光学玻璃的精密加工技术.pdf

精密制造与自动化
2011年第3期
つ。。。。ae。。。
报道与评述
oooつoつつつo→心o
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ELD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査卫星照相机镜提高了加工效率、尺寸精度稳定性好、加工过程可
头,隐形雷达探照镜,高速飞行器窗口以及激光发控性强。
射装置中的光学透镜,祾鏡等超精密玻璃材料。小
到各类相机的镜头,大到天文望远镜的大型反射
光学玻璃精密加工技术
镜,都有光学玻璃的应用。由于光学玻璃的广泛应
光学玻璃超精密加工的技术难点在于,光学玻
用,传统的加工方法已不能满足精密加工的需璃是一种典型的脆硬材料,其突出的特性就是材料
要,尤其是对于加工非球曲面形状和具有小曲率半脆性高,断裂韧性低。用常规的加工方法,难以获
径的非球凹面零件,传统的加工方法加工较为困难得高的表面质量。通过以下介绍的4种加工方
且不能保证加工精度,不符合现代高科技发展的要法,可以看到这些精密加工方法的优点以及所能达
求
到的加工精度和其最新的研究进展。
常用光学玻璃精密加工方法有:ELD法,这1.1在线电解修锐法( Electrolytic In- process
项技术通过使用超细微(或超微粉)超硬磨料用来 Dressing,筒称BLID法)
制造砂轮,解决了超细微粒度砂轮应用中难以修整
光学零件的加工不仅要求精度高,加工表面超
及磨削过程中容易堵塞的缺陷,由于基体材料是微光滑,而且要求加工表面没有加工变质层。在这样
量去除的,故在整个磨削过程中砂轮表面的磨粒始的加工要求下就产生了硬脆材料的延性方式磨
终保持锐利,实现了硬脆材料高精度,高效率的超削。当每个砂轮磨粒切除的材料体积小到足以塑性
精密磨削;激光加工光学玻璃是一种较新的精密加流动而不产生脆性断裂即产生裂纹时,就实现了延
工方法,这种加工方式的突出优点是不产生切削力性方式“无损伤”磨削。
而且加工的热影响小,同时电脑编程与加工设备可
日本学者大森整等人从1987年对铸铁纤维结
紧密结合,特别适用于单件加工或小批量生产;超合剂金刚石砂轮等的高强度金属结合剂的超硬磨料
声磨削,是一种复合加工方法,主要特点是加工效砂轮,开发了借用 Electrolytic In- Process
率高、表面质量好、工具磨损小、成本低,特别适 Dressing(ELID)的磨削法,利用ELD法在线修锐
用于脆性光学材料的平面加工;在加工非对称且具金刚石砂轮磨削硅片、陶瓷或其他硬脆材料可获得
有复杂功能表面结构的光学零件模具时,精密铣削纳米级加工表面,实现了硬脆材料的超精密磨
加工因其独特的优点而受到重视,其突出的优点是削,现在己成功应用于球面、非球面透镜、模具的
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生的热应力。故使用两束激光加工在提高加工质量
(CUPE)己研制出超精密三轴CNC磨床,能对小范的同时还可以有效地降低试件表面的热应力。
围玻璃材料进行延性方式磨削。日本学者宮下等人
3超声磨削
通过带有微量进给的立式平面磨床磨削水晶,工件
超声磨削加工是把超声技术和磨削技术相结合
的表面粗糙度达到了Rp2mm。在超精密非球面加工的一种复合加工方法。超声磨削包括超声研磨、超
机床上借助ELID磨削技术,加工光学玻璃BK7的声研抛和超声珩磨。超声磨削具有加工效率高、表
非球面透镜,成功地达到面型精度优于0.2um,表面质量好、工具磨损小、成本低等优点。采用超声
面粗糙度Rma20nm,而对于稍软质的 LASFN30和磨削的方法加工脆性光学材料时工艺参数对表面质
Ge等材料的非球面也得到了面型精度0.2~0.3m,量影响较大,已加工表面粗糙度随着超声波振
表面粗糙度Rnma30nm级良好镜面。ELID磨削技术,幅、切深和工具横向进给速度的增加而増大,随着
作为非球面光学零件的实用制造技术,可使零件的超声波频率、磨粒粒度号和工具转速的增加而降低。
最后抛光量减小到最小限度。
超声磨削的材料去除率很高,约为普通磨削的2
用ELID磨削光学玻璃,脉冲频率的大小也是2.5倍,而且工具的磨损量很小仅为普通磨削的
十分重要的,在其他参数保持不变的情况下,脉冲1/5~1/10。在玻璃上进行超声研磨钻孔,随着暦料
率较高时得到的被加工工件表面质量较好,但频粒度的增加,加工表面质量的提高,边崩处的直径
率过高时反而会使表面质量下降,如果频率过也随之增大,但是试件没有发现有热变形和内应力
低,表面质量则会明显的下降。要使磨削过程中保变形等加工缺陷。超声波研抛属于超精密加工的范
持较好的出刃状态,要使氧化膜的状态薄且致密性畴,可用作超精密加工的最后加工工序来保证被加
适中,从而提高加工质量,应选择较小的电压
工工件的尺寸精度和表面质量,其应用广泛,可加
1.2激光加工
工各种硬脆材料,既可以加工平面也可以加工复杂
激光加工是一种比较适用于单件和小批量加曲面。超声珩磨的加工表面与普通珩磨相比,磨削
工.工件的现代精密加工方法,其独有的优点是无接沟槽不仅宽底且平坦,网纹均匀,而且沟槽的顶部
触、无切削力、热影响小、加工环境干净整洁。在平整且不存在断续现象。普通珩磨延性域加工临界
生产和试验中,已利用激光的高能量密度使玻璃局磨削深度小于1.5um,而在超声珩时临界磨削深度
部瞬间熔化以至汽化来进行打标,内外雕刻、打可达3um,并且在较高的转速下取得的粗糙度值比
孔、切割,或是利用热应力使材料内产生内裂纹并普通珩磨高1~2级。
使裂纹沿规定的方向扩展而达到切割的目的。在理
最新的一项超声磨削光学玻璃试验是对不同钻
论上,激光可将任何材料铣削至所要求的尺寸。
心形状的金刚石砂轮及不同型号的磨粒进行研
最新的一种加工方式是采用两束二氧化碳激究。分别选用三种砂轮:1号是直角砂轮,钻心无
光束进行加工,在这项研究中使用两朿激光束进行槽;2号是顶端带有一定的倾角但钻心无槽的砂轮;
加工,其中的一束是用来预热光学玻璃工件以降低3号是顶端直角且钻心带有两条槽的砂轮。超声波
温度梯度,另一東则用来加工工件。预热激光束在加在砂轮上,不加超声时为普通磨削。当进给速度
加工激光束的前方,两束激光之间始终保持一个固低于0.03mm/s,用超声磨削加工质量较好,而高于
定的距离。加工中使用的工件为碳酸钙玻璃,试验这个值时,普通蘑削加工质量较好。在所有条件
分为有预热以及无预热两种情况。结果表明,采用下,用2号砂轮加工出的工件表面质量要比其他两
単東的二氧化碳激光束加工时(即无预热),工件表种