非球面光学零件的超精密磨削技术
非球面光学零件的超精密磨削技术
广州斗龙光学科技有限公司(http://www.douloongoptics.com)非球面透镜生产工厂
杨福兴
超精密加工技术国防科技重点实验室
非球面光学零件广泛应用于航空机载设备(雷达测距仪)、卫星(先进的光学望远系统、高分辨率的电视摄像系统、高灵敏度的红外传感系统)、激光制导、红外探测等领域，同时在民用光电产品上的应用更为广泛．
1非球面光学零件的延性方式磨削技术
1．1延性方式磨削技术
最近，短波长光学，特别是 x射线光学领域中的研究活动表明， x射线领域的光学元件多采用非球面，并要求零件的形状精度达到纳米级，表面粗糙度达到埃级，而且越来越多的使用硬脆性材料。这些零件的传统加工方法是磨削加工后，经过研磨、抛光工序，精加工成所需零件，这种方法的生产效率低，加工周期长，不能适应现代生产的需要。作为光学零件的加工，一方面要求精度高，加工表面超光滑，另一方面又要求加工表面没有加工变质层。在这种需求下，就产生了硬脆材料的延性方式磨削，成为超精密加工的一个热点。
在一定的控制条件下，可使用单点或多点金刚石工具(磨削)加工诸
如玻璃和陶瓷一类的脆性材料，因材料是塑性流动方式去除的，得到没有裂纹的加工表面，因此称这一工艺过程为“延性(塑性)”或“剪切”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。实际上，这就意味着要保证未变形切削厚度小于脆性一一延性转换临界值，这个临界值因材料不同而变化，但约为 O．1μm。因此实现延性方式磨削的主要因素是机床系统精度和工具与工件之间的动态刚度，具体条件为：
1)微细磨粒砂轮的高精密“修整”和“修锐”以保证砂轮足够锋利2)设计和制造出高动态刚度的主轴，主轴的运动误差(径向和轴向)必须小于0．1 μm；3)设计和制造出高动态刚度的导轨，其运动误差(线性和回转)必须小于0．1μm；4)光滑、无噪声、高刚度伺服驱动控制形成切削的运动。
根据经验，一个不小于300N／μ m(静态)的机床闭环刚度(在工具和工件之间)是必需的，为满足上述条件，除上面介绍的主轴和导轨满足上述条件外，还必须研制出高精度、高刚度的砂轮主轴，同时还须要研制出高效的砂轮修整装置。另外热、振源的减少及其隔离以及能动控制，纳米级测量和控制系统，工件材质的选定，工件保持等外围技术的问题的解决，也是支承廷性方式磨削加工技术的重要问题。
英国 Cranfield大学的精密工程研究所(CUPE)己研制成功超精密三
轴 CNC磨床，并能对一些先进工程陶瓷和一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 p—v2nm，日本学者难波等人通过具有零膨胀的玻璃陶瓷主轴的精密平面磨床磨削光学玻璃 NBFl，工件的表面粗糙度达到了Rmax5nm，以前只能靠研磨和抛光才能加工出来的零件，现在用延性方式磨削也能加工；
1．2应用了延性方式磨削技术的非球面光学零件的超精密加工机床
Rank Pneumo公司于1996年已经开发出 Nanoform250超精密加工系统，该系统具有两轴超精密 CNC机床，在该机床上既能进行超精密车削，又能进行超精密磨削，另外还能进行超精密抛光，该机床最突出的特点是能直接磨削出满足光学表面质量和面型精度的硬脆材料的光学零件。该机床采用了许多 Nanoform600、0ptoform50的先进设计思想，机床最大加工工件直径φ250mm，通过一个升高装置可使机床的最大加工工件直径达到φ450mm，另外通过控制垂直方向的液体静压导轨(Y轴)，还能够磨削非轴对称的零件。机床数控系统的分辨率为0．001μm：位置反馈元件是分辨率8．6nm的光栅或分辨率1．25nm的激光干涉仪，加工工件的面型精度优于0．2μm／表面粗糙度优于 Ra0．01μm。
英国 Cranfield大学的精密工程研究所(COPE)研制的Nanocentre非
球面光学零件的加工机床 Nanocentre250、 Nanocentre600，是一种3
轴超精密 CNC非球面加工装置，它是由 Cranfield Precision
Engineering Ltd．为满足单点和延性磨削两方面的使用要求而设计制造的，通过合理化的机床结构，使用高刚度伺服驱动和液体静压轴承使机床具有较高的闭环刚度，X和 Z轴的分辨率是1．25nm，该机床被认为是符合现代工艺规范的。加工工件直径为φ250mm和φ600mm，其面型精度优于0．1μm，表面粗糙度优于 Ra0．01μm， CUPE还为美国柯达公司研究、设计和生产当今世界上最大的超精密大型 CNC光学零件磨床“0AGM2500”，该机床主要用于光学玻璃等硬脆材料的加工，可加工和测量2．5m×2．5m×0．61m的工件，它能加工出2m见方的非轴对称光学镜面，镜面的形状误差仅为1μm。
日本丰田工机研制的 AHN60—3D是一台CNC高精度三维截形磨削和车削机床，它能在 X、 Z和B三轴控制下磨削和车削轴向对称形状的光学零件，在 X、 z和 Y轴2个半轴控制下能磨削和车削非轴对称的光学零件，加工工件的截形精度为0．35μm，表面粗糙度 Ra0.016μm。
国内从80年代开始了超精密加工技术的研究，比国外整整落后了20年，现在已有一些单位开展了非球面零件的超精密车削技术的研究工作。其中长春光机所前几年引进了 Rank Pneumo公司的MSG一325CNC超精密车床，主要用来车削一些金属光学零件，同时该所还开展了数控加工光学玻璃、晶体锗等材料的非球面加工技术研究，取得了一定的进展。另外国内还有一些单位通过精密磨削一超精密研磨和手工抛光也能加工出高精度的非球面光学零件。因此目前国内还没有一台自行研制能达到超精密级的CNC非球面磨削加工机床，所以非球面零件的超精密磨削技术基本上还是一片空白，不能满足国防工业的需要。
2非球面光学零件的ELID超精密磨削技术
从上面的分析可知，要实现延性方式磨削，需要高精度、高刚度的机械装置，同时还需要微细磨粒砂轮的高精密修整和修锐。在微细磨粒砂轮的研究方面日本学者宫下等人提出了使用微细修整的砂轮，在塑性领域磨削量之下进行的微细磨削。在这方面日本学者中川、大森整等人应用 ELID技术，成功地实现了对硬脆材科的超精密磨削。
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 ProcessDr9ssin8(ELID)的磨削法，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、模具的超精密加工。
2．1 ELOD超精密磨削的原理
ElID磨削系统包括：金属结合剂超微细粒度超硬磨料砂轮、电解修整电源、电解体整电极、电解液(兼作磨削液)、接电电刷和机床设备。 ELID磨削原理见本刊1994年 No．9“在线电解修整磨削先进陶瓷”一文。
金属基结合剂砂轮的机械强度高，通过设定合适的电解量，可使砂轮磨损减少，在超精密磨削的同时，又能得到较高的形状精度，应用这一原理，能实现从平面到非球面，各种形状的光学元件的超精密磨削。
2．2 ELlD超精密磨削实验系统
在 Rank Pneumo公司的 ASG—2500T机床上，装上大森整的 ELID系统，该系统由砂轮、电源、电极及磨削液等组成。在毛坯成形粗加工时，使用400号砂轮，半精加工使用1000号砂轮或2000号砂轮，而在超精密磨削时，使用4000号(平均粒径为4μm)或8000号(平均粒径约为2μm)的铸铁结合剂金刚石砂轮。砂轮尺寸、形状为φ75W3平形砂轮。电解修锐电源(ELID电源)，使用了发生直流高频脉冲电压的专用电源，电源的电压是60V，电流是10A。磨削液是将水溶性磨削液 AFH— M和 CEM稀释成50倍，依靠自来水或纯水稀释。
2．3 ELID超精密磨削的实验结果
在加工非球面时，通过安装在工件轴上的碗形工具(325号铸铁结合
剂金刚石砂轮φ30×W2mm)进行平砂轮的 R成形修整，约10min的电解初期修锐后，经过400号砂轮的粗磨，1000号砂轮的半精加工，依靠4000号砂轮进行 ELID超精密磨削。
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 BK一7的非球面透镜，成功地达到面型精度优于 O．2μm，表面粗糙度 Rmax20nm，而对于稍软质的LASFN30和Ge等材料的非球面，也得到了面型精度优于0.2μm-0.3μm，表面粗糙度Rmax30nm，表面粗糙度Rmax30nm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。
