非球面光学零件的超精密加工技术
非球面加工技术
3.2 非球面抛光方法
在长期的科学研究和生产实践中，人们发明了许多抛光方法来实现非球面抛光。目前，常用的非球面抛光方法主要有以下几种：
3.2.1
常用的研磨抛光包括古典的低速抛光和现代的高速抛光[12]，是最古老的目前仍在广泛采用的一种抛光方法。它是在被抛光工件表面和抛光盘之间加入抛光液，利用抛光盘与工件表面的相对滑动，借助抛光液与工件表面机械化学和物理作用实现对工件表面的抛光。
目前，光学非球面加工存在这样一种趋势，即以CCOS为技术基础，向光学CAD/CAM乃至CIMS发展，并变得更加高效、低耗和非专家可操作。预计在本世纪CCOS技术将在整体上成为大尺寸脆性材料非球面零件的主要加工手段[26]。
计算机控制抛光也存在着不可避免的问题：
（1） 计算机控制抛光技术要求抛光模在加工过程中能够适时变形以始终保持与工件表面的吻合。但是由于抛光模材料的磨损和流动速率低于抛光模运动速率，抛光模与工件表面也常常是不吻合的。所以，实际的抛光过程只是局部符合计算机控制抛光的基础原理。
到了80年代中后期，随着计算机和精密测量技术的飞速发展，CCOS技术也得到了进一步的完善。Itek公司对9台CCOS设备的数控单元进行了改造，采用了直流伺服加位置反馈控制技术，前台操作采用VAX- II小型机联网管理并配有与CAD系统的接口[22，23]。改造后的CCOS系统的计算速度和精度都得到了大幅度提高。从长远观点来看，Itek公司此举的目的是要把CCOS发展成为CAD/CAM一体化、非专家可操作的先进光学制造系统。但到目前为止，这一目标还没有实现，最大障碍是由于光学制造工艺的复杂性使得建立准确、全面描述加工过程的数学模型变得异常困难。
非球曲面的超精密加工系统的研究
摘要非球面光学零件可以获得球面光学零件无可比拟的良好的成像质量，在光学系统中能够很好的矫正多种像差，改善成像质量，提高系统鉴别能力，它能以一个或几个非球面零件代替多个球面零件，从而简化仪器结构，降低成本并有效的减轻仪器重量。
可广泛应用于各种现代光电子产品，几乎在所有的工程应用领域中，无论是现代国防科技技术领域，还是普通的工业领域都有着广泛的应用前景，开展光学玻璃非球面零件的高精密光学技术研究具有重要的理论意义和现实指导意义。
本次设计研究内容为非球曲面的超精密加工系统的研究，非球曲面的超精密加工工艺的研究。
重点内容是非球曲面加工超精密磨削装置的设计，主要为砂轮主轴装置的选取，中心高位调机构的设计，各个运动的传动设计以及砂轮运动轨迹的分析。
在研究过程中详细的分析了影响零件加工精度的各种主要因素并提出相应的控制措施，尤其是对非球曲面的磨削加工设备进行详细设计，并简要分析了非球曲面加工机床的数控及伺服控制系统等。
关键词：非球曲面；超精密加工；微调机构；金刚石砂轮AbstractThe aspheric optical parts can get good image quality, good optical system correction of various aberrations, to improve the image quality, and improve the system ability to identify it to one or several non-spherical spherical optical parts unparalleledparts instead of a number of spherical parts, thus simplifying the instrument structure, reduce costs and reduce instrument weight. It’s widely used in many realms, such as national defense, machine chemical and aviation. It’s very useful to develop the grinding theory and important practical significance to study the high precision grinding methods about the optical glass aspheric surface parts. This article discussed in the ultra-precision grinder, the CNC operation program,and the aspheric surface optics parts’grinding craft. The center height micro-adjusting mechanism and the drive system. In the process of the research, we analysis it detailed that the main factor influence the process precision of the parts, and make something to solve it, especially for the precision grinding equipments, and analysis it simplify for the precision machine tool for aspheric surface optics parts and the servo-control system and the other technology.Key words: the aspheric surface; ultra-precision machining; the micro-adjusting mechanism; diamond wheel目录摘要 (I)目录 (III)第1章绪论 (1)1.1非球面加工的优点和意义 (1)1.2非球曲面研究概述 (1)1.2.1 非球面的定义 (1)1.2.2 非球面应用领域 (2)1.2.3 非球曲面加工技术近年来发展概况 (2)1.2.4 非球曲面加工的发展趋势和研究方向 (4)1.3 非球面光学零件材料及其加工方法 (4)1.3.1 计算机数控单点金刚石技术（SPDT） (5)1.3.2 超精密磨削技术 (5)1.3.3 计算机控制光学表面成型（CCOS）技术 (5)1.3.4 光学玻璃模压成型技术 (6)1.3.5 光学塑料成型技术 (6)1.3.6 其他非球面加工技术 (6)1.4非球面精密磨削加工理论 (6)1.4.1 微量加工理论 (7)1.4.2 脆性材料的延性域磨削 (8)第2章超精密非球面加工方案选择及误差分析 (10)2.1 超精密非球曲面磨床的总体布局 (10)2.1.1 空气主轴系统 (10)2.1.2 伺服进给系统 (11)2.1.3 微位移测量系统 (11)2.1.4 中心高微调系统 (11)2.1.5 数控系统 (11)2.2 非球曲面磨削方案的确定 (12)2.2.1加工零件的技术参数 (13)2.2.2 非球曲面磨削方案确定 (13)2.3 加工误差分析 (14)2.3.1 中心高微调机构对零件加工精度的影响 (15)2.3.2 在X轴上砂轮安装误差对零件加工精度的影响 (17)2.3.3 砂轮半径误差对零件加工精度的影响 (18)2.3.4 X∆综合作用时对零件面形精度的影响 (19)∆及R第3章非球面磨削装置设计 (21)3.1 超精密加工的关键技术 (21)3.1.1 超精密主轴 (21)3.1.2 超精密导轨 (21)3.1.3 传动系统 (22)3.1.4 超精密刀具 (22)3.1.5 超精密加工其他技术 (23)3.2 传动系统设计 (23)3.2.1 磨削参数的计算 (23)3.2.2 导轨的整体设计 (24)3.2.3 传动参数的计算 (25)3.3 磨削系统设计 (25)3.3.1 系统结构设计 (26)3.3.1 中心高微调机构设计 (27)3.3.2 砂轮主轴的选择 (28)结论 (31)致谢 (32)参考文献 (33)CONTENTSAbstract (I)CONTENTS (III)Capter 1 Introduction (1)1.1 The meaning of the processing of aspheric surface (1)1.2 The introuduction of the aspheric surface’s research (1)1.2.1 Definition of aspheric surface (1)1.2.2 Application of aspheric surface (2)1.2.3 The development of aspheric surface in recent years (2)1.2.4 Aspheric pricesssing trends and research directions (4)1.3 The parts’ material and the processing method (4)1.3.1 Computer-controlled single-point diamond technology（SPDT） (5)1.3.2 Ultra-precision grinding technology (5)1.3.3 Computer Controlled Optical Surfacing（CCOS） (5)1.3.4 Optical glass compression molding technology (6)1.3.5Optical plastic molding technology (6)1.3.6 Other processing technology (6)1.4Aspheric surface precision grinding theory (6)1.4.1 Trace processing theory (8)1.4.2 Ductile-regime grinding of brittle materials (8)Capter 2 Ultra-precision aspheric processing alternatives and error analysis.. 102.1 Ultra precision aspherical surface grinding machine layout (10)2.1.1 Air spindle system (10)2.1.2 S ervo feed system (11)2.1.3 Micro-displacement measurement system (11)2.1.4 Center high tuning system (11)2.1.5 Numerical control system (11)2.2 Aspherical surface grinding scheme (12)2.2.1 Processing part of the technical parameters (13)2.2.2 Aspherical surface grinding scheme (13)2.3 Processing error analysis (14)2.3.1 Center high fine-tuning mechanism on the impact of cuttingaccuracy (15)2.3.2 In the X axis on the wheel on the impact of cutting accuracy (17)2.3.3 Wheel radius error on the part of machining precision (18)2.3.4 Both X∆on the part (19)∆and RCapter3 Aspheric tooling design (21)3.1 Ultra-precision machining technology (21)3.1.1 Ultra-precision spindle (21)3.1.2 Ultra-precision guide (21)3.1.3 Drive system (22)3.1.4 Ultra-precision cutter (22)3.1.5 Other technology (23)3.2 Transmission System Designing (23)3.2.1 Grinding parameters (23)3.2.2 The overall design of the Rails (24)3.2.3 Calculation of transmission parameters (25)3.3 Grinding systems design (25)3.3.1 System architecture design (26)3.3.1 Center high micro-adjusting mechanism design (27)3.3.2 Wheel spindle design (28)Conclusion (31)Thanks (32)References (33)第1章绪论1.1非球曲面加工的意义和优点非球面技术应用于光学零件，相对于球面而言，具有许多优点，它可以消除球面镜片在光传递过程中产生的球差、慧差、像散、场曲及畸变等诸多不利因素，减少光能损失，从而获得高质量的图像效果和高品质的光学特征。
非球面镜片的精密加工;光学镜片的加工及检测
三、加工辅料
磨料 黏合剂 冷却液 抛光粉 抛光模层材料 清洗材料 抛光后的防护
磨料
磨料的分类和国内外磨料代号
磨料
人造金刚石
棕刚玉
刚玉
白刚玉
单晶刚玉
黑碳化硅
碳化物 绿碳化硅
碳化硼
氮化硼 立方氮化硼
中国 JR GZ GB GD TH TL TP LDB
美国
A 38A 32A 37C 39C B4C CB
国内金刚砂的粒度表示方法
标准号
60 70 80 100 120 150 180 210 280 W40 W28
尺寸/um
315~250 250~200 200~160 160~125 125~100 100~80
松香蜂蜡胶上盘法
优点是操作简便，缺点是平行度精度不高，也不适用于面形精度 要求较高的薄片。
荷重 工件 粘结模
工件 粘结模
方法一
方法二
2.3 上 盘
点胶上盘法
优点是可获得较好的面形和平行度。缺点是承受不了高速高压 的加工条件，易“走动” 。
工件 软胶点 粘结模
工件 火漆点 粘结模
软点胶粘结
硬点胶（火漆）粘结
2.3上 盘
浮胶上盘法
优点是工件和粘结平板都不 需加温，工件可达到较高的平行 度和面形精度，缺点是承受不了 高速高压的加工条件。
光胶上盘法
优点是平行度和平面度均可达到 很高的精度。缺点是对光胶面表面 疵病等级有一定影响，怕剧烈震动 和骤冷骤热。
工件 粘结胶 玻璃垫板
工件 防水涂层 玻璃垫板
单点金刚石车床
机床特点：超精密单点金刚石车床具有超精密加工的特点，利用计算机数控单点金刚石车削技术，非球面光学零件加工技术。
在超精密数控车床上，采用天然单晶金刚石刀具，在对机床和加工环境进行精确控制条件下，直接利用金刚石刀具单点车削加工出符合光学质量要求的非球面光学零件。
单晶金刚石刀具与有色金属亲和力小，其硬度、耐磨性以及导热性都非常优越，且刀具刃口极为锋锐，刃口半径为0.5～0.01um，车削时金刚石刀具与工件单点或接近单点接触，切削深度多在lnm至数微米加工元件表面粗糙度可达纳米级，面形精度可达λ/10量级，口径最大可达到400mm,可加工各种高精度平面、球面、非球面及离轴元件和自由曲面元件。
可加工铜、铝、单晶锗、硒化锌、树脂、PMMA等材料。
在三轴联动模式下还可加离轴元件、柱面、子午面等非回转对称元件和自由曲面；配以特殊刀具可以实现微结构元件的加工，如各种衍射元件和菲涅尔透镜等。
机床设计特点● PA开放式操作系统；●天然花岗岩基座，保证机床长久稳定性；●超精密高刚性空气静压主轴；●超精密液体静压导轨，具有较好的刚性和阻尼性；● X/Z轴均采用直线电机驱动，全闭环控制；●气浮支承隔振系统最大的减少外界振动干扰；主要技术指标：（1）Z轴最大行程： 210mm直线度： 0.2μm/100mm定位精度 0.5μm±0.5μm×Lmm/100mm重复定位精度： 0.3μm分辨率： 10nm最大进给速度： 20mm/s（2）X轴最大行程： 210mm直线度： 0.2μm/100mm定位精度 0.5μm±0.5μm×Lmm/100mm重复定位精度： 0.3μm分辨率： 10nm最大进给速度： 20mm/s（3）C轴高精度气浮轴承回转精度 0.1μm转速 0-3000rpm转角定位精度 30″转角重复性定位精度 10″联系电话：133****9700联系人：刘红兵电话：************传真：************邮件：*************我们以最优惠的价格提供单点金刚石车床，我们不仅仅是提供仪器，更注重售后服务和技术支持！也提供全套符合客户需求的解决方案！欢迎全国客户提供产品样品测量或技术交流！（我们可做演示或专题研讨会）。
大型光学非球面超精密磨削关键技术的研究
大型光学非球面超精密磨削关键技术的研究近年来，随着科技的不断进步和人们对光学器件精度要求的不断提高，大型光学非球面超精密磨削技术逐渐成为光学领域的研究热点。
本文将从材料选择、加工工艺、设备要求等方面，探讨大型光学非球面超精密磨削关键技术的研究。
一、材料选择大型光学非球面超精密磨削的材料选择是关键。
材料的硬度、抗磨性、热膨胀系数等性能直接影响到磨削的效果和加工的精度。
常见的材料有玻璃、石英、陶瓷等。
在选择材料时，需要充分考虑材料的性能特点，以及光学器件的具体用途和要求。
二、加工工艺大型光学非球面超精密磨削的加工工艺也是研究的重点之一。
传统的磨削方法往往存在加工效率低、加工精度难以保证等问题。
因此，研究人员提出了一系列新的加工工艺，如离子束磨削、激光磨削等。
这些新的加工工艺在提高加工效率的同时，也能够保证加工精度的要求。
三、设备要求大型光学非球面超精密磨削对设备的要求非常高。
首先，需要具备高精度的磨削设备，以保证加工的精度和表面质量。
其次，还需要具备稳定的控制系统，以实现对加工过程的精确控制。
此外，为了提高加工效率，还需要具备快速换刀系统和自动化控制系统等。
四、精密度的控制大型光学非球面超精密磨削的关键技术之一是精密度的控制。
在整个加工过程中，需要通过精确的控制系统对加工参数进行调整，以实现对加工精度的控制。
同时，还需要进行精确的测量和检测，以及对加工过程中的误差进行补偿，以确保加工的精度和表面质量。
五、表面质量的评估大型光学非球面超精密磨削的表面质量评估也是研究的重点之一。
表面质量的评估可以通过光学测量仪器进行，如干涉仪、扫描电子显微镜等。
通过对加工后的光学器件进行表面质量评估，可以及时发现加工过程中存在的问题，并进行调整和改进。
大型光学非球面超精密磨削关键技术的研究涉及材料选择、加工工艺、设备要求、精密度的控制以及表面质量的评估等方面。
通过对这些关键技术的研究，可以提高大型光学非球面超精密磨削的加工精度和效率，满足人们对光学器件精度要求的不断提高。
数控加工光学非球面技术研究
数控加工光学非球面技术的研究The Aspheric optics processing technologystudies CNC摘要自从非球面加工技术出现以来，至今几百年来采用的加工方法已有50多种，传统的加工方法虽然能达到较高的精度，但这种加工方法加工效率低、重复精度差。
在最近几年出现的数控加工光学非球面技术大大解决了传统加工方法存在的缺陷。
它提高了加工精度和加工质量、缩短了产品研制周期等。
在诸如航空工业、汽车工业等领域有着大量的应用。
由于生产实际的强烈需求，国内外都对数控加工技术进行了广泛的研究，并取得了丰硕成果。
本文将简单的介绍一些非球面和数控机床的理论知识，传统加工非球面技术。
最后重点介绍数控加工光学非球面技术。
关键词: 数控加工非球面抛光技术计算机控制ABSTRACTSince the emergence of non-spherical processing technology ,about 50 methods in the optical processing have been used. Although traditional processing methods can achieve high accuracy, this processing method has processing inefficiency and poor repeatability precision . In recent years the NC aspheric optics technology greatly solve the traditional processing methods flawed. It improves processing accuracy and processing quality, and shorten the product development cycle and so on. A large number of applications has been found in some areas such like the aviation industry, and the auto industry. Because of the strong demand, Home and Abroad are on the NC machining techniques for a wide range of research, and achieved fruitful results.This paper will briefly introduces some technology of the Non-spherical and NC machine tools and the traditional processing.And highlights NC aspheric optical processing technology in the last part.Keywords : CN Aspheric optics Polishing Technology CCOS目录第一章绪论 (1)1.1研究的目的和意义 (1)1.2国内外发展现状 (1)第二章非球面的理论基础 (3)2.1非球面的优缺点 (3)2.2非球面的数学表达式 (3)2.3非球面的加工方法 (4)2.4传统加工非球面技术 (5)2.5光学非球面的检验 (7)第三章数控机床的介绍 (10)3.1数控机床的发展概况 (10)3.2数控机床的结构和特点 (10)第四章非球面的数控加工技术 (14)4.1常见的计算机控制抛光技术 (14)4.2计算机数控研磨和抛光技术 (15)4.3数控抛光技术中工艺参数选择 (19)4.4数控加工技术的检验 (20)4.5阴影法检验非球面 (22)4.6数控加工非球面实例 (23)结论 (25)参考文献 (26)致谢 (27)第一章绪论1.1研究的目的和意义自从1638年法国学者笛卡儿第一个提出凸面是椭圆面，凹面是球面的无球差非球面透镜，各国公司都进行了大量的非球面透镜技术研究和开发，但加工精度不高。
非球面光学零件超精密加工技术
非球面光学零件超精密加工技术1．1非球面光学零件的作用非球面光学零件是一种非常重要的光学零件，常用的有抛物面镜、双曲面镜、椭球面镜等。
非球面光学零件可以获得球面光学零件无可比拟的良好的成像质量，在光学系统中能够很好的矫正多种像差，改善成像质量，提高系统鉴别能力，它能以一个或几个非球面零件代替多个球面零件，从而简化仪器结构，降低成本并有效的减轻仪器重量。
非球面光学零件在军用和民用光电产品上的应用也很广泛，如在摄影镜头和取景器、电视摄像管、变焦镜头、电影放影镜头、卫星红外望远镜、录像机镜头、录像和录音光盘读出头、条形码读出头、光纤通信的光纤接头、医疗仪器等中。
1．2国外非球面零件的超精密加工技术的现状80年代以来，出现了许多种新的非球面超精密加工技术，主要有：计算机数控单点金刚石车削技术、计算机数控磨削技术、计算机数控离子束成形技术、计算机数控超精密抛光技术和非球面复印技术等，这些加工方法，基本上解决了各种非球面镜加工中所存在的问题。
前四种方法运用了数控技术，均具有加工精度较高，效率高等特点，适于批量生产。
进行非球面零件加工时，要考虑所加工零件的材料、形状、精度和口径等因素，对于铜、铝等软质材料，可以用单点金刚石切削(SPDT)的方法进行超精加工，对于玻璃或塑料等，当前主要采用先超精密加工其模具，而后再用成形法生产非球面零件，对于其它一些高硬度的脆性材料，目前主要是通过超精密磨削和超精密研磨、抛光等方法进行加工的，另外．还有非球面零件的特种加工技术如离子束抛光等。
国外许多公司己将超精密车削、磨削、研磨以及抛光加工集成为一体，并且研制出超精密复合加工系统，如RankPneumo公司生产的Nanoform300、Nanoform250、CUPE研制的Nanocentre、日本的AHN60―3D、ULP一100A(H)都具有复合加工功能，这样可以便非球面零件的加工更加灵活。
1．3我国非球面零件超精密加工技术的现状我国从80年代初才开始超精密加工技术的研究，比国外整整落后了20年。
非球面透镜加工方法
非球面透镜加工方法
非球面透镜加工是一种高精度光学零件加工方法，其制造过程需要经过多次精细加工步骤。
首先，需要根据设计要求选择合适的非球面曲面形状，并将该形状转换为数学模型。
然后，将该数学模型导入到数控加工设备中，并根据具体的加工要求进行参数设置，包括加工速度、刀具尺寸、切削深度等。
在加工过程中，需要使用高精度的测量仪器对加工表面进行检测，以确保其符合设计要求。
最后，进行表面处理和光学涂层，以提高非球面透镜的光学性能。
需要注意的是，非球面透镜加工过程中需要严格控制加工条件，以免对加工表面造成损伤和变形，影响其光学性能。
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非球面曲面光学零件超精密加工装备与技术_罗松保
文章编号 1004-924X (2003)01-0075-03非球面曲面光学零件超精密加工装备与技术罗松保,张建明(中国航空工业第一集团公司303所第一研究室,北京100076)摘要:“N anosys _300非球面曲面超精密复合加工系统”是“九五”重点预研课题—“非球面曲面的超精密加工与测量技术”的主要研究成果。
重点对非球面曲面光学零件超精密加工机床,非球面曲面光学零件超精密加工工艺,非球面曲面光学零件超精密测量技术进行了研究。
其主要技术成果有:非球面超精密复合加工系统综合设计和制造技术,高速超精密空气静压主轴系统,超精密闭式液体静压导轨系统,高速超精密空气静压磨头电主轴系统,开放式高性能数控系统集成技术等。
系统的精度检测和工艺实验表明其研究水平进入了国际先进行列。
关 键 词:非球面;超精密;加工;测量中图分类号:T Q171.684 文献标识码:A1 引 言 非球面光学零件在国防科技工业领域,以及民用光电产品方面都有着重要而广泛的应用。
近年来,我国加快了超精密加工技术的研究步伐,研制出了少量非球面超精密加工机床,但大多功能单一,一般只有车削功能[1_2]。
少量进口的超精密加工机床最多也只有数控车削、磨削功能,再加之非球面超精密磨削工艺的复杂性,这些进口的机床的磨削功能基本上还未得到实际应用。
因此,国内真正意义上的非球面超精密加工技术至今还未开展起来。
“九五”期间,中国航空工业第一集团公司303所第一研究室对“九五”重点预研课题_“非球面曲面的超精密加工与测量技术”进行了系统的科研攻关,成功地研制出了“Nanosys _300非球面曲面超精密复合加工系统”。
它具备超精密复合加工的功能,既能对典型有色金属材料进行单点金刚石超精密切削(SPDT )加工,又能对典型硬脆非金属材料进行超精密磨削加工。
2 非球面曲面光学零件超精密加工机床的研究[3] Nanosys _300机床系统主要由以下部分构成:(1)机械系统,它包括:床身及隔振装置、导轨及驱动装置、主轴及驱动装置、延性方式磨削装置(砂轮主轴、砂轮电火花修形装置、ELID 修锐装置)、机床位置测量装置、刀架及吸屑装置、喷雾冷却装置等;(2)恒温供液系统、供气系统;(3)CNC 数控系统。
数控非球面加工技术
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❖ 目前国内外仍然广泛使用计算机控制铣磨、抛光 技术来加工非球面透镜。
随着非球面元件的广泛应用，数控加工非球 面正成为各国关注的核心技术之一，优化工艺流 程、改善面形精度、缩短加工时间、提高生产效 率是非球面加工产业发展的方向。
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Part5 数控非球面加工的影响因素
❖ 预抛光过程中，工件轴、工具轴转速分别为150
rpm 和450rpm ，摆角 21.7°时，抛光 15
min，工件表面的铣磨痕迹全部被去除掉。抛光液
温度调整到 27 ℃时，材料去除量最大，整个表面
能够被快速抛亮。
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❖非球面加工工艺流程如图所示
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图3 工艺流程图
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4.2非球面数控反馈铣磨抛光工艺
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1.4非球面光学零件制造过程
❖ 非球面制造通常分为非球面成形和光学面实现两 个工艺方面。
❖ 1）非球面成形：就是通过研磨等方法使零件表 面面形达到非球面要求，但是表面粗糙度还很大， 还不是光学面，不能够透射或反射光。
❖ 2）光学非球面实现：主要有抛光、模压和切削 等方法，是在保持非球面面形的前提下，减小表 面粗糙度，使之成为光学面。
❖ 还有一些非球面制造的非球面成型和光学面实现 是同时完成，如单点金刚石车削、光学塑料模压、 玻璃模压等。
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Part2.非球面光学零件的加工方法: LOGO
1）表面材料去除法 ：去除工件上多余的材料，最终得
到所需非球面的形状、尺寸和表面粗糙度要求。
非球面光学元件加工及检测技术综述
去 除材 料 加 工法 是 一 种 在原 始 毛 坯 （ 接 近 非球 面
２ ． ２ 热复 制成 型技 术
光学玻璃在室温下脆而硬 ， 去除材料加工法生产
效 率和工 艺稳 定性 无 法满 足迅 速发展 的行 业需 求 。高 温 下玻 璃 是 一种 典 型 的黏 弹 性材 料 ， 具 有 良好 的型 面 复 制性 ， 鉴 于此研 究者 开发 了非 球面 热复 制成 型技术 ，
Ｕ Ｌ Ｐ一 １ ０ ０ Ａ（ Ｈ ） ， 英 国克 兰菲 尔 德 精 密工 程 研 究所 （ Ｃ Ｕ Ｐ Ｅ） 研制的 Ｎ ａ ｎ ｏ ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ｅ ， 其可 以加工大型Ｘ 线天体 望远镜用的非球 面反射镜 （ 最大直径可达 １ ４ ０ ０ ｍ ｍ， 最大 长度为 ６ ０ ０ ｍ ｍ的圆锥镜） 、 中国航空工业第一集
的球 面 ） 上利用磨 、 抛等手段去除一定量材料后得到 目标非球 面的方法 。早期加工方法主要通过操作者 手工 完成 ， 需 要加工者 具有较 高 的技术 及丰 富的经 验， 加工效率低 ， 且容易 出错 ， 其主要工序包括铣磨成
形、 研磨 、 Βιβλιοθήκη 光等 ， 通 常称 为经 典研 抛法 。
第２ 期
张小兵 ： 非球面光学元件加工及检测技术综述
于曲率半径是 变化的 ， 只有一根对称轴 线 ， 无法应用 球面零 件的磨轮包 络线 的范成法加工 ， 而且面形不易 修正 、 检测 困难 ， 特别是高次非球面与 自由曲面加工
光学非球面的超精密加工技术及非接触检测
华南理工大学学报(自然科学版)第32卷第2期J our nal of Sout h China U niversity of TechnologyV ol.32 N o.22004年2月(Natural Science Edition )February 2004文章编号:1000565X (2004)02009405光学非球面的超精密加工技术及非接触检测谢 晋(华南理工大学机械工程学院,广东广州510640)摘 要:针对亚微米级及亚微米级以下的光学硬脆性非球面器件难加工问题,分析了光学非球面的形状精度和应用,讨论了其超精密加工原理和方法及非接触检测手段.结果表明,精密数控机床、硬脆性材料延性域加工原理和超精密检测是光学非球面超精密加工的技术保证.关键词:非球面;超精密加工;光学器件;非接触检测;单点金刚石切削;弧形金刚石砂轮中图分类号:T G 58 文献标识码:A 收稿日期:20031022 作者简介:谢晋(1963-),男,博士,副教授,主要从事磨削及精密加工的研究.E-mai :jinxie @ 长期以来,光学球面镜头存在色像差的问题,如图1(a )所示.要构成高性能的光学系统,往往采用多枚镜头.20世纪30年代,为了消除这种色像差,研究人员提出并发明了非球面镜头,如图1(b )所示.但是,几个世纪以来的传统切削、磨削和抛光方法无法加工非球面产品,而只有利用数控机床才能有效地实现非球面的加工.19世纪70年代至80年代,应用于投影仪、显微镜、照相机、CD 读写装置和激光加工机等领域的民用光学产品开始朝着高性能、大口径化和小型化等方向快速发展,工业上开始生产非球面光学部件.目前,一些主要的非球面光学器件及其应用领域如表1所示,从该表中可以看出,大部分光学非球面器件材料为难加工的硬脆性材料.在光学系统的应用中,光的反射和折射要求非球面的形状精度达到光波长的1/10左右[1],特别是,应用于航空和军事领域中的光学系统要求非球面具有较高的形状精度.因此,光学非球面超精密加工及超精度测试已经受到许多研究者的关注.例如,O P TI CA M 中心已经将CN C 技术应用到精密光学器件的生产中,自动进行有选择性的非球面粗加工、精细加工和最终抛光加工,从而大幅度地降低了生产成本.图1 球面和非球面透镜的光学性能Fig.1 Op tical perf or ma nce of sp heric a nd asp heric le ns表1 光学非球面器件的材料及应用Table 1 Op tic asp heric materials a nd its appplication 非球面类型材料应用领域普通镜头红外线镜头普通反射镜注射模具椭圆体反射镜光学玻璃单晶锗、单晶硅铝合金、铜、磷青铜陶瓷、镍合金石英玻璃、碳化硅显微镜、CD/DVD 、投影仪夜视镜、医用内视镜、激光加工激光加工机、大型显示器激光打印机X 射线系统国内也已经开始引进超精密加工机床来加工国防、航空等高科技领域所急需的高精度非球面零件.由于超精密磨削涉及的技术比较复杂,国内花巨资购买的砂轮系统还没有得到有效的使用[2].虽然中国航空精密机械研究所成功地研制了Na nosys-300球面曲面超精密复合加工系统[2],但是,加工精度、砂轮精密修整、非球面成形机理以及非球面的超精密检测等诸多关键技术的研究都没有详细的报道.实际上,目前我国光学非球面的加工技术和质量检测仍处在初级阶段.本文中主要介绍和分析最新研究和开发的光学非球面的超精密加工机理、方法和测试技术及其特点.1 光学非球面部件的制作工艺光学非球面的成型加工大体可分为模具成形法和切除加工法两种.模具成形法是在非球面模具上用可塑化材料注射或模压,形成有非球面的光学部件;而切除加工是利用切削、磨削和抛光将工件直接切除成非球面.模具成形法适应大批量生产,但很难保证非球面形状的高精度.注射和模压成形用的镀镍模具通常采用单点金刚石切削,但对于陶瓷等超硬模具,切削就变得非常困难.因此,采用磨削加工法,可大大缩短加工工期.非球面光学镜头按制作工艺可分为玻璃镜头、塑化镜头、微型镜头和复合镜头[3].其中,玻璃镜头主要在耐热非球面模具中将玻璃材料加温到软化温度400～700℃再模压成形.塑化镜头是利用镀镍硬质钢模具将非球面注射成形.微型非球面镜头是在超精密机床上将树脂材料直接加工成形后再抛光,或者在球面模具中注射树脂再加热硬化.复合非球面镜头是在非球面模具与球面镜头之间注入紫外线树脂,然后用紫外线照射使其硬化成形.2 非球面的切除加工方法及特点无论是注射成形/模压成形所需的模具还是高精度光学非球面部件,都必须采用切削、磨削和抛光直接进行切除加工.切削加工主要采用单晶金刚石刀具,磨削加工主要采用金刚石砂轮,而抛光主要采用游离磨料.每一种方法都是在工件表面沿着非球面的三维坐标轨迹对工件逐渐进行切除加工.一般是先在数控机床上将非球面形状加工成型,然后在保持形状精度不变的情况下将其抛光,减小其表面粗糙度[4].但是,这种游离磨料抛光方式会消耗大量的加工时间,无法进行规模生产.美国Precitech I nc.公司生产的超精密多轴自由曲面加工机床不需抛光就可以使光学非轴对称非球面零件的加工精度达到亚微米级乃至纳米级的范围[5].近来,全部省去游离磨料抛光方式进行直接切削或磨削来达到最终的形状精度和表面粗糙度,即利用延性域加工原理进行镜面切削和镜面磨削的研究已经取得了许多新的进展.2.1 非球面超精密加工机床的构造最新的研究结果表明,为了实现硬脆性材料的精密切除加工就要求材料的切除深度始终保持在临界延性域(ductile-mode)切深以下的范围,一般要求亚微米级以及亚微米级以下.这也就是要求加工机床能够控制工件进给量在微米级甚至亚微米级以下.采用空气静压和油静压轴承配制高精度(直线度,表面粗糙度)摩擦系数小的V-V滚动滑道和高精度(圆柱度,圆心度)传动杆可以使导向机构到达10～20nm以内的波动[3].图2中所示的为空气差压圆柱立轴的工作结构图.空气静压轴承可以使低速运动时无震动.利用d1,d2,p能够进行克单位的力调节,可以达到与水平结构一样的纳米级的微小波动.工件回转轴最合适采用空气静压形式,安装内置电机可以消除传递转动带的振动,可以达到轴方向和径向方向小至10nm的偏心振幅.图2 空气静压轴的工作原理Fig.2 Wor king p rinciple of air-p ressure axis2.2 单点金刚石切削单点金刚石切削是在精密数控机床上同时控制x和y两轴的运动,将旋转工件切除成非球面体,如图3(a)所示.通常应用于加工激光反射的非球面铜镜面和塑化玻璃非球面金属模具.最近的研究表明,弧形单晶金刚石刀具的圆弧包络线切削法可以应用到硬脆性材料的非球面超精密切削中[6],但是,必须要求金刚石刀具进给量非常小(小于1～2μm/r),这就会花费非常长的切削时间,导致单晶金刚石刀具的急剧磨耗.然而,平面形单晶金刚石刀具的直线包络线切削法在加工非球面59第2期谢 晋:光学非球面的超精密加工技术及非接触检测单晶硅镜头时可以较大幅度地加大金刚石刀具进给量(20μm/r ),提高加工效率,其非球面的表面粗造度达到16nm ,形状精度(PV 值)可达到1.36μm [7].2.3 弧形金刚石砂轮磨削加工在磨削加工方面,无论对于硬脆性材料还是金属材料,采用弧形金刚石砂轮在一定的行走轨迹和修整条件下都可以在数控机床上实现非球面的成形加工.最新研发的几种弧形金刚石砂轮成型磨削方法可以大致分为交叉磨削法、平行磨削法、倾斜磨削法、球面砂轮磨削法和斜轴圆柱砂轮磨削法[8～10],分别如图3(b ),(c ),(d ),(e )和(f )所示.图3 光学非球面成形加工方法Fig.3 Form machining methods of optical asp heric surface交叉磨削法的加工表面粗造度较差,为此,将砂轮轴旋转90°使砂轮周速与工件速度方向平行进行磨削,即采用平行磨削法.实验结果表明,平行磨削法比交叉磨削法能获得更好的表面加工质量[9].倾斜磨削法是将砂轮轴倾斜一定角度适用于加工更深的凹形非球面.球面砂轮磨削法是利用砂轮球面按照非球面的运动轨迹与工件点接触进行磨削加工,它能使球面的砂轮均衡摩耗,形状精度可达到0.089μm [10],但球面砂轮成形修整比较困难.斜轴圆柱砂轮磨削法[9]是采用小直径砂轮加工很深的凹面,主要用于光通讯,医疗器件等3m m 以下的小口径非球面的加工.3 光学非球面的形状精度光学非球面器件的形状精度要求在几到几十厘米的范围内达到1μm 以下[11].图4表示了一些应用于不同领域的非球面光学器件的尺寸大小及其必要的加工精度.可以看到非球面光学部件正在向小型高精度化和大型高精度化方面发展.但是,现有的加工工具,加工工艺及加工设备常常无法保证更小或更大尺寸的产品达到高精度.这主要是因为以下原因造成了设计形状与加工形状的差异.(1)机床的运动误差和切削刀具/金刚石砂轮的磨耗;(2)非球面中心和外围的不同加工条件;(3)切削刀具/磨削砂轮的形状测试误差;(4)加工形状的测试误差;(5)三维坐标系与加工点的漂移;(6)加工力引起的变形和加工热产生的热变形.图4 光学非球面的尺寸与形状精度Fig.4 Op tic asp heric size a nd its f or m accuracy为消除这些因素的影响,使其与设计值的形状误差缩小到1μm 以下,往往利用被加工的非球面形状的检测信息进行多次的误差修正.非球面加工中可能需要几十次的测试和修正才能达到目标精度,也就是说,没有高精度的测试手段也就无法加工出高精度的光学非球面器件.但是,传统的三维测试仪的测试精度只能达到5μm ,而且大多只能检测球面和平面[13].因此,最近非接触三维形状测试手段已经可以在行走精度为0.1μm 的水平面上检测垂直方向精度为0.05μm 以下的非球面的形状精度[11,12].69华南理工大学学报(自然科学版) 第32卷4 非球面的非接触测试仪通常,非球面的加工形状测试主要采用接触式测定方式.它的动态测试范围较大,但容易损伤工件表面,特别不易检测断口,且超硬材料易损伤探头.因此,非接触三维形状测试的研究开始得到了广泛的重视.但是,非接触测试无法检测到陡峭的斜面,且非球面材料的颜色和反射率也会产生散乱导致数据误差.针对这些问题,最近研制的光干涉形状测试仪,激光形状测试仪和原子力探针测试仪能够在纳米级范围内检测非球面的三维形状.4.1 非接触光干涉三维形状测试仪非接触光干涉三维形状测试构造如图5(a )所示.其原理是采用白色光源在半反射镜上分叉到测试表面和参照镜,再反射回来结合于半反射镜,当光路差相等时发生干涉[12].白色光的干涉性较小,能够在很小的范围内产生干涉条纹,因此,通过采集的光的干涉强度驱动干涉计的垂直光轴方向,使之能够调节到干涉条纹的零位置.利用这种原理,垂直移动参照镜观察测试面上的CCD 各点的干涉条纹,确定其等光路位置,然后在水平方向的测试面上进行一定速度的扫描,最终检测出非球面的高度数据.若在白色干涉计中处理干涉强度并进行频域解析,不仅能够检测粗糙面及断口面,而且还能够检测超精密加工的工件表面.白色干涉计测试仪的横向行走精度一般为0.6μm ,垂直移动精度可达10nm.图5 非球面的非接触检测方法Fig.5 N on-contact measure me nt met hod of asp heric surf ace4.2 非接触激光三维形状测试仪非接触激光测试构造如图5(b )所示.激光通过显微镜镜筒,从物镜的一端开始向光轴中心聚焦,再由工件反射后经物镜返回,在聚焦A F 感应器聚焦成像.然后,通过移动物镜使激光点最小且达到光轴心确定垂直方向的位置.此时,将聚焦点的xyz 坐标以线性形式输入到计算机,获取非球面表面的三维形状数据.测试精度直接取决于工作台面向工件聚焦的移动精度.此外,在非接触激光显微镜上安装微分干涉光学系统,利用可视光能够检测出数纳米级的凸凹程度,并且可以在1nm 的范围内定量地评价表面粗糙度.非接触激光三维形状测试仪N H-3S P 的水平面的测试精度为1+5L /120μm (L 为测量长度);垂直方向的测量精度在10m m 以内为1μm [13].4.3 原子力探针测试仪原子力探针测试构造图如图5(c )所示.这种方法是根据原子间排斥力通常保持一致的原理,利用探针与物体的原子间排斥力的作用接近测试表面,从而确定非球面表面的三维形状[11].在测试装置上,将重0.2mg 的微型空气滑道用弹簧悬挂,用安置的反射镜对具有波长安定性的激光进行聚光,采集反射光的聚焦误差信号,驱动垂直方向的步进空气滑道,使误差信号接近于零,最终确定垂直方向的坐标.因为原子力探针测试的原子间排斥力仅有30mg ,所以对测试面几乎没有损伤,近似于非接触检测.最大的特点是测试精度不受材质、反射率和表面粗造程度的影响.但是,测量精度与测量范围和测量面角度有关[11].例如,水平测量范围的精度,100mm 以下为0.05μm ,100～200mm 之间为0.1μm ,200～400m m 之间为0.3μm ;测量面倾斜角度的精度,30°以下为0.01～0.05μm ,30°～45°之间大于等于0.1μm ,45°～60°之间大于等于0.3μm.5 结束语光学非球面加工正朝着高精度大型化和高精度小型化方向发展.精密数控机床、硬脆性材料延性域79第2期谢 晋:光学非球面的超精密加工技术及非接触检测加工原理和非接触精度检测是光学非球面加工形状精度达到亚微米级及亚微米级以下的技术保证.此外,超精密加工和高精度检测在开拓高增值的复杂光学自由曲面以及特殊形状液晶光导板的模具加工方面将会发挥先导作用.参考文献:[1] Ta na ka K.Rece nt t re nd of asp heric p rocessing tech2nology[J].Scie nce of Machine,2002,54(3):11-20.[2] 罗松保,张建明.非球面的超精密加工与测量技术的研究[J].制造技术与机床,2003,494(9):58-61.[3] Toya ma T.Develop me nt of ult ra-p recision grinder f ormachining asp heric surf ace[J].Toyota MachineryRep ort,1992,32(3):8-18.[4] Suzuik H,Hara S,Matsunaga H.Study on asp hericalsurf ace p olishing using a small rotating t ool-develop2me nt of p olishing syste m[J].J our nal of t he J ap a n So2ciety f or Precision Engineering,1993,59(10):1713-1718.[5] 李荣彬,杜雪,张自辉,等.光学自由曲面的超精密加工技术及应用[A].2003年机械工程学会年会论文集[C],深圳:机械工程学会,2003.15-19[6] Suzuik H,Kitajima T,O kuya ma S.Study of p recisioncutting of axi-symmet ric asp herical surf ace-eff ect oft ool errors on wor kpiece f or m accuracies a nd its com2 pe nsation met hods[J].J our nal of t he J ap a 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Key words:asp heric surf ace;sup er-p recision machi ni ng;op tic p a rt;non-contact measure me nt;si ngle-p oi nt dia mond cutti ng;a rc dia mond gri ndi ng w heel89华南理工大学学报(自然科学版) 第32卷。
光学非球面超精密磨削质量控制技术研究
量和 加工效 率 ， 被认 为 是 加 工技 术 上 的一 次 重 大 这
突破 ｏ
非球 面 光学元 件 的 加 工 ， 国 内外 都 可 以采 用 金 刚 在
石 超精 密 车削来 完成 ； 对于 光学 玻璃 ， 晶玻璃 及 而 微
已有 的 研 究 表 明［” ， 脆 材 料 在 加 工 过 程 中 １ 硬 ’ 存在三 种 材料 去除方 式 ：） 碎切 屑 ： 加工 表 面是 １崩 被 由于加 工工 具作 用 造 成 材 料 脆 性 断 裂 而形 成 切 屑 ； ２ 塑性 变形 切 屑 ： 加工 表 面在 加 工 工 具 作 用 下形 ） 被 成塑性 剪 切变形 而形 成 连 续 的 塑 性 切 屑 ； ） 碎 和 ３崩 塑性 变形 切 屑同 时存在 。只有 在加 工过 程 中稳定 地 形 成塑 性 变形切 屑 ， 即所谓 的塑性 域加 工 ， 才能 获得 高质量 的 光滑表 面 。
的微 晶玻 璃 内 非 球 面 ， 工表 面粗 糙 度 Ｒ ３ｍ。 加 ａｎ 关 键 词 ：超 精 密 磨 削 ；非 球 面 加 工 ；质 量 控 制 ；微 晶玻 璃 中图 分 类 号 ：Ｔ ５０６ Ｇ ８ ． 文献标识码 ： Ａ 文章 编号 ： ０．３８ ２０ ｌｕ－２２０ １ ０１２ （０６ Ｓｐ０２ —５ ０
维普资讯
第２ ７卷 增 刊 ２０ ０ ６年 １ ２月
宇 航 学 报
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｔｏ ａ ｔ ｓ ｏ ｒ ａ ｆＡｓ ｎ ｕｉ ｒ ｃ
Ｖｏ ． ７ １２
Ｓ ｐ． ｕ
Ｄｅ ｅ ｅ ２ ｏ ｃ ｍｂ ｒ ０６
光 学 非球 面超 精 密磨 削 质 量控 制 技 术研 究
对 于硬 脆 材 料 来 说 ， 表 面 的 微 裂 纹 数 少 于 其
高精度光学非球面加工
1.
1. 2. 3.
谢谢！ 不妥之处，请大家指正！
通过非球面铣磨，抛光完成非球面加工，仍是现在主 要的加工方法，而且主要工作量逐渐改变传统手工的 模式，向数控的方向转变； 该技术发展的历史比较长，成熟的设备较为全面，如 德国Satisloh， Schneider公司和Optotech等公司推 出不同类型的铣磨和抛光机床；我国也开展了大量数 控技术的研究 不仅在数控设备自动话和加工精度方面取得了很大的 进展，各种不同抛光方法和原理的研究，极大的推动 了光学非球面加工技术的发展
一、数控铣磨和抛光技术
数控抛光技术之一经典小磨头抛光：
相对于数控铣磨而言， 抛光技术更加重要，因 此开展的研究工作更为 广泛，工作原理多种多 样，左图为行星式抛 光，早期的抛光头为沥 青，因此本文暂且称之 为经典小磨头抛光。
一、数控铣磨和抛光技术
数控抛光技术－－经典小磨 头抛光：
小磨头行星式抛光的优点： 1. 设备造价相对较低； 2. 控制系统和工作环境要求较低； 缺点： 1. 无法进行超光滑加工； 2. 抛光头工作状态容易改变，抛光函数不稳定，不 利于数控。
二、单点金刚石车削技术
1. 2. 3.
主要生产厂家： 美国MOORE TOOLS公司 英国TYLOR HOBSON公司 日本TOSHIBA MASHINARY 公 司
二、单点金刚石车削技术
250UPL金刚石车床
工作原理图
二、单点金刚石车削技术
三、模压技术
利用预先制造的磨具，将已经软化的低熔点 玻璃压制成所需面形。
一、数控铣磨和抛光技术
数控抛光技术－－流体抛光
使用含有抛光颗粒的流体进行加工，该方法并未获得广泛应用，个 人以为，去除函数不理想以及仅能抛光小口径非球面镜限制了其应 用。
大口径非球面精密加工技术综述
科 技 视 界
科技・ 探索・ 争鸣
大 口径非球面精密加工技术综述
赵 蒙 （ 中国科 学 院西 安光 学精 密机 械研 究所 空 间光 学研 究 室 ， 陕 西 西安 ７ １ ０ １ １ ９ ）
头在工件表面不 同位 置的驻 留时 （ 也就是 加工时 间） 等参数来控 制 镜 面不同位置的材料去除量 ． 从而达到修正镜面面形误差 的 目的。与
人工修磨相 比 ． 计算机 表面成 型技术具有更 高的精度 和重复性 ， 可 以 得 到更高的面形收敛率 ． 因此可以 著的缩短非球面特别是大 口径非 球 面的加工时间 ． 提高生产效率 虽然 Ｃ Ｃ Ｏ Ｓ技术 已取得 了很大的进展 ． 但 材料去除效 率不能满 足 大口 径 非球面的加工需求 目前 （ ： Ｃ Ｏ Ｓ 技 术面临的主要问题有： （ １ ） 工艺条件 的复杂性使得实际误 差收敛曲线与理论之 间存在较 大的差别． 误差收敛的速度没有想象的快， 因此如何对加工过程进行 优 化以提高 Ｃ ＣＯ Ｓ的 效 率 是 问 题 的 关 键 ｆ ２ ） 为使 Ｃ Ｃ Ｏ Ｓ技术做到真正的』 Ｅ 专家可操作． 需要建立完整 的 Ｃ Ｃ ＯＳ 加工数据库及专家系统。而这方面 目前还缺乏合理有效的数学模型。 ｆ ３ ） 由于 Ｃ Ｃ Ｏ Ｓ 技术采用小磨头加 工后表面误差 的结构与传统方法 加工出的表面有所不同。 中、 高频误差相对较 大． 目前虽然提 出了评价该 类 误差的新方法． 但 如何 将其应用到 Ｃ Ｃ Ｏ Ｓ 加 工 中去是需要 解决 的问 题 另外 此类误 差对系统成像质量的影响还需进一步地研究。
放． 镜面发生大约 ２ ０ ０ ｎ ｍ ＲＭＳ的形 变 ． Ｉ Ｔ Ｅ Ｋ公 司采 取 了在 多 点 支 九世纪七八十年代开始 ． 计算机技术及激光干涉技术 的推 动下 ．出现了采用计算机控制的采用小磨头的计算机表面成型技术 ， 在这之后又发展出具有更高确定性的磁流变技术及离子束技术 ， 以及 适用于大 口径加工的应力盘技术和应力抛光技术等 ． 使得大 口径非 球 面的加工效率得 到大幅度 的提高 ．为光学技 术 的发展 提供 了技术 支 持。 １ ． １ 计算机非球面表面成型技术 （ ｃ ｏ ｍｐ ｕ ｔ ｅ ｒ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｄ ０ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ Ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｉ ｎ ｇ ．
非球面光学零件超精密加工技术
修整 电源 、 电解修整 电极 、 电解液（ 兼 作磨削液） 、 接电 电刷 和机床设备 。 磨削过程 中， 砂轮通过接 电电刷 与电源的正极相接 ， 安装在机床上 的修 整电极与电源 的负极相接 ， 砂轮 和电极 之间浇注电解液 ， 这样 ， 电源 、 砂 轮、 电极 、 砂轮和电极之间的电解液形成一个完整的电化学系统。 采用 Ｅ Ｌ Ｉ Ｄ磨 削时 ， 对所用 的 砂轮 、 电源 、 电解液 均有 一些 特殊要 求。要求砂 轮 的结合 剂有 良好 的导电性和 电解 性 、 结合剂元 素的氢氧
Ｒａ ３ Ｏ ｎ ｍ
试论工程旋工【 ｌ 】 的 清 单 运用 与成 本控 制
青海 交通 建设 工程有 限公 司 王 一然
［ 摘 要］ 针对 目前建筑工程施工项 目 成本 管理 中存在 的一些 问题 ， 本文提 出了使 用工程量清单计算成本 ， 用质量管理和 范围管理控 制成本 ， 用目 标成本法控制成本等措施并做 出简要分析。 ［ 关键词］ 工程施工 清单 成本 控制
装置 ， 它可 以满足单点和延性磨 削两个 方面的使用 要求 ， 通过合理化机 床结构设计 、 利用 高刚度伺服驱动 系统和液体静 压轴承使机 床具有较 高的闭环 刚度 ， ｘ和ｚ 轴 的分辨 率为 １ ． ２ ５ ｎ ｒ ｎ ， 这个机床被认 为是符合现 代工艺规范 的。Ｃ Ｕ Ｐ Ｅ 生 产的 Ｎ ａ ｎ ｏ ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ｅ 非球 面光学零件加 工机床 ， 加 工直 径达 ６ ０ ０ ｍ ｍ。面型精 度优 于 ０ ． １ ｔ ｘ ｍ， 表 面粗 糙度优 于 Ｒ ａ ０ ． Ｏ １ Ｉ ｘ ｍ。 Ｃ Ｕ Ｐ Ｅ 还为美 国柯 达公 司研究 、 设计 和生产 了当今世界上最大的超精密 大型 Ｃ Ｎ Ｃ 光学零 件磨 床“ ０ Ａ Ｇ Ｍ ２ ５ ０ ０ ” ， 该机 床主要 用于 光学玻璃 等硬 脆材料 的加 工 ， 可加丁 和测量 ２ ． ５ ｍ× ２ ． ５ ｍ× ０ ． ６ １ ｍ的工件 ， 它能加工 出 ２ ｍ见方 的非对称 光学镜 面 ， 镜 面的形状误 差仅为 １ Ｉ ｘ ｍ 。Ａ Ｈ Ｎ ６ ０ －３ Ｄ 是一 台 Ｃ Ｎ Ｃ 三维截形磨 削和车削机床 ， 它能在 ｘ、 Ｙ和 ｚ 三轴 控制下磨 削和车 削轴 向对称 形状的光学零 件 ， 可 以在 ｘ 、 Ｙ和 ｚ 轴二个半 轴控制 下磨削和车削非轴对称光学零件 ， 加工工件 的截形精度为 ０ ． ３ ５ ｕ ｎ ｌ ， 表面 粗糙度 达 Ｒ ａ ０ ． ０ １ ６ ￣ ｍ。另 外东芝 机械研 制 的 ｕ Ｌ Ｇ 一１ ０ ０ Ａ （ Ｈ ） 超精 密复 合加工装置 ， 它用分别控制两个 轴的方法 ， 实现了对非球面透镜模具 的 切削和磨削 ， 其 ｘ轴和 ｚ 轴 的行 程分别为 １ ５ ０ ｍ ｍ和 １ ０ ０ ｍ ｍ， 位置反馈元 件是分辨率为 ０ ． ０ １ Ｉ ． ｔ ｍ的光栅。 ｆ ２ ） 非球面光学零件的 Ｅ Ｌ Ｉ Ｄ镜面磨 削技术
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Equipment Manufacturing Technology No.11，2012非球面光学零件常用的有椭球面镜、抛物面镜、双曲面镜等，其是一种非常重要的光学零件。
相对于球面镜而言，非球面镜具有许多优点，其可以消除球面镜片在光传递过程中产生的彗差、球差、像散、场曲及畸变等诸多不利因素，减少光能损失，具有高品质的光学特征，可以获得高品质的图像效果。
另外，其能以一个或几个非球面零件代替多个球面零件，从而简化仪器结构，减轻仪器总质量，降低成本。
非球面光学产品的应用前景非常广阔，在国防、航空航天领域，大型或超大型光学产品的开发是空间和国防技术的关键，体现着一个国家的科技水平和经济实力。
而在民用产品领域，如：数码相机、电脑摄像头、条形码读出头、光纤通讯以及激光产品等，也已经成为与人民生活息息相关的核心技术。
因此，非球面光学零件超精密加工技术的研究一直是制造领域的热点。
１国外非球面零件的超精密加工技术国外从２０世纪６０年代就开始了对非球面零件加工技术的研究，２０世纪８０年代以来出现了许多新的非球面超精密加工技术，主要有：计算机数控单点金刚石车削技术（ＳＰＤＴ）、超精密磨削和抛光技术、计算机控制光学表面成形技术（ＣＣＯＳ）、光学玻璃模压成型技术、光学塑料成型技术以及非球面零件的特种加工技术等。
１．１计算机数控单点金刚石车削技术计算机数控单点金刚石车削技术（ＳＰＤＴ）是在超精密数控车床上，采用天然单晶金刚石刀具，在对机床和加工环境进行精确控制的条件下，直接利用天然金刚石刀具单点车削出符合光学品质要求的非球面光学零件。
该技术主要用于加工中小尺寸、中等批量的红外晶体和软金属材料的光学零件，其特点是生产效率高、成本低、重复性好、适合批量生产。
１．２超精密磨削和抛光技术超精密磨削和抛光能进一步提高光学零件的表面精度，尤其是对于采用玻璃、陶瓷等硬脆材料制造的非球面零件。
其中，延性磨削方式可以使材料以“塑性”流动方式去除，加工表面不产生脆性断裂现象［２］。
延性磨削方式可以保证未变形切削厚度小于脆性———塑性（或称延性）转换临界值。
能满足这种磨削条件的方式称为延性磨削方式。
１．３计算机控制光学表面成形技术计算机控制光学表面成形技术（ｃｏｍｐｕｔｅｒｏｐｔｉｃａｌｓｕｒｆｃｉｎｇ，ＣＣＯＳ）是利用一个比被加工器件小得多的抛光工具，根据光学表面面形检测的结果，由计算机控制加工参数和加工路径完成加工。
由于计算机控制抛光可以精确地控制研抛过程中的材料去除量，和传统研抛方法相比，大大提高了加工效率和成品率。
１．４光学玻璃模压成型技术光学玻璃模压成型技术是一种高精度光学零件加工技术，开发于２０世纪８０年代中期。
其是把软化的玻璃放入高精度的模具中，在加温加压和无氧的条件下，一次性直接模压成型出达到使用要求的光学零件。
光学玻璃模压成型法具有工序简单集中，节省场地、可以批量生产的特点，但是模具精度要求极高，加工成本很高。
１．５光学塑料成型技术光学塑料成型技术是目前制造塑料非球面光学零件的先进技术，包括注射成型、压制成型和铸造成型等技术。
光学塑料注射成型技术主要用来生产直径１００ｍｍ以下的非球面光学零件，也可制造微型透浅谈非球面光学零件的超精密加工技术成清校１，宋健１，王鹏超２，路兰卿１（１．北京航天试验技术研究所，北京１０００７４；２．西安航天动力试验技术研究所，西安７１０１００）摘要：对国内外非球面光学零件的超精密加工技术、设备以及发展状况进行了分析和总结，指出了我国与国外先进水平的差距，并对我国非球面超精密加工技术的发展提出了建议。
关键词：非球面；光学零件；超精密加工中图分类号：ＴＧ５０６文献标识码：Ｂ文章编号：１６７２－５４５Ｘ（２０１２）１１－０１０４－０３收稿日期：２０１２－０８－０６作者简介：成清校（１９８４—），男，工程师，工学硕士，主要研究方向为精密与超精密加工技术。
104《装备制造技术》２０１２年第１１期镜阵列。
而模压和铸造主要应用于直径在１００ｍｍ以上的非球面光学零件。
其具有总质量轻、成本低，光学零件和安装部件可以一体化，节省装配工作量，耐冲击等诸多优点。
１．６非球面镜的特种加工技术非球面镜的特种加工方法包括离子束、电子束加工法等，这种方法以原子、分子级去除材料，加工精度高，但需要昂贵的真空设备和复杂的运动机构，加工成本较高，并且不能粗糙表面获得高精度抛光表面，对前道工序的加工要求较高。
此外，还有应力盘抛光技术、磁流变抛光技术、等离子技术等。
其利用主动变形技术，使抛光盘在对非球面光学表面进行抛光的过程中，通过计算机控制实时改变抛光盘的形状，使其符合理论非球面面形，进而将被加工球面向标准非球面修正。
磁流变抛光（ＭａｇｎｅｔｏｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌＦｉｎｉｓｈｉｎｇ，ＭＲＦ）技术是以磁流变抛光液在磁场作用下，在抛光区范围内形成具有一定硬度的“小磨头”对工件进行抛光［５］。
“小磨头”的形状和硬度可以由磁场实时控制。
该方法是一种柔性抛光方法，不产生亚表面损伤层、加工效率高、表面粗糙度低、能够实现复杂表面的抛光加工。
通过控制磁场分布形状和加工区域的驻留时间，可以实现确定量抛光。
等离子（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒｉｚａｔｉｏｎＭａｃｈｉｎｉｎｇ，ＣＶＭ）技术是一种利用原子化学反应，获得超精密表面的一种技术，其加工原理和等离子体刻蚀一样，在等离子体中，被激活的游离基和工件表面原子起反应，将之变成挥发性分子，并通过气体蒸发实现加工的，在高压力下所产生的等离子体，能够生成密度非常高的游离基，所以这种加工方法能达到与机械加工方法相匹敌的加工速度，加工工件的表面粗糙度可达０．１ｎｍ。
２非球面零件的超精密加工设备超精密机床是实现非球面光学零件超精密加工的首要条件。
目前，在超精密加工机床制造方面比较发达的国家有美国、日本、德国和英国。
国际上生产超精密机床的厂家主要有：美国摩尔公司、普瑞泰克公司、泰勒霍普森公司，日本的东芝机械、不二越公司、丰田工机、发那科公司等，德国先代士劳公司、奥普特公司是生产超精密数控铣磨抛设备的著名厂家［５］。
另外，许多公司己将超精密车削、磨削、研磨以及抛光加工集成为一体，并且研制出超精密复合加工系统，可以使非球面零件的加工更加灵活。
表１给出了目前国际上典型的、具有代表性的超精密加工机床及其性能指标。
目前，美国超精密机床的水平最高，尤其是ＬＬＮＬ实验室于１９８３￣１９８４年研制成功的ＤＴＭ－３和ＬＯＤＴＭ大型金刚石超精密车床是目前为止世界公认的最高水平的大型超精密机床；英国是较早从事超精密加工技术研究的国家之一，其Ｃｒａｎｆｉｅｌｄ大学ＣＵＰＥ精密加工研究所是迄今第二个能制造大型超精密机床的机构；日本超精密加工技术的研究相对美、英来说虽起步较晚，但发展很快，其多功能和高效专用超精密机床发展较好，促进了日本微电子和家电工业的发展［５］。
３我国非球面零件的超精密加工技现状我国对超精密加工技术的研究起步较晚，比国外整整落后２０年。
现在已有一些大学和科研单位开展非球面零件的超精密加工技术的研究工作，例如，哈尔滨工业大学、北京航空精密机械研究所、国防科技大学、北京机床研究所、中科院长春光机所等单位都在从事超精密机床的研制，均取得了一定的成果。
哈尔滨工业大学于２００６年研制出了大平面超精密铣床，并已用于激光核聚变关键零件铁电磷酸二氢钾晶体的超精密加工［５］。
北京航空精密机械研究所在超精密切削加工及其装备方面取得了显著成果，于２００３年研制出了Ｎａｎｏｓｙｓ－３００非球面超精密复合加工系统，加工出样件的面形精度达到０．２２８μｍ，表面粗糙度Ｒａ８．７ｎｍ［７］。
北京机床研究所于２００５年研制的ＮＡＭ－８００型数控车床是新一代纳米级加工机床。
该车床的反馈系统分辨率为２．５ｎｍ，机械进给系统可实现５ｎｍ的微小移动，主轴的回转精度为０．０３ｍ，溜板移动直线度为０．１５ｍ／２００ｍｍ，最大可加工直径为φ８００ｍｍ，粗糙度Ｒａ＜０．００８ｍ，面型精度＜０．３ｍ／φ１００ｍｍ。
厂家、型号美国Ｕｎｉｏｎ－Ｃａｒｂｉｄｅ公司１号车床美国ＬＬＮＬ实验室ＬＯＤＴＭ美国ＬＬＮＬ实验室ＤＴＭ－３英国ＲａｎｋＰｎｅｕｍｏ公司Ｎａｎｏｆｏｒｍ６００美国ＲａｎｋＰｎｅｕｍｏ公司ＭＳＧ－３２５英国Ｃｒａｎｆｉｅｌｄ大学ＯＡＧＭ－２５００日本丰田工机ＡＨＮ６０－３Ｄ日本丰田工机ＡＨＮ１０荷兰ＰＨＩＬＰＨＳ公司ＣＯＬＡＴＨ美国普瑞泰克公司Ｎａｎｏｆｏｒｍ７００表１几种典型的超精密机床技术性能指标加工尺寸工件直ｄ／ｍｍ３８０２１００１６２５６００３５００２５００６００１００７００机床精度单位前空格形状精度：±０．６３μｍ测量分辨率０．６３５ｎｍ加工精度０．０２５μｍ主轴回转精度和直线运动精度≤５０ｎｍ加工形状精度≤０．１μｍ加工形状精度０．２５～０．５μｍ加工形状精度１μｍ加工工件的截形精度为０．３５μｍ加工形状精度０．０５μｍ加工形状精度０．５μｍ加工形状精度０．１μｍ加工表面粗糙度Ｒａ／ｎｍ２５７．６４．２１０１０￣２５１６２５２０１０机床类型非球面车削大型立式车床切削非球面磨削非球面复合加工机床非球面磨削三维截形磨削、车削车削、磨削非球面塑料透镜切削非球面磨削105Equipment Manufacturing Technology No.11，2012ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＮｏｎ－ＳｐｈｅｒｉｃａｌＯｐｔｉｃａｌＥｌｅｍｅｎｔｉｎＵｌｔｒａ－ＰｒｅｃｉｓｉｏｎＭａｃｈｉｎｉｎｇＣＨＥＮＧＱｉｎｇ－ｘｉａｏ１，ＳＯＮＧＪｉａｎ１，ＷＡＮＧＰｅｎｇ－ｃｈａｏ２，ＬＵＬａｎ－ｑｉｎｇ１（１．ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅＴｅｓｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００７４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｘｉ’ａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅＰｏｗｅｒＴｅｓｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ７１０１００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｔｈｅｕｌｔｒａ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｎｏｎ－ｓｐｈｅｒｉｃａｌｏｐｔｉｃａｌｅｌｅｍｅｎｔｓ，ｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄ，ｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔｔｈｅｇａｐｂｅｔｗｅｅｎＣｈｉｎａａｎｄｆｏｒｅｉｇｎａｄｖａｎｃｅｄｌｅｖｅｌ，ａｎｄｉｔｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｓｏｍｅｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓｆｏｒｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｕｌｔｒａ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｎｏｎ－ｓｐｈｅｒｉｃａｌｏｐｔｉｃａｌｅｌｅｍｅｎｔｓｉｎＣｈｉｎａ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎｏｎ－ｓｐｈｅｒｉｃａｌ；ｏｐｔｉｃａｌｅｌｅｍｅｎｔ；ｕｌｔｒａ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｍａｃｈｉｎｉｎｇ另外，大连理工大学在软磨料砂轮超精密磨削技术方面取得了多项成果，对多种硬脆材料如蓝宝石、单晶硅、ＫＤＰ晶体等进行了超精密表面光整加工，其加工的单晶硅片表面粗糙度可达Ｒａ０．７ｎｍ。