專(zhuān)利名稱(chēng)：一種非球曲面零件的高效超精密加工方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非球曲面零件的高效超精密加工方法及裝置。
背景技術(shù)：
非球曲面零件是國(guó)防、航空航天、天文等領(lǐng)域非常重要的一類(lèi)零件，在民用光電產(chǎn) 品上的應(yīng)用也極為廣泛，市場(chǎng)對(duì)非球曲面透鏡的需求量正迅速增加。目前非球曲面零件加 工的主流技術(shù)包括精密拋光技術(shù)以及面型復(fù)制技術(shù)，精密拋光技術(shù)是基于CNC或機(jī)器人 的非球曲面拋光技術(shù)，如計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成形技術(shù)(Computer controlled optical surfacing，CCOS)。CCOS是典型的非球曲面零件精密加工方法，其基本思想是利用一個(gè)比被 加工元件小得多的拋光工具，根據(jù)光學(xué)表面面形檢測(cè)的結(jié)果，由計(jì)算機(jī)控制加工參數(shù)和加 工路徑，完成加工。通過(guò)改變研磨/拋光工具，在此技術(shù)上又出現(xiàn)了氣囊拋光、磁流變拋光、 液體射流拋光等新的一些曲面加工方法。計(jì)算機(jī)控制小工具拋光技術(shù)的加工過(guò)程對(duì)局部誤 差的修正非常有效，但容易產(chǎn)生局部的中高頻殘差。為此出現(xiàn)了應(yīng)力盤(pán)拋光(Mressed-lap polishing, SLP)方法，該方法采用大尺寸彈性盤(pán)為工具基盤(pán)，在周邊可變應(yīng)力的作用下，盤(pán) 的面形可以實(shí)時(shí)地變形成所需要的面形，與非球曲面工件的局部面形相吻合，進(jìn)行研磨拋 光加工。面型復(fù)制技術(shù)是通過(guò)將模仁的面形復(fù)制到工件毛坯上來(lái)實(shí)現(xiàn)非球面的加工，主要 包括塑料成型與玻璃模壓兩種技術(shù)；其中由于塑料的光學(xué)性能及抗變形性、抗高溫性和抗 濕性差等均較差，因此目前各大光學(xué)廠商與研究機(jī)構(gòu)均在大力開(kāi)發(fā)精密模壓技術(shù)。玻璃模 壓(Glass Molding)技術(shù)開(kāi)發(fā)自80年代中期，是將經(jīng)過(guò)預(yù)加工的、具有光學(xué)表面質(zhì)量的玻 璃毛坯放入精密模具中，在無(wú)氧的條件下加溫至材料轉(zhuǎn)換溫度Tg使毛坯軟化，隨后加壓一 次性直接模壓成型出達(dá)到使用要求的光學(xué)零件的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于大規(guī)模精密光學(xué)器件商 業(yè)生產(chǎn)中。以上所述的非球曲面加工方法，精密拋光以及工件的成形都需要一個(gè)復(fù)雜的數(shù)控 系統(tǒng)和高精度、高剛度的多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床系統(tǒng)來(lái)保證加工精度，加工過(guò)程復(fù)雜，對(duì)加工設(shè)備有 高度依賴(lài)性；且其加工設(shè)備或是在CNC或是在機(jī)器人的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，對(duì)主軸、導(dǎo)軌等都 有很高的精度要求，同時(shí)在加工過(guò)程需要嚴(yán)格控制振動(dòng)等對(duì)加工不利的因素，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè) 備成本很高；而對(duì)于光學(xué)玻璃等硬脆材料，為了實(shí)現(xiàn)無(wú)脆性損傷的表面加工，需要在塑性域 進(jìn)行材料去除，切深一般要求亞微米級(jí)以及亞微米級(jí)以下，因此材料去除率低，無(wú)法滿足精 密光學(xué)元件大規(guī)模商業(yè)生產(chǎn)的需求。面型復(fù)制技術(shù)部分滿足了精密光學(xué)元件大規(guī)模商業(yè)生 產(chǎn)的需求，但由于在加工過(guò)程中存在玻璃材料的熱熔與冷卻，玻璃模壓比傳統(tǒng)冷加工冷卻 的要快，其折射系數(shù)會(huì)出現(xiàn)輕微的下降，因此對(duì)加工的每一塊工件都要標(biāo)定其折射率的改 變；從加工效率考慮，更適合加工低轉(zhuǎn)換溫度的材料，因此對(duì)玻璃的種類(lèi)有限制，且目前精 密模壓技術(shù)主要用于加工直徑IOOmrn以下的中小非球面。隨著市場(chǎng)需求的發(fā)展，在現(xiàn)代非球面商業(yè)生產(chǎn)，尤其是在手機(jī)攝像頭、相機(jī)透鏡生 產(chǎn)中，產(chǎn)品批量數(shù)以萬(wàn)計(jì)，因此最急迫的問(wèn)題就是如何降低成本、提高加工效率并保證產(chǎn)品 的批量重復(fù)性，因此有必要提供一種低成本的非球曲面零件的高效超精密加工方法及裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種非球曲面零件的高效超精密加工方法及裝置，本非球曲 面零件的高效超精密加工方法及裝置在保證加工精度的同時(shí)，能極大地提高加工效率、顯 著降低加工成本。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下—種非球面零件的高效超精密加工方法，其特征在于利用彈性變形原理采用平 面加工的方式加工自由曲面，包括以下步驟步驟1 將一個(gè)塊狀材料的一個(gè)面加工為與目標(biāo)非球曲面的曲面形狀相反的曲面 面形，該塊狀材料形成一個(gè)與目標(biāo)非球曲面對(duì)應(yīng)的負(fù)形靠模；負(fù)形靠模上具有曲面面形的一面為靠模面；在負(fù)形靠模上與靠模面相對(duì)的未進(jìn)行 加工的一面為平滑面；在負(fù)形靠模的靠模面與平滑面之間至少打通一個(gè)通道作為產(chǎn)生負(fù)壓時(shí)的氣流通 道；或者，負(fù)形靠模的材料選用多孔隙類(lèi)材料；步驟2 將一個(gè)雙面平滑的平板工件與所述負(fù)形靠模的靠模面相接觸；啟動(dòng)真空 泵，真空泵通過(guò)氣流通道在平板工件與負(fù)形靠模的靠模面之間產(chǎn)生負(fù)壓，所述平板工件在 該負(fù)壓的作用下產(chǎn)生完全彈性變形，并與靠模面緊密貼合，所述平板工件變形后未與靠模 面接觸的面作為被加工表面，被加工面為曲面；負(fù)形靠模的材料還有可能選用多孔陶瓷或者多孔金屬等多孔隙類(lèi)材料，使工件的 吸附更加均勻；于是在加工步驟上會(huì)出現(xiàn)兩種并行的情況。步驟3 將被加工表面加工成為平面；步驟4 將所述平板工件與負(fù)形靠模分離，平板工件產(chǎn)生恢復(fù)性彈性變形，所述平 板工件原先與靠模面相接觸的面變形為平面，所述被加工表面形成與目標(biāo)非球面形相同的 面形，加工完成；重復(fù)上述步驟2-4，可實(shí)現(xiàn)工件的批量面型復(fù)制加工。所述的負(fù)形靠模在吸附平板工件之前，需先根據(jù)平板工件的材料與尺寸對(duì)靠模面 面形進(jìn)行修正。以平面加工方式對(duì)被加工表面進(jìn)行研磨與拋光加工，直至被加工表面成為平面。所述的負(fù)形靠模由剛性材料構(gòu)成，所述的剛性材料包括但不限于硬質(zhì)合金或模具 鋼；所述的平板工件由具備彈性變形能力的材料構(gòu)成，所述具備彈性變形能力的材料包括 但不限于光學(xué)玻璃和碳化硅。一種非球面零件的高效超精密加工裝置，負(fù)形靠模上具有一個(gè)靠模面，靠模面被 加工成與目標(biāo)非球曲面形相反的曲面；在負(fù)形靠模上與靠模面相對(duì)的未進(jìn)行加工的一面為 平滑面；在負(fù)形靠模上設(shè)有一條或多條用于連通靠模面與平滑面且作為產(chǎn)生負(fù)壓時(shí)的氣流 通道，或者，負(fù)形靠模的材料選用多孔隙類(lèi)材料；真空泵和用于施加載荷的加載設(shè)備設(shè)置在 負(fù)形靠模的平滑面一側(cè)，平板工件的一面在負(fù)壓作用下與靠模面緊密貼合，平板工件的另 一面為加工面，在加工面一側(cè)設(shè)有研磨設(shè)備和拋光設(shè)備。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為
在平面零件的加工過(guò)程中，工件與研磨/拋光工具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系較為簡(jiǎn)單，無(wú) 需復(fù)雜的成形運(yùn)動(dòng)，加工過(guò)程容易控制。因此為了克服當(dāng)前非球曲面加工方法加工過(guò)程復(fù) 雜、設(shè)備成本高的不足，本發(fā)明利用彈性材料的彈性變形機(jī)理將復(fù)雜的曲面加工轉(zhuǎn)變?yōu)楹?jiǎn) 單、易操作的平面加工。當(dāng)光學(xué)玻璃材料發(fā)生小變形時(shí)，可以認(rèn)為光學(xué)玻璃材料符合各向同性及完全彈性 兩個(gè)基本假設(shè)。各向同性意為工件內(nèi)的一點(diǎn)在各個(gè)方向上的力學(xué)性能是相同的；而完全彈 性意為當(dāng)工件所受外力不超過(guò)一定限度時(shí)，在所施加外力撤去后，其變形可完全消失。同 時(shí)，光學(xué)玻璃材料也符合變形與載荷的獨(dú)立與疊加原理，即研磨拋光工具引起的變形與施 加的外力引起的變形相互獨(dú)立，加工過(guò)程中研磨拋光工具對(duì)工件的作用不會(huì)影響施加的外 力引起的工件變形。因此對(duì)于與平面偏離程度不大的非球曲面透鏡，可以考慮按照如下 方法進(jìn)行加工，即先在一塊剛性材料上使用研磨、拋光等非球曲面加工技術(shù)加工出欲加工 非球曲面的面形，形成一個(gè)負(fù)形靠模充當(dāng)工件夾具；接著將精密平板光學(xué)玻璃材料工件毛 坯置于負(fù)形靠模的靠模面上，并在工件與靠模面之間產(chǎn)生負(fù)壓，使工件產(chǎn)生小變形并與靠 磨面緊密貼合；隨后采用平面加工方式對(duì)工件進(jìn)行精密研磨拋光加工；加工完成后釋放負(fù) 壓，待工件的彈性變形完全消失后即可得到所需非球曲面透鏡，這樣即將復(fù)雜的非球曲面 加工轉(zhuǎn)換成為簡(jiǎn)易的平面加工。有益效果本發(fā)明提出了一種利用工件彈性變形采用平面加工方式對(duì)非球曲面零件進(jìn)行超 精密加工的新方法根據(jù)預(yù)期板狀零件工作表面輪廓，制作負(fù)形靠模充當(dāng)工件夾具，并根據(jù) 工件的材料與尺寸對(duì)靠模面面形進(jìn)行修整；將精密平板工件毛坯在彈性變形范圍內(nèi)用真空 吸附方式緊密吸附于負(fù)形靠模表面；以平面研磨、拋光等技術(shù)對(duì)毛坯進(jìn)行精密與超精密加 工；加工完成后從負(fù)形靠模上釋放工件，工件彈性變形恢復(fù)，被加工表面即形成預(yù)期輪廓。 該方法使復(fù)雜的曲面加工轉(zhuǎn)變?yōu)楹?jiǎn)單、易操作的平面加工，為非球曲面零件的高效、低成 本、批量超精密加工提供新方法，具有重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1、在保證高加工精度的同時(shí)獲得較高的加工效率，實(shí)現(xiàn)高效的精密超精密加工；2、簡(jiǎn)化加工工藝過(guò)程，實(shí)現(xiàn)低成本的非球面零件批量加工；采用原有的加工工藝， 如果需要批量生產(chǎn)，需要對(duì)每一個(gè)非球曲面零件分別進(jìn)行超精密加工，耗費(fèi)的加工成本、儀 器成本、人力成本和測(cè)試成本等都非常巨大，而采用本發(fā)明的工藝，只需精密加工一個(gè)模具 (即負(fù)形靠模)，再用該模具批量生產(chǎn)出任意多個(gè)能達(dá)到高精密度要求的非球曲面零件，猶 如一塊底片能沖洗出無(wú)窮多張照片一樣，不但極大的提高了生產(chǎn)效率，而且極大的降低了 生產(chǎn)成本，并完全能保證產(chǎn)品的批量重復(fù)性，為超精密非球曲面零件的批量生產(chǎn)提供極大 的技術(shù)指導(dǎo)和支持。3、降低對(duì)加工設(shè)備的依賴(lài)性。


圖1為目標(biāo)非球面形。圖2為加工修整完成的靠模以及工件毛坯。圖3為工件吸附于靠模上并產(chǎn)生彈性變形。
圖4為對(duì)工件進(jìn)行平面研磨。圖5為工件平面研磨完成。圖6為負(fù)壓釋放后工件與靠模分離。圖7為工件彈性回復(fù)后得到目標(biāo)非球面形。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合圖和具體實(shí)施過(guò)程對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。參照?qǐng)D1到圖7，一種非球曲面零件的高效超精密加工方法，該加工方法包含以下 步驟(1)、將一個(gè)雙面平滑的剛性材料塊的某一面加工為與目標(biāo)非球曲面形1相反的 經(jīng)過(guò)修整的面形，構(gòu)成一個(gè)負(fù)形靠模6 ； (2)、在所述負(fù)形靠模6的靠模面3與平滑面之間至 少打通一個(gè)通道5作為產(chǎn)生負(fù)壓時(shí)的氣流通道；(3)、將一個(gè)雙面平滑的平板工件2與所述負(fù)形靠模6的靠模面3相接觸；(4)、啟動(dòng)真空泵并通過(guò)(2)中所述通道5在(3)中所述平板工件2與所述負(fù)形靠 模6之間產(chǎn)生負(fù)壓。所述平板工件2產(chǎn)生完全彈性變形，并與所述負(fù)形靠模的靠模面3緊 密貼合。所述平板工件2變形后其未與所述負(fù)形靠?？磕Ｃ娼佑|的面7作為被加工表面， 被加工表面7的面形與目標(biāo)非球曲面面形1相反；(5)、對(duì)(4)中所述被加工表面7施加載荷9，通過(guò)研磨盤(pán)8以平面加工方式進(jìn)行研 磨與拋光加工，直至所述被加工表面7成為平面；(6)、停止真空泵，釋放(3)中所述平板工件2與所述負(fù)形靠模6之間的負(fù)壓，所述 平板工件2產(chǎn)生恢復(fù)性彈性變形。所述被加工表面7形成與目標(biāo)非球曲面形1相同的面形， 所述平板工件2與所述負(fù)形靠模靠模面3相接觸的面變形至平面。在所述步驟⑴中，所述的負(fù)形靠模6由硬質(zhì)合金、模具鋼等剛性材料構(gòu)成；在所 述步驟(3)中，所述的平板工件2由光學(xué)玻璃、碳化硅等可彈性變形材料構(gòu)成。由于光學(xué)玻璃沒(méi)有固定的特征強(qiáng)度，其特征強(qiáng)度主要取決于表面裂紋的情況，因 此所述的平板工件在吸附于負(fù)形靠模的靠模面之前，需先對(duì)其表面進(jìn)行研磨與拋光加工， 以消除所述平板工件表面的裂紋。所述的負(fù)形靠模在吸附平板工件之前，需先根據(jù)平板工件的材料與尺寸對(duì)靠模面 面形4進(jìn)行修整至實(shí)際加工面形3。實(shí)施例1 針對(duì)BK7 (K9)光學(xué)玻璃使用本發(fā)明提出的方法進(jìn)行了變形加工試驗(yàn)，工件材料性 能如下楊氏模量E = 7480kg/mm2，泊松比ν = 0. 23。被加工面預(yù)期為離軸拋物面，基本 參數(shù)如下頂點(diǎn)曲率半徑R0 = 4870mm，焦距f = M;35mm，離軸距t = 160謹(jǐn)，通光口徑D = 220mm，厚度h = 30mm。靠模氣流通道數(shù)目為5個(gè)，通道口徑10mm，所使用的真空發(fā)生器為 深圳永創(chuàng)能科技有限公司的VA280型真空發(fā)生器，加工時(shí)真空度為_(kāi)75kPa，磨料為氧化鈰， 磨料與水的比例為1 4，加工設(shè)備為杭州智邦納米公司出品的Nanopoli-100型精密拋光 機(jī)，拋光壓力為2. 5kPa，工件轉(zhuǎn)速為IOOrpm，拋光時(shí)間為lh，最后工件加工完成后實(shí)測(cè)焦距 f，= 2436. 5 士 1mm，離軸距 t = 161 士 2mm。
權(quán)利要求
1.一種非球面零件的高效超精密加工方法，其特征在于利用彈性變形原理采用平面 加工的方式加工自由曲面，包括以下步驟步驟1 將一個(gè)塊狀材料的一個(gè)面加工為與目標(biāo)非球曲面的曲面形狀相反的曲面面 形，該塊狀材料形成一個(gè)與目標(biāo)非球曲面對(duì)應(yīng)的負(fù)形靠模；負(fù)形靠模上具有曲面面形的一面為靠模面；在負(fù)形靠模上與靠模面相對(duì)的未進(jìn)行加工 的一面為平滑面；在負(fù)形靠模的靠模面與平滑面之間至少打通一個(gè)通道作為產(chǎn)生負(fù)壓時(shí)的氣流通道；或 者，負(fù)形靠模的材料選用多孔隙類(lèi)材料；步驟2 將一個(gè)雙面平滑的平板工件與所述負(fù)形靠模的靠模面相接觸；啟動(dòng)真空泵，真 空泵通過(guò)氣流通道在平板工件與負(fù)形靠模的靠模面之間產(chǎn)生負(fù)壓，所述平板工件在該負(fù)壓 的作用下產(chǎn)生完全彈性變形，并與靠模面緊密貼合，所述平板工件變形后未與靠模面接觸 的面作為被加工表面，被加工面為曲面；步驟3 將被加工表面加工成為平面；步驟4 將所述平板工件與負(fù)形靠模分離，平板工件產(chǎn)生恢復(fù)性彈性變形，所述平板工 件原先與靠模面相接觸的面變形為平面，所述被加工表面形成與目標(biāo)非球面形相同的面 形，加工完成；
2.如權(quán)利要求1所述的非球面零件的高效超精密加工方法，其特征在于所述的負(fù)形 靠模在吸附平板工件之前，需先根據(jù)平板工件的材料與尺寸對(duì)靠模面面形進(jìn)行修正。
3.如權(quán)利要求1所述的非球面零件的高效超精密加工方法，其特征在于步驟3的過(guò) 程是以平面加工方式對(duì)被加工表面進(jìn)行研磨與拋光加工，直至被加工表面成為平面。
4.如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的一種非球面零件的高效超精密加工方法，其特征在 于所述的負(fù)形靠模由剛性材料構(gòu)成，所述的剛性材料包括但不限于硬質(zhì)合金或模具鋼； 所述的平板工件由具備彈性變形能力的材料構(gòu)成，所述具備彈性變形能力的材料包括但不 限于光學(xué)玻璃和碳化硅。
5.一種非球面零件的高效超精密加工裝置，其特征在于，負(fù)形靠模上具有一個(gè)靠模面， 靠模面被加工成與目標(biāo)非球曲面形相反的曲面；在負(fù)形靠模上與靠模面相對(duì)的未進(jìn)行加工 的一面為平滑面；在負(fù)形靠模上設(shè)有一條或多條用于連通靠模面與平滑面且作為產(chǎn)生負(fù)壓 時(shí)的氣流通道，或者，負(fù)形靠模的材料選用多孔隙類(lèi)材料；真空泵和用于施加載荷的加載設(shè) 備設(shè)置在負(fù)形靠模的平滑面一側(cè)，平板工件的一面在負(fù)壓作用下與靠模面緊密貼合，平板 工件的另一面為加工面，在加工面一側(cè)設(shè)有研磨設(shè)備和拋光設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明提出一種非球曲面零件的高效超精密加工方法及裝置，本發(fā)明利用工件彈性變形，采用平面加工方式對(duì)非球曲面零件進(jìn)行超精密加工根據(jù)預(yù)期零件工作表面輪廓，制作負(fù)形靠模充當(dāng)工件夾具，并根據(jù)工件的材料、尺寸與加工參數(shù)對(duì)靠模面面形進(jìn)行修整；將精密板狀工件毛坯在彈性變形范圍內(nèi)用真空吸附方式緊密吸附于負(fù)形靠模表面；以平面研磨、拋光等技術(shù)對(duì)毛坯進(jìn)行精密與超精密加工；最后從負(fù)形靠模上釋放工件，工件彈性變形恢復(fù)，被加工表面即形成預(yù)期輪廓；在一個(gè)負(fù)形靠模上可以對(duì)目標(biāo)面型進(jìn)行重復(fù)復(fù)制，從而實(shí)現(xiàn)非球面工件的批量加工。該發(fā)明為非球曲面零件的高效、低成本、批量超精密加工提供新方法，具有重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)B24B7/24GK102139465SQ20101028362
公開(kāi)日2011年8月3日 申請(qǐng)日期2010年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月16日
發(fā)明者呂冰海, 吳喆, 袁巨龍 申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué), 浙江智邦精工科技有限公司, 湖南大學(xué)