離軸薄壁非球面光學零件的超精密加工裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種離軸薄壁非球面光學零件的超精密加工裝置，用來加工離軸薄壁非球面光學零件，該光學零件的光學面為非球面，非球面對稱光軸與幾何中心軸的夾角為非球面的楔角，且在中心部位設有通孔，該裝置包含：楔角工裝，其頂面設有凹槽，所述的光學零件設置在凹槽內；墊片，其填充在所述光學零件的通孔內；墊圈，其安裝在光學零件外圓壁與楔角工裝頂面之間；凹槽頂面的楔角由光學零件非球面的楔角和零件口徑計算所得將光學零件的非球面墊平，使得非球面對稱光軸與幾何中心軸相重合。本實用新型巧妙的利用楔角工裝、墊片及墊圈，精準地加工出離軸薄壁非球面光學零件，解決了離軸薄壁非球面光學零件難加工的問題。
【專利說明】離軸薄壁非球面光學零件的超精密加工裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及光學零件的加工裝置，特別涉及一種離軸薄壁非球面光學零件的超精密加工裝置。
【背景技術】
[0002]如圖1、2所示為離軸薄壁非球面光學零件的結構示意圖，該光學零件I的光學面為非球面11，非球面對稱光軸與幾何中心軸的夾角為非球面的楔角α，且在中心部位設有通孔12，加工出光學零件成品的楔角α的精度在±1'以內，中心部位通孔的厚度控制在
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[0003]現有技術中加工非球面加工技術包括:光學玻璃模壓技術、單點金剛石車削技術、古典法修帶技術、磁流變拋光技術、離子束拋光技術以及計算機控制光學表面成型技術。
[0004]1、光學玻璃模壓成型技術
[0005]美國柯達公司在20世紀70年代研究成功玻璃的精密模壓成型技術，一次就完成光學球面或非球面的零件成型，不需要研磨拋光的加工。光學玻璃模壓成型技術，是利用了玻璃從熔融態(tài)向固態(tài)轉化的過程是連續(xù)可逆的熱加工性質，在玻璃的轉變溫度Tg附近，在無氧條件下，對玻璃和模具進行加溫加壓，一次性將光學玻璃模壓成達到使用要求的光學零件。由于光學玻璃模壓成型法摒棄了傳統(tǒng)的粗磨、精磨、拋光以及定心磨邊等工序，直接一次成型，大大節(jié)省了材輔料、時間、設備及人力，且能模壓出不同形狀，尤其是在非球面光學玻璃零件制造方面，有著廣闊的應用前景。光學玻璃模壓成型技術，是一項綜合技術，需考慮玻璃材料、模具材料、模壓設備及模壓的工藝參數。該技術主要適用于小型非球面制造，目前最大模壓尺寸在50mm以內，而且不能模壓離軸非球面光學零件。
[0006]2、單點金剛石車削技術
[0007]計算機數控單點金剛石車削技術，是由美國國防科研機構于60年代率先開發(fā)、80年代得以推廣應用的非球面光學零件加工技術。它是在超精密數控車床上，采用天然單晶金剛石刀具，在對機床和加工環(huán)境進行精確控制條件下，直接利用金剛石刀具單點車削加工出符合光學質量要求的非球面光學零件。目前，采用金剛石車削技術可以加工的材料:有色金屬、鍺、塑料、紅外光學晶體，但是不能車削玻璃。
[0008]3、古典法修帶技術
[0009]古典法修帶技術是傳統(tǒng)的非球面光學零件材料去除式加工方法。這種方法，是先把零件研磨成最接近球面形狀，然后用機器或手工繼續(xù)局部研磨或拋光，邊加工邊測量，直至修磨出符合要求的非球面面形。由于主要依靠手工，所以這種方法只適用于大口徑且非球面度較小的非球面。按此方法加工出的非球面，可達到很高的精度，但效率低，且精度重復性差，只適用于單件或小批量生產，古典法修帶技術適合于回轉對稱的非球面的加工，不能用來加工離軸非球面。
[0010]4、磁流變拋光技術
[0011]磁流變拋光技術(MRF)，是美國Rochester大學提出的一種新型的光學零件加工方法，其將電磁學流體動力學理論、分析化學有機結合起來。磁流變拋光液在高強度的梯度磁場中會變硬，而成為具有粘塑性的Bingham介質,形成類似鍛帶的凸起。當這種介質流經工件與運動盤形成的很小空隙時，工件表面材料會被工件表面與其接觸的區(qū)域產生的剪切力去除。由于磁流變拋光能夠獲得品質很高的光學表面，與CCOS相結合，可實現計算機控制，從而得到較復雜的面形，且去除效率高，不會存在刀具磨損、堵塞現象。因其獨特的剪切去除機理在保證較高去除效率的同時不引入亞表面損傷，可以高效消除磨削產生的亞表面損傷層，實現近零亞表面損傷和納米級精度拋光。缺點是有磁介質不能使用，且磁流變液特性隨材料變化，拋光去除函數必須隨時標定，同時受到磁盤尺寸的限制，對于一些高陡度的非球面光學零件無法加工。
[0012]5、離子束拋光
[0013]離子束拋光是1965年美國亞利桑那大學的工作人員發(fā)現并研制成功的。目前，美國離子光學公司、法蘭克福兵工廠早已研制成功離子束拋光設備，并應用于生產。此外，日本、英國、法國等國也已開發(fā)和研究了這一新技術。離子束拋光的原理，是將惰性氣體(如氬、氪、氙等)原子在低真空中電離為離子，再加速撞擊到放在高真空度的真空室內的工件表面上，以原子量級將其表面材料予以去除。離子束加工玻璃的主要特點，是加工工具精度非常好，表面不產生正壓力，加工量的控制極其精確穩(wěn)定。被加速的離子與工件材料的原子核直接產生彈性碰撞，使其逸出表面，可以輕易實現原子量級的材料去除，加工精度可達λ / 100，且不受被加工零件表面和材料的限制。該項技術的缺點是成本昂貴，操作復雜，工作時有振動，且拋光速度緩慢。
[0014]6、計算機控制光學表面成型技術
[0015]計算機控制光學表面(CCOS)加工技術是20世紀70年代初，美國Itek公司率先提出的一種新光學表面加工的技術構想，它是通過計算機控制一個小型工具，將控制軟件、機床設備和檢測方法有機結合起來，進行光學表面加工。隨后美、法、德、俄的科研中心都在此領域開展了深入的研究。如美國的亞利桑那大學光學科學中心、法國空間光學制造中心、德國蔡司公司、俄羅斯瓦維洛夫國家光學研究所等。隨著計算機技術和精密計量技術的飛速發(fā)展，CCOS加工技術從計算速度到加工精度等，都得到了進一步的提高與完善。CCOS加工技術的基本原理是用計算機來控制一個比被加工零件尺寸小得多的拋光模，以一定的路線、速度和壓力拋光工件表面。通過改變任何一個區(qū)域的拋光時間，可以精確地獲得要求的材料去除量。由于拋光的去除量不大，所以工件要先用通常的方法研磨、拋光成接近的比較球面。計算機控制拋光，僅僅是拋去球面和要求的非球面在各點處所存在的偏離量。在加工中，使用迭代的方式，使表面誤差逐步收斂。
[0016]上述加工技術均無法滿足該離軸薄壁非球面光學零件的精度要求。
實用新型內容
[0017]本實用新型的目的是提供一種離軸薄壁非球面光學零件的超精密加工裝置及其加工方法，巧妙的利用楔角工裝、墊片及墊圈，精準地加工出離軸薄壁非球面光學零件，解決了離軸薄壁非球面光學零件難加工的問題。
[0018]為了實現以上目的，本實用新型是通過以下技術方案實現的:
[0019]一種離軸薄壁非球面光學零件的超精密加工裝置，用來加工離軸薄壁非球面光學零件，該光學零件的光學面為非球面，非球面對稱光軸與幾何中心軸的夾角為非球面的楔角，且在中心部位設有通孔，其特點是，包含:
[0020]楔角工裝，其頂面設有凹槽，所述的光學零件設置在凹槽內；
[0021]墊片，其填充在所述光學零件的通孔內；
[0022]墊圈，其安裝在光學零件外圓壁與楔角工裝頂面之間；
[0023]所述凹槽頂面的楔角由光學零件非球面的楔角和零件口徑計算所得將光學零件的非球面墊平，使得非球面對稱光軸與幾何中心軸相重合。
[0024]所述凹槽頂面的楔角精度高于光學零件所需加工出的楔角精度。
[0025]所述凹槽頂面的楔角精度2倍于光學零件所需加工出的楔角精度。
[0026]本實用新型與現有技術相比，具有以下優(yōu)點:
[0027]1、通過設計超精密的楔角工裝，將光學零件非球面墊平，使得非球面對稱光軸與幾何中心軸相重合，只需加工出對稱的非球面，從而巧妙得到離軸的非球面，提高了楔角精度。
[0028]2、墊片墊入在通孔內，并與光學零件同步加工，用高度尺可以測量墊片的厚度，通過控制墊片的厚度可以將離軸薄壁非球面光學零件的中心通孔厚度控制在±0.01mm以內。
[0029]3、將墊圈上盤在離軸薄壁非球面光學零件的外圓，隨著離軸薄壁非球面光學零件一起拋光，將拋光中產生的外圓塌邊呈現在外圓墊圈上，很好的保證了拋光后的面型精度。。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1為離軸薄壁非球面光學零件的結構示意圖；
[0031]圖2為離軸薄壁非球面光學零件的楔角的I處局部放大圖
[0032]圖3為本實用新型離軸薄壁非球面光學零件的超精密加工裝置的結構示意圖；
[0033]圖4為本實用新型的楔角工裝的結構示意圖；
[0034]圖5為本實用新型楔角工裝II處的局部放大圖；
[0035]圖6為本實用新型銑磨時的結構示意圖；
[0036]圖7為本實用新型拋光時的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0037]以下結合附圖，通過詳細說明一個較佳的具體實施例，對本實用新型做進一步闡述。
[0038]如圖1、2所示，一種離軸薄壁非球面光學零件，該光學零件I的光學面為非球面11，非球面對稱光軸與幾何中心軸的夾角為非球面的楔角α，且在中心部位設有通孔12。
[0039]如圖3、4所示，一種離軸薄壁非球面光學零件的超精密加工裝置，用來加工離軸薄壁非球面光學零件，包含:楔角工裝2，其頂面設有凹槽21，所述的光學零件I安裝在凹槽21內；墊片3，其墊入在所述光學零件I的通孔12內；墊圈4，其安裝在光學零件外圓壁與楔角工裝頂面之間；所述凹槽頂面的楔角β由光學零件非球面的楔角α和光學零件口徑計算所得(參見圖5)，將光學零件非球面墊平，使得非球面11的對稱光軸與幾何中心軸相重合。
[0040]一種利用上述的離軸薄壁非球面光學零件的超精密加工裝置的加工方法，該方法包含如下步驟:
[0041]步驟1、光學零件I安裝在楔角工裝2內，光學零件I的底平面與楔角工裝2的凹槽頂面相互貼合，并使得光學零件的非球面11墊平，凹槽頂面的楔角精度高于光學零件所需加工出的楔角精度，凹槽頂面的楔角精度2倍于光學零件所需加工出的楔角精度，本實施例中，光學零件所要求的楔角精度為±1’，而采用的楔角工裝的楔角精度為30"；
[0042]步驟1.1、將光學零件I的底平面作為基準面，清洗干凈基準面；
[0043]步驟1.2、在凹槽21內側面點上均勻的膠，保證光學零件I的基準面不進膠，并將光學零件底平面與凹槽頂面相互貼合，墊平光學零件的非球面11，使得非球面11的對稱光軸與幾何中心線相重合。
[0044]步驟2、在光學零件I的通孔12處墊入墊片3 ；
[0045]步驟3、在光學零件外圓壁與楔角工裝頂面之間安裝墊圈4 ；
[0046]步驟4、采用型號為LOH SPM50-1SL的銑磨機同步銑磨光學零件1、墊片3和墊圈4，銑磨出該光學零件的非球面11 ；
[0047]步驟4.1、銑磨機將在光學零件1、及位于光學零件內的墊片3、光學零件I外圓處的墊圈4同步銑磨，并將光學零件1、墊片3和墊圈4同步初銑磨出非球面11的最接近球面；
[0048]步驟4.2、在銑磨機的數控界面上輸入一系列非球面的參數，調整好砂輪轉速、進給速度、徑向進給量等一系列機床參數，通過砂輪5銑磨出光學零件I的非球面11，用泰勒霍普森測量儀測量非球面11的面形，制作修整面形數據檔，并反饋給銑磨機銑磨，通過不斷銑磨、測量、反饋，控制好零件帶工裝的中心厚度，最終將光學零件面形精度Rt控制在Rt〈2um (參見圖 6)。
[0049]步驟5采用型號為LOH SPS140的拋光機對光學零件I的非球面11、墊片3及外圓處的墊圈4進行拋光；
[0050]步驟5.1、在拋光機上輸入非球面參數，安裝好拋光墊6，設置拋光墊參數、拋光轉速、拋光壓力、拋光的去除因子等工藝參數，拋光非球面，用泰勒霍普森測量儀測量非球面的面形，制作修整面形數據檔，并反饋給拋光機拋光，通過不斷拋光、測量、反饋，控制好零件帶工裝中心厚度，同時將拋光中產生的外圓塌邊呈現在外圓墊圈上，很好的保證了拋光后的面型精度，終將離軸薄壁非球面光學零件的面形精度Rt控制在Rt〈0.5um，用高度尺可以測量墊片3的厚度，通過控制墊片3的厚度將離軸薄壁非球面光學零件的中心厚度控制在±0.01_以內(參見圖7)；
[0051]步驟5.2、拋光機對光學零件進行拋光，將拋光中產生的外圓塌邊呈現在外圓墊圈上，保證了拋光后的面型精度。
[0052]離軸薄壁非球面光學零件材料以K9玻璃為主，最終表面粗糙度Ra要求控制在Ra〈6nm，而表面粗糙度的控制是一個綜合型的技術，需要開展以下幾方面的研究。通過工藝試驗找出拋光時間、拋光轉速、拋光壓力、拋光液PH值等拋光參數對K9玻璃高速拋光表面粗糙度的影響，選擇最適合離軸薄壁非球面光學零件高速拋光的工藝參數。
[0053]拋光時間[0054]在拋光工藝中，時間參數決定實際拋光效率。對于光學玻璃表面的拋光加工，旨在去除銑磨過程中產生的損傷和加工變質層，以減小表面粗糙度，獲得表面質量較高的工件。實驗只考慮拋光時間對K9玻璃表面粗糙度的影響，分別取5塊K9玻璃，拋光10 min，20min, 30 min, 45 min和60min,試驗結果如表1所示。
[0055]
【權利要求】
1.一種離軸薄壁非球面光學零件的超精密加工裝置，用來加工離軸薄壁非球面光學零件，該光學零件(I)的光學面為非球面(11)，非球面對稱光軸與幾何中心軸的夾角為非球面的楔角(α )，且在中心部位設有通孔(12)，其特征在于，包含: 楔角工裝(2)，其頂面設有凹槽(21)，所述的光學零件(I)設置在凹槽(21)內； 墊片(3)，其填充在所述光學零件(I)的通孔(12)內； 墊圈(4)，其安裝在光學零件外圓壁與楔角工裝頂面之間； 所述凹槽頂面的楔角(β )由光學零件非球面的楔角(α )和零件口徑計算所得將光學零件的非球面(11)墊平，使得非球面對稱光軸與幾何中心軸相重合。
2.如權利要求1所述的離軸薄壁非球面光學零件的超精密加工裝置，其特征在于，所述凹槽頂面的楔角精度高于光學零件所需加工出的楔角精度。
3.如權利要求1或2所述的離軸薄壁非球面光學零件的超精密加工裝置，其特征在于，所述凹槽頂面的楔角精度2倍于光學零件所需加工出的楔角精度。
【文檔編號】B24B13/01GK203696673SQ201320794448
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2013年12月6日 優(yōu)先權日:2013年12月6日
【發(fā)明者】袁航, 蘭潔, 陸波, 陸亞力, 徐政, 徐 明 申請人:上海新躍儀表廠