平面光学元件的加工技术

平面光学元件的加工技术

浙江大学光电系曹天宁

宁波华光精密仪器公司周柳云

光学平面零件包括棱镜、平行平面板、平面反光镜、平晶、光楔、光盘片基、滤光片、波片、倍频器等等。其大小从φ1mm到φ1000mm,材料主要是光学玻璃,有时是光学晶体,为了达到高精度与高效率,采用技术方法很多,有铣磨、精磨、研磨、抛光、分离器抛光、环抛、水中抛光、单点金刚石飞切(SPDFC)、计算机机控制小工具抛修(CCP) 、离子抛光等等。

从机理上考察,可以归纳为三类基本方法

一、范成法形成平面

特点是依靠机床的精确运动形成平面包络面,对机床精度要求高.如用筒状金刚石磨轮铣磨平面,按正弦公式当α=0时,R=∞范成了片面(生产上为了排屑排冷却液方便, α有一个小量,表面微凹)。单点金刚石飞切也是依靠高速旋转的轴与飞刀作直线运动的工作台垂直而范成了平面.工具与工件的加工接触为线接触。

二、轮廓复印法或母板复制法

这种复制法与光栅复制法不一样,在复制过程有磨削研磨、抛光过程。采用精磨模、抛光模(固着磨料抛光模与柏油抛光磨)加工的均属于这一类.工具与工件的接触为面接触。

三、小工具修磨法

计算机控制抛光(CCP)离子束抛光与手修属于这一类,逐点抛修,边检边修,精度可以很高，对局部修正非常方便.工具与工件的接触为点接触。

(一) 、铣磨成型光学平面元件

我国QM30、PM500、XM260研磨机直到NVG-750THD型双轴超精密平面磨床等大型平面铣磨机利用范成法原理高效铣磨出平面,而且可以采用适当的金属夹具,将角度修磨变为平行平面的铣磨.机床磨轮轴与工件的平行度、轴向经向跳动影响棱镜的角度精度.铣磨成型是光学平面元件毛胚加工的主要技术方法之一。

图一就是PM500铣磨平面的范成运动,图二就是改进的QM30铣削平面的范成运动。

图三是大型的NVG-750THD型双轴超精密平面磨床。

图三. 大型双轴超精密平面磨床

(二) 、光学平面的磨削、研磨与抛光

重点在于加工出高精度光学表面面型(N、△N),磨削、研磨与抛光的运动形式很多,但其特点是一样的,光学平面精度的获得不主要依靠机床的精度,而主要依靠母板的精度的传递,应该重点研究与把握三个机理。

1、轮廓复制法

2、母板的产生、保持与修复

3、三块平面的对磨与修正

平面精磨模要用金属平磨来修磨,金属平模就是母板,低速环抛机的校正板是母板,高速环抛机的聚氨酯抛光盘修正好后也成了母板.母板最原始最基本获得的办法是三块平模的对磨与相互修正.研磨(精磨)与抛光过程就是母板的精度的保持、破坏与修复过程.精磨模、聚氨酯抛光模与固体磨料抛光模接近刚体,比较好满足抛光方程要求,所以母板面型保持的时间长,适合高效加工要求。柏油抛光模塑性大,不满足抛光方程要求,柏油模在抛光过程一直处于破坏与修复过程,是古典抛光的特点,效率低,精度高,并且表面粗糙度好。

1、平面的高速精磨与抛光

这是平面的高效的加工的基本方法。例如,在JM030.3、三轴精密精磨抛光机床(φ300)与PLM400平面精磨机(φ500)(图4、图5),采用高速高压、固着磨料精磨模、固着磨料抛光磨与聚氨酯抛光模等,并采用合理的工艺参数(速度、压力、工具大小、摆幅、供液量、液温等),可以达到定时定光圈定表面质量的目的.精磨模与抛光模是工作母板,而合理的工艺参数修工作母板不容易破坏,因而可以较长时间保持面型,维持正常生产。

图四.JM030.3三轴精磨抛光机

2、高速环型抛光法

HPM60、80、100及JP650型环型抛光机的抛光盘直径为600、800、1000及600mm.

工件可以为平面,也可以为棱镜组合光胶镜盘或金属夹具组合棱镜镜盘.由于HPM机型采用变频调速,软启动,软停止,运动平稳,低噪音使用更为方便。

这类机床的工作原理也是母板复制法,要求底盘具有高的平面性,工作盘有时常修正环或分离器,主轴转速高15-85rpm，通常用聚酸脂抛光片加抛光悬浮液抛光.显然修好聚酸脂光盘的平面性是一个关键，可以用平面金属模来修正也可以用金属修正环来修正，这种方法是中等精度的高效加工方法.

图六a.JP560环抛机示意图

图6b.JP560环抛机

图六c.HPM100环型平面研磨抛光机

3、低速环型抛光法

高精度的平面(如平晶或薄型平面)适合用低速环型抛光法。这种方法也是母板复制法,由于工作母板(柏油抛光盘)具有可塑性,是边抛光边修正的,校正板起保持与修正作用,而速度、压力也起保持与修正作用.

⑴低速环抛法的原理

根据Preston抛光方程.对工件平面上任意一点M(x,y)(图六)的抛光量h(x,y)为

h(x,y)=A∫T O P(x,y)V(x,y)dt

式中,P －M(x,y)点的瞬时压强 V(x,y)－M(x,y)点的瞬时速度 T －加工时间

A －与加工过程有关的工艺系数 V －(x,y)作如下分析: 2

1

),

(v

v y x v -=, V 1=R i ω 1, V 2=r i

其瞬时速度中心在M 0时, → V 1(x,y)=0, V 1=ω 1, V 2=(R

0+e),

212

0ωωω-=

e R

当ω1→ω2时，当R 0→∞，产生平动，速度趋于均匀。

当推动平面的着力点接近接触面时，压力也趋于均匀，从而获得了均匀抛光（磨损）的条件。

热变形是精密加工时要关注的问题，由于抛光热使平行平面工件产生厚度方向的温度线性分布，用△t 表示，设工件外经为D ，厚度为d ，工件材料的热膨胀系数为α，则平面变成球面性变形，求面的矢高为h ，则

h=D 2α△t/8d

如工件材料采用微晶玻璃或石英玻璃，则热变形很小。

⑵ 低速环型抛光法的工艺参数及工艺装备

以浙江大学1984年机械部签定通过的RP-1000环型抛光机（图七A ），南京利生光学机械责任有限公司HPM150型环型机是低速环抛机（图七B ）为例讨论参数。

图七a 、RP-1000环型抛光机（照片）