成、物理化学机械性能研究较少，而这些决定着ELID 磨削过程和质量。

此外，ELID 磨削过程的在线监控与优化以及磨削生产线试验加强研究等也是未来研究的重点。

由于磨削工具和工艺的复杂性，振动磨削的磨削机制一直是超声磨削加工技术研究和探讨的重点，超声加工过程中的影响因素较多，随机性较大，建立超声加工设备的自适应系统，以解决随机性问题也是研究关键之一。

激光加工的难点在于对激光束参数的控制，其与工件材料性能和切削参数密切相关。

激光器和计算机数控技术、先进的光学系统及高精度自动化的工件定位相结合，研制和生产加工中心，是激光加工发展的一个重要趋势。

由于我国的超精密铣削加工技术落后，超精密加工机床功能单一。

因此，对精密铣削加工表面形貌预测以及仿真来改进精密加工方法，提高工件表面质量和加工效率变得越加重要。

近年来超精密加工技术飞速发展，发展光学零件的超精密铣削加工技术，研制高性能超精密铣削加工机床的需求越加迫切。

对光学玻璃的各种精密加工方法的研究不仅是要提高加工表面的质量，还要研究如何减少工件表面残余应力的和亚表面裂纹的产生等，并简化加工工艺过程，提高加工效率和加工经济性。