硅材料非球面光学零件加工工艺研究

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从上世纪 70年代开始，以红外热成像和高能激光为代表的军用光学技术迅速发展。军用光学系统不但要求成像质量好，还要求体积孝重量轻、结构简单。这对光学加工行业是-个严峻考验。为了跟上时代发展的步伐，设计和制作出质地优 良的光学成像系统，光学零件加工行业于 7O年代开展了大规模技术革命和创新活动，研究开发出许多非球面光学零件加工方法↑ 10多年来，非球面光学零件加工技术得到进-步地推广和普及。目前，国内外较为普遍采用的非球面光学零件加工技术有：计算机数控单点金刚石车削技术、光学玻璃透镜模压成型技术、光学塑料成型技术、计算机数控研磨和抛光技术等。现阶段单点金刚石车削技术已经成熟，可以很好的加工锗，硫化锌，有色金属等材料的各种面型的光学零件。但由于硅材料的质地较硬，单点金刚石车削很难获得理想的非球面表面，对大口径零件而言就更难，且成本极高。为了弥补这-缺陷，我们在2006年引进了德国施耐德公司的SCG121A型数控铣磨机和 SCP121A型数控抛光机。

设备主要技术规格如下：最大非球面零件加工口径：250 mm轴数：铣磨机四轴 ( Y、Z、B)抛光机三轴 ( z、B)定位精度：Z Z轴定位精度±1 m轴定位精度±4”主轴最大旋转速度：铣磨机 1 5000 r/min抛光机 2500r/min零件最大旋转速度：2500 r/min加工零件曲率半径：R10-平面1 加工工艺非球面零件加工工艺流程分下列五步：粘胶-粗磨-精磨-粗抛-精抛。下面以图 1所示零件为例，简要叙述-下非球面零件的加工过程：$R彩- - -- 彩/厶 非球面∥ 2要求 面形误差 Rt< 1 gm图 1 零件图1.1 粘胶以图 1为例，1面为球面，2面为非球面，首先用古典精磨方法将零件双面精磨，并将零件等厚差控制在 5 gm 内。之后用磨边胶将零件粘在杯型抛光座上，抛光座如331 扣 瞻陶3 球面铣磨原理围.2 粗磨 - 剧面， 箍 3 脚率半径为非磊晶 球 铣磨原理如图所 刚以冰阴 半径。·足R-。 Dm， - ～2sina～，(凸透镜)～Drn， ～ (凹透镜)- - 埒 球载的力过大而碎裂比坑错 I，零件所0 1.3 精磨 -盘形砂轮铣磨原理如图5所永。

4 杯形砂轮铣墉非球脚原理陶图 5 盘形砂轮铣壤非球面原理硅材料非球面光学零件加工工艺研究 徐 放，肖建国盘形砂轮铣磨零件时，砂轮上-点接触零件，砂轮沿着 方向缓慢移动，零件沿着 ，方向移动，这样使砂轮从零件边缘铣磨到零件中心。

零件表面铣磨完全后，用轮廓仪测量零件面形，如图6所示。

可见，此时面形并不理想，将检测曲线直接导入铣磨机中，机器可以自动生成补偿程序。加入补偿程序，再次铣磨非球面，要注意零件安装位置-定要精确，保证与补偿前位置相同，确保-次性将零件表面铣磨完全。铣磨后再次测量零件面形，如图7所示。

1.4 粗抛粗抛的主要目的是去除铣磨零件时产生的破坏层，从而使零件表面达到镜面要求，并控制好零件面形。采取点抛光方式，抛光工具如图 8所示。

将抛光头的高度，零件高度，及非球面参数输入对话框后，机器会 自动生成抛光程序。抛光力是靠海绵垫压缩所产生的弹力。当然压缩的越多，抛光力越大。抛光效率就越高，反之就越低。我们可以采图 6 轮廓仪对零件表面铣磨完全后零件面形测量曲线A266-2492-X-14-1 -2-As0h 拍 0075mr'NAsp/L-o66.-2492-X-60 6mm/lmin/F PGI 12加1 7 1：16：27 PM6/14脚 7 2：5355 PM图 7 加入补偿程序后轮廓仪对零件表面铣磨完全测量零件面形曲线352013正 云光技术 第 45卷 第 1期1.金属抛光头2.海绵垫3.聚胺脂抛光布图8 非球面抛光头示意图用两种抛光方法：第-种是从零件边缘到零件中心，然后再返回零件边缘，完成-次抛光程序。第二种是从零件的-边开始，抛到零件的另-边，再返回到起始点，完成-次抛光程序。经过反复实践，证明这两种抛光方法并无太大差别，其中使用第二种方法对零件中心的抛光更快-些。通过上述方法将零件表面的破坏层全部去除后，用轮廓仪检测非球面面形，面形如图 9所示。

通过图 9可以明显看出，零件表面的实际曲率半径要比理想曲率半径大。为了达到要求的面形，我们要使零件边缘的去除量比中间的大∩以通过改变抛光时抛光头在零件表面的停留时间来实现这-点。打开补偿曲线对话框，将曲线调整如图 10所示。

可以看出从零件边缘到零件中心的抛光过程中抛光头的进给率是逐渐增大的。

例 如我们 要求抛光 头进给 速率为 100mm/min，那么，在距离零件中心 21 mm处36的移动速度为 100×60%60 mm/min。这样使边缘 的抛光时间比中心的抛光时问长，从而达到多去除边缘来修改面形的目的。在修改面形的过程中，要注意抛光的时间，-次抛光时间不要过长 ，以便于 当零件的局部面形发生变化时，能及时的调整补偿曲线，不会浪费过多的时间。

经过几次补偿后，检测零件面形如图11所示。从图上可以看出，零件面形已经符合图纸要求。

1.5 精抛精抛的 目的是去除零件表面的细道子，提高零件表面光洁度，进-步改善零件面形。抛光原理与方法与粗抛完全-致。

2 结论硅晶体非球面零件数控加工工艺研究的成功，解决了数控抛光非球面的重大工艺难题，提高了竞争能力。同时，为公司节约了大量的外协加工费用，降低了生产成本，保证了公司按时完成生产任务，为公司开辟了新的经济增长点。

81唧 3∞ 41 PM8/12f20078：5矗03 M0.4图9 用轮廓仪检测非球面面形曲线硅材料非球面光学零件加工工艺研究 徐 放，肖建国目前虽已成功加工出合格的非球面光学零件，但工艺上依然存在-些问题。例如对非球面度较大的零件，面形精度还很难达到要求；由于采用柔性抛光技术，零(%)中心件边缘有很严重的塌边现象，需要将零件口径放大 6～8 mm，-定程度上提高了零件的加工成本，且目前加工效率也比较低，这些问题都需要我们进-步解决。

边缘- - ～ (ram) 3.5 7.0 10 5 140 17 5 21 0 24.5 28.0 31 5图 10 非球面抛光补偿曲线图r、.. .- 0、～/ - -50 55 60 髓 70 75 80 85 90 95 1oo 105 11 o 15 20 125.iretres图 1 1 几次补偿后检测零件面形曲线№ edProfile0 02010 0150 0051O 000-O 0051.0.010].0 01 5.0 020]摊 24g2.1 -10-RJxO. mIG/1 /LSa2 鹌纠 68.1mrJ，mir F1 PGI 12401/20D72：2659PM1 aDD78：5 03 MFo 020图 l2 精抛后的面形曲线及粗糙度曲线