非球面曲面光学零件超精密加工装备与技术_罗松保
文章编号 1004-924X (2003)01-0075-03
非球面曲面光学零件超精密加工装备与技术
罗松保,张建明
(中国航空工业第一集团公司303所第一研究室,北京100076)
摘要:“N anosys _300非球面曲面超精密复合加工系统”是“九五”重点预研课题—“非球面曲面的超精密加工与测量技术”的主要研究成果。重点对非球面曲面光学零件超精密加工机床,非球面曲面光学零件超精密加工工艺,非球面曲面光学零件超精密测量技术进行了研究。其主要技术成果有:非球面超精密复合加工系统综合设计和制造技术,高速超精密空气静压主轴系统,超精密闭式液体静压导轨系统,高速超精密空气静压磨头电主轴系统,开放式高性能数控系统集成技术等。系统的精度检测和工艺实验表明其研究水平进入了国际先进行列。关 键 词:非球面;超精密;加工;测量中图分类号:T Q171.684 文献标识码:A
1 引 言
非球面光学零件在国防科技工业领域,以及
民用光电产品方面都有着重要而广泛的应用。近年来,我国加快了超精密加工技术的研究步伐,研制出了少量非球面超精密加工机床,但大多功能单一,一般只有车削功能[1_2]
。少量进口的超精密加工机床最多也只有数控车削、磨削功能,再加之非球面超精密磨削工艺的复杂性,这些进口的机床的磨削功能基本上还未得到实际应用。因此,国内真正意义上的非球面超精密加工技术至今还未开展起来。“九五”期间,中国航空工业第一集团公司303所第一研究室对“九五”重点预研课题_“非球面曲面的超精密加工与测量技术”进行了系统的科研攻关,成功地研制出了“Nanosys _300非球面曲面超精密复合加工系统”。它具备超精密复合加工的功能,既能对典型有色金属材料进行单点金刚石超精密切削(SPDT )加工,又能对典型硬脆非金属材料进行超精密磨削加工。
2 非球面曲面光学零件超精密加工
机床的研究
[3]
Nanosys _300机床系统主要由以下部分构成:(1)机械系统,它包括:床身及隔振装置、导轨及驱动装置、主轴及驱动装置、延性方式磨削装置(砂轮主轴、砂轮电火花修形装置、ELID 修锐装置)、机床位置测量装置、刀架及吸屑装置、喷雾冷却装置等;(2)恒温供液系统、供气系统;(3)CNC 数控系统。
Nanosys _300机床系统采用“T ”形结构布局。机床底座采用稳定性好的大块天然大理石,超精密闭式液体静压导轨呈“T ”形布局布置在大理石台面上,分别作为该系统的X 、Z 轴,它们由交流伺服电机通过CO 级精密滚珠丝杠和四自由度精密丝杠溜板耦联机构进行驱动,其中X 轴导轨上安装超精密空气静压主轴,其上的真空吸盘用于吸附加工工件。Z 轴导轨上安装微调刀架(机床用于单点金刚石车削(SPDT )功能时),或者作为机床Y 轴的高刚性、超精密空气静压磨头(用于超精密镜面磨削(ELID )功能时)。机床的位置通过
收稿日期:2002-11-20;修订日期:2002-12-11.
第11卷 第1期2003年2月
光学 精密工程
Optics and Precision Engineering
Vo l .11 N o .1
Feb . 2003
安装在X、Z轴上的高分辨率光栅以及其对应的驱动电机进行位置的闭环反馈控制。机床大理石底座通过具有隔振和自动调平功能的空气弹簧支承在防震地基上。同时,机床还配备了为空气静压主轴和磨头等服务的供气系统以及用于液体静压导轨的恒温供液系统,车削功能时的吸屑装置、喷雾冷却装置,以及磨削功能时的金刚石圆弧砂轮在线电火花修形、ELID修锐装置和磨头、工件恒温冷却系统。机床的电控部分采用基于现代控制理论的高性能多轴CNC精密数控与伺服系统。
3 非球面曲面光学零件超精密加工工艺的研究
3.1 超精密车削工艺研究
在单点金刚石切削(SPDT)工艺研究中,对有色金属材料诸如硬铝、黄铜、无氧铜等的典型零件(如平面、柱面、球面、非球面等)进行了切削工艺实验,重点研究了不同的刀具材料(普通工具钢刀具、硬质合金刀具、CVD刀具以及金刚石刀具)、不同刀具几何形状参数和精度、不同的切削控制参数(主轴转速、进给量及吃刀量)对工件加工质量(零件的面形精度与表面粗糙度)的影响,同时还研究了切削液喷雾以及吸屑作用对加工质量的影响。
3.2 超精密磨削工艺研究
在超精密磨削工艺实验中,对典型硬脆非金属材料诸如玻璃、淬硬钢、半导体、陶瓷等的典型零件(如平面、球面、非球面等)进行了磨削工艺实验,重点研究了不同粒度、浓度的铸铁基金刚石磨轮、磨轮的不同断面几何形状、不同的磨削控制参数(磨头和主轴转速、进给量及吃刀量)对工件加工质量(零件的面形精度与表面粗糙度)的影响,同时还对磨轮的在线电火花修形以及在线ELID 修锐进行了实验研究,此外还就磨削液对加工质量的影响进行了研究。
4 非球面曲面光学零件超精密测量技术的研究
4.1 对刀装置[3]
在数控编程、加工过程中,为顺利实现对刀功能以及刀具半径补偿,需要准确测量刀尖的空间相对位置以及刀具刀尖的圆弧半径。刀具位置检测装置由高分辨率的气浮线性可调差动变压器(LVDT)气浮测头和后续处理电路组成。一个LVDT测头用于测量刀尖圆弧在X、Z平面内的空间位置以及在X、Z平面内刀尖圆弧半径,另一个则用于测量刀尖的高度,即Y向坐标。采用气浮测头,可以消除摩擦力的影响,并通过测头背向的恒压空气加压,使得测量力均匀。
4.2 非球面面形测量装置
非球面光学零件的面形检测技术是非球面加工技术的一个重要环节。面形测量分加工过程中的在位测量以及加工终了的面形测量,近年来我国在非球面测试技术研究上取得了一些研究成果,如激光扫描法、干涉法等,但适用于生产需要的、性能稳定的高精度实用化的非球面测量仪器尚无成功研制的报道。考虑到实际非球面零件的生产需要,为提高非球面零件的生产效率和加工精度,解决非球面零件在位测量与在位误差补偿的难题,在在位测量中采用高分辨率的LVDT气浮测头测量非球面面形。而对于工件的最终测量,本课题研制成功了相移式横向剪切干涉法测量光学非球面面形的检测装置及其配套检测软件,实现了对部分非球面光学零件精度为0.1μm 面形测量。
5 主要技术成果
(1)非球面超精密复合加工系统综合设计和制造技术
以往国内研制的超精密加工装置大都只有简单的车削功能,对硬脆材料(如玻璃)不能进行磨削加工,并且装置的其它辅助功能也很少。本课题研制的非球面超精密复合加工系统瞄准了国际同类系统的先进水平,开发的系统精度高、功能全、实用性强。系统同时具备车削和磨削加工功能,此外还开发了工件真空吸附、喷雾、吸屑、在位对刀、工件在位测量、空气弹簧减振等一系列相关配套技术和子系统。因此,课题所开发的系统技术完整性好,具有国内领先、国际先进水平。
(2)高速超精密静压主轴系统[4_6]
为了适合微小零件和特殊材料零件的超精密加工,当前国际上先进的超精密机床主轴转速可达3000rpm或更高,而以往国内开发的超精密
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光学 精密工程 第11卷
加工装置主轴的最高转速仅到500～1000rpm 。本课题研制的主轴为了实现高速、超精密性能,在结构设计、动平衡、联轴器、电机等方面采取了一系列特殊的技术,使主轴转速达到近3000rpm 。此外,在主轴加工方面也采取了一系列措施,保证了主轴部件的加工精度(如转轴圆度达0.2μm )。通过上述工作,本课题的主轴系统成功地实现了高速、高精度(0.05～0.1μm )的研制目标。
(3)超精密闭式液体静压导轨系统
以前我国研制的超精密加工装置均采用气浮式导轨结构,使用效果不理想。为了提高系统刚性和减振效果,采用闭式液体静压导轨已成为国际上超精密加工机床导轨技术的发展趋势。本课题在国内率先研制成功了超精密闭式液体静压导轨系统,并在该系统中采用了自行研制开发的四自由度精密丝杠溜板耦联机构,有效地保证了超精密导轨运动和定位性能。
(4)超精密空气静压磨头电主轴系统
[4_6]
适合超精密机床使用的超精密磨头系统在国内尚属空白,而从国外进口一套磨头系统需二十几万美元外汇。由于超精密磨削涉及的技术比较复杂,国内数家单位耗巨资引进的磨头系统至今仍未有效地使用起来。本课题通过开发高刚性、超精密(0.1μm )磨头系统以及对相关应用技术的掌握,将推动我国的非球面超精密磨削技术的发展。
(5)开放式高性能数控系统集成技术目前,国内还没有开发出适合非球面超精密
加工机床的商品化高性能数控系统。因此,课题所需的数控系统只能自行开发。课题研制的非球面超精密加工机床数控系统采取了用工控PC +
DSP 多轴运动控制器构成的开放式数控系统进行系统集成方式实现,走出了一条适合我国超精密机床发展的开放式高性能数控系统集成技术开发及应用的道路。
(6)非球面面形检测技术
非球面面形检测技术是非球面超精密加工技术中的一大关键技术。本课题研制成功了相移式横向剪切干涉法测量光学非球面面形的检测装置及其配套检测软件,实现了对部分非球面光学零件精度为0.1μm 面形测量。
6 结 论
该课题在非球面曲面超精密加工设备和工艺的关键技术方面取得了一系列重要突破,研究成果填补了国内空白,使我国超精密加工技术水平跃上了一个新的台阶,研究水平进入了国际先进行列。目前,我国航空航天、兵器、核工业等部门都提出了对非球面曲面等类型零件的超精密加工设备及技术需求,该项研究成果为我国国防科研与武器装备生产所急需的超精密加工设备和技术提供了技术储备。该课题的研究成功,还为“九五”预研成果的工程化打下了坚实的理论和技术基础,可以有效地促进我国非球面曲面的超精密加工与测量整体技术的跨越式发展。
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第1期 罗松保,等:非球面曲面光学零件超精密加工装备与技术
Ultraprecision machining equipment and technology of aspheric optics
LUO Song _bao ,ZHANG Jian _ming
(No .1laboratory ,No .303Research Institute of
China Av iation Industry Corporation Ⅰ,Beijing 100076,China )
A bstract :Nanosy s _300aspheric optical components ultraprecision machining sy stem is one of the major re -search achievements in search for ultraprecision m achining and measuring technology for aspheric com po -nents during the 9th five _year plan .The major achievements in search fo r ultraprecision m achining system ,machining technology and measuring technology for optical components ,and desig n and manufacturing of aspheric optical components ultraprecisio n machining sy stem ,high speed ultraprecision aerostatic air bearing spindle sy stem ,ultraprecision closed hy drostatic oil bearing slides ,high speed ultraprecision aerostatic air bearing electrical g rinder spindle sy stem ,open high perfo rmance CNC system integ ration technolog y in par -ticular ,are review ed in detail .
Key words :aspheric optics ;ultraprecision machining ;measurement
作者简介:罗松保(1968-),男,湖南邵东县人,工学博士,高级工程师,研究方向为超精密加工技术及设备;
E _mail :luosongbao @doctor .com .cn T el :010_68380521_4399
张建明(1955-),男,上海市人,工学硕士,研究员,研究方向为超精密测量与控制技术。
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光学 精密工程 第11卷
精密和超精密加工的应用和发展趋势
精密和超精密加工的应用和发展趋势 [摘要]本文以精密和超精密加工为研究对象，对世界上精密和超精密加工的应用和发展趋，势进行了分析和阐释，结合我国目前发展状况，提出今后努力方向和发展目标。 【关键词】精密和超精密加工；精度；发展趋势 精密和超精密制造技术是当前各个工业国家发展的核心技术之一，各技术先进国家在高技术领域(如国防工业、集成电路、信息技术产业等)之所以一直领先，与这些国家高度重视和发展精密、超精密制造技术有极其重要的关系。超精密加工当前是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm，表面粗糙度Ra小于0.025μm，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μm的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展。超精密加工技术在国际上处于领先地位的国家有美国、英国和日本。这些国家的超精密加工技术不仅总体成套水平高，而且商品化的程度也非常高。 美国是开展超精密加工技术研究最早的国家，也是迄今处于世界领先地位的国家。早在20世纪50年代末，由于航天等尖端技术发展的需要，美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，称为“SPDT技术”（Single Point Diamond Turning）或“微英寸技术”（1微英寸＝0.025μm），并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床。用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面非球面大型零件等等。如美国LLL实验室和Y－12工厂在美国能源部支持下，于1983年7月研制成功大型超精密金刚石车床DTM－3型，该机床可加工最大零件￠2100mm、重量4500kg的激光核聚变用的各种金属反射镜、红外装置用零件、大型天体望远镜（包括X光天体望远镜）等。该机床的加工精度可达到形状误差为28nm（半径），圆度和平面度为12.5nm，加工表面粗糙度为Ra4.2nm。 在超精密加工技术领域，英国克兰菲尔德技术学院所属的克兰菲尔德精密工程研究所（简称CUPE）享有较高声誉，它是当今世界上精密工程的研究中心之一，是英国超精密加工技术水平的独特代表。如CUPE生产的Nanocentre（纳米加工中心）既可进行超精密车削，又带有磨头，也可进行超精密磨削，加工工件的形状精度可达0.1μm，表面粗糙度Ra<10nm。 日本对超精密加工技术的研究相对于美、英来说起步较晚，但是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。日本的研究重点不同于美国，是以民品应用为主要对象。所以日本在用于声、光、图象、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件的超精密加工技术方面，是更加先进和具有优势的，甚至超过了美国。 我国的精密、超精密加工技术在20世纪70年代末期有了长足进步，80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。北京机床研究所是国内进行超
精密和超精密加工技术复习思考题答案
精密和超精密加工技术复习思考题答案 第一章 1.试述精密和超精密加工技术对发展国防和尖端技术的重要意义。 答：超精密加工技术在尖端产品和现代化武器的制造中占有非常重要的地位。国防方面，例如：对于导弹来说，具有决定意义的是导弹的命中精度，而命中精度是由惯性仪表的精度所决定的。制造惯性仪表，需要有超精密加工技术和相应的设备。 尖端技术方面，大规模集成电路的发展，促进了微细工程的发展，并且密切依赖于微细工程的发展。因为集成电路的发展要求电路中各种元件微型化，使有限的微小面积上能容纳更多的电子元件，以形成功能复杂和完备的电路。因此，提高超精密加工水平以减小电路微细图案的最小线条宽度就成了提高集成电路集成度的技术关键。 2.从机械制造技术发展看，过去和现在达到怎样的精度可被称为精密和超精密加工。 答：通常将加工精度在0.1-lμm，加工表面粗糙度在Ra 0.02-0.1μm之间的加工方法称为精密加工。而将加工精度高于0.1μm，加工表面粗糙度小于Ra 0.01μm的加工方法称为超精密加工。 3.精密和超精密加工现在包括哪些领域。 答：精密和超精密加工目前包含三个领域： 1)超精密切削，如超精密金刚石刀具切削，可加工各种镜面。它成功地解决了高精度陀螺仪，激光反射镜和某些大型反射镜的加工。 2)精密和超精密磨削研磨。例如解决了大规模集成电路基片的加工和高精度硬磁盘等的加工。 3)精密特种加工。如电子束，离子束加工。使美国超大规模集成电路线宽达到0.1μm。 4.试展望精密和超精密加工技术的发展。 答：精密和超精密加工的发展分为两大方面：一是高密度高能量的粒子束加工的研究和开发；另一方面是以三维曲面加工为主的高性能的超精密机械加工技术以及作为配套的三维超精密检测技术和加工环境的控制技术。 5.我国的精密和超精密加工技术和发达国家相比情况如何。 答：我国当前某些精密产品尚靠进口，有些精密产品靠老工人于艺，因而废品率极高，例如现在生产的某种高精度惯性仪表，从十几台甚至几十台中才能挑选出一台合格品。磁盘生产质量尚未完全过关，激光打印机的多面棱镜尚不能生产。1996年我国进口精密机床价值达32亿多美元(主要是精密机床和数控机床)。相当于同年我国机床的总产值，某些大型精密机械和仪器国外还对我们禁运。这些都说明我国必须大力发展精密和高精密加工技术。 6.我目要发展精密和超精密加工技术，应重点发展哪些方面的内容。
光学零件加工技术
光学零件加工技术 邬建生 二 00 四年元月（整理） 目录 一、统研磨抛光与高速研磨抛光特点 二、准球心法和传统法比较 三、切削工序的要求 四、粗磨工序的要求 五、如何保持粗磨皿表曲率半径的精度 六、修磨皿的技巧 七、影响抛光的因素 八、抛光剂（研磨粉）的影响 九、研磨皮及选择十、传统加工要求十一、计算公式十二、光圈识别与修整措施十三、机床的选择十四、机床的调整十五、超声清洗原理十六、品质异常分析步骤十七、工艺规程的设计 光学零件的加工，分为热加工、冷加工和特种加工，热加工目前多采用于光学零件的坯料备制； 冷加工是以散粒磨料或固着磨料进行锯切、粗磨、精磨、抛光和定心磨边。 特种加工仅改变抛光表面的性能，而不改变光学零件的形状和尺寸，它包括镀膜、刻度、照相和胶合等。冷加工各工序的主要任务是： 粗磨（切削）工序：是使零件具有基本准确的几何形状和尺寸。精磨（粗磨）工序：是使零件加工到规定的尺寸和要求，作好抛光准备。抛光（精磨）工序：是使零件表面光亮并达到要求的光学精度。定心工序：是相对于光轴加工透镜的外圆。 胶合工序：是将不同的光学零件胶合在一起，使其达到光轴重合或按一定方向转折。 球面光学零件现行加工技术三大基本工序为： 1、范成法原理的铣磨（切削）
2、压力转移原理的高速粗磨 3、压力转移原理的高速抛光。 范成法原理的铣磨（切削），虽然加工效率较高，但其影响误差的因素较多，达到较高精度和较粗糙度较困难。压力转移原理的准球心高速粗磨和高速抛光，零件受力较均匀，加工效率也较高，但必须预先准确修整磨（模）具的面形，才能保证零件的面形精度。准确修整面形精度需要操作者的经验和技巧，而且需反复修整。 一、传统研磨与高速研磨特点 1. 传统研磨 传统研磨也叫古典研磨，它是一种历史悠久的加工方法 其主要特点是： （1）采用普通研磨机床或手工操作； （2）要求人员技术水平较高； （3）研磨材料多采用散砂（研磨砂）抛光沥青 （4）抛光剂是用氧化铈或氧化铁； （5）压力用加荷重方法实现虽然这种方法效率低 , 但加工精度较高所以，目前仍被采用。 2. 高速研磨抛光一般是指准球心法（或称弧线摆动法）。其主要特点是： （1）采用高速、高压和更有效的利用抛光模，大大提高了抛光效率 （2 ）压力头围绕球心做弧线摆动，工作压力始终指向球心，也是靠球模成型的。 3. 范成法 准球心法对机床的精度要求较低 , 加工方法和传统法相近，易于实现，用的较广；范成法对机床精度及调整要求较高，目前很少采用。 二、准球心法和传统法较 1. 准球心法
精密和超精密加工论文
精密和超精密加工论文 一、精密和超精密加工的概念与范畴 通常，按加工精度划分，机械加工可分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。目前，精密加工是指加工精度为1~0.1?;m，表面粗糙度为Ra0.1~0.01?;m的加工技术，但这个界限是随着加工技术的进步不断变化的，今天的精密加工可能就是明天的一般加工。精密加工所要解决的问题，一是加工精度，包括形位公差、尺寸精度及表面状况；二是加工效率，有些加工可以取得较好的加工精度，却难以取得高的加工效率。精密加工包括微细加工和超微细加工、光整加工等加工技术。传统的精密加工方法有砂带磨削、精密切削、珩磨、精密研磨与抛光等。 a.砂带磨削是用粘有磨料的混纺布为磨具对工件进行加工，属于涂附磨具磨削加工的范畴，有生产率高、表面质量好、使用范围广等特点。 b.精密切削，也称金刚石刀具切削(SPDT)，用高精密的机床和单晶金刚石刀具进行切削加工，主要用于铜、铝等不宜磨削加工的软金属的精密加工，如计算机用的磁鼓、磁盘及大功率激光用的金属反光镜等，比一般切削加工精度要高1~2个等级。 c.珩磨,用油石砂条组成的珩磨头，在一定压力下沿工件表面往复运动，加工后的表面粗糙度可达Ra0.4~0.1?;m，最好可到Ra0.025?;m，主要用来加工铸铁及钢，不宜用来加工硬度小、韧性好的有色金属。 d.精密研磨与抛光通过介于工件和工具间的磨料及加工液，工件及研具作相互机械摩擦，使工件达到所要求的尺寸与精度的加工方法。精密研磨与抛光对于金属和非金属工件都可以达到其他加工方法所不能达到的精度和表面粗糙度，被研磨表面的粗糙度Ra≤0.025?;m加工变质层很小，表面质量高，精密研磨的设备简单，
免费光学零件加工技术
免费光学零件加工技术 目录 一、统研磨抛光与高速研磨抛光特点 二、准球心法和传统法比较 三、切削工序的要求 四、粗磨工序的要求 五、如何保持粗磨皿表曲率半径的精度 六、修磨皿的技巧 七、影响抛光的因素 八、抛光剂（研磨粉）的影响 九、研磨皮及选择 十、传统加工要求 十一、计算公式 十二、光圈识别与修整措施 十三、机床的选择 十四、机床的调整 十五、超声清洗原理 十六、品质异常分析步骤 十七、工艺规程的设计 序言 光学零件的加工，分为热加工、冷加工和特种加工，热加工目前多采用于光学零件的坯料备制； 冷加工是以散粒磨料或固着磨料进行锯切、粗磨、精磨、抛光和定心磨边。 特种加工仅改变抛光表面的性能，而不改变光学零件的形状和尺寸，它包括镀膜、刻度、照相和胶合等。冷加工各工序的主要任务是： 粗磨（切削）工序：是使零件具有基本准确的几何形状和尺寸。 精磨（粗磨）工序：是使零件加工到规定的尺寸和要求，作好抛光准备。 抛光（精磨）工序：是使零件表面光亮并达到要求的光学精度。 定心工序：是相对于光轴加工透镜的外圆。 胶合工序：是将不同的光学零件胶合在一起，使其达到光轴重合或按一定方向转折。 球面光学零件现行加工技术三大基本工序为： 1、范成法原理的铣磨（切削） 2、压力转移原理的高速粗磨 3、压力转移原理的高速抛光。 范成法原理的铣磨（切削），虽然加工效率较高，但其影响误差的因素较多，达到较高精度和较粗糙度较困难。压力转移原理的准球心高速粗磨和高速抛光，零件受力较均匀，加工效率也较高，但必须预先准确修整磨（模）具的面形，才能保证零件的面形精度。准确修整面形精度需要操作者的经验和技巧，而且需反复修整。
(完整word版)光学自由曲面制造的基础研究
项目名称：光学自由曲面制造的基础研究首席科学家：房丰洲天津大学 起止年限：2011.1至2015.8 依托部门：教育部天津市科委
二、预期目标 （1）总体目标 针对国家发展的重大需求对光学自由曲面制造技术的要求，深入研究并解决光学自由曲面制造中的重大关键基础科学问题，揭示自由曲面成型过程中纳观尺度材料迁移新理论，掌握和研究光学自由曲面高效、纳米级精度加工工艺技术及装备的共性基础问题，发展具有自主知识产权、具有国际先进水平的高精度、可控面形的光学自由曲面加工技术，培育我国光学自由曲面加工领域在国际上具有重要影响的学术带头人和创新团队，推动我国制造技术基础理论研究，确立在光学自由曲面制造领域国际竞争中的优势地位，增强光学自由曲面核心关键器件自主创新能力，并将光学自由曲面制造理论向更多领域纵深发展，推动我国科技进步。 （2）五年预期目标 在理论研究方面： 解决光学自由曲面制造中的关键科学问题，为实现高精度、高效率和高可靠性的光学自由曲面制造技术与装备提供理论基础，跻身于国际制造科学研究领域的前沿。 ?揭示光学自由曲面加工装备多体多态动力学行为与精度稳定性的映射规律、时变工况激励下控制系统与机械结构耦合动态特征对加工精度的 扰动规律，建立几何/物理/材料关联约束条件下光学自由曲面的空间机 构构型创新设计与优化理论； ?揭示光学自由曲面非均匀变流向纳观材料迁移规律，建立曲面成形过程中跨尺度材料特性演变、表层及近表层材料结构变化等基础理论； ?揭示光学自由曲面物理再构过程中加工工具在力、热和化学等多场耦合环境下与加工材料之间相互作用和微观力学行为，建立加工工具的失效 形式及其加工性能的演变理论； ?揭示多物理场辅助下纳米切削行为、离子注入表面改性后的硬脆材料切削规律，建立工具磨损抑制及材料学分析测试理论。 在技术应用方面：
非球面光学零件超精密加工技术
非球面光学零件超精密加工技术 1．概述 1.1 非球面光学零件的作用 非球面光学零件是一种非常重要的光学零件，常用的有抛物面镜、双曲面镜、椭球面镜等。非球面光学零件可以获得球面光学零件无可相比的良好的成像质量，在光学系统中能够很好的矫正多种像差，改善成像质量，进步系统鉴别能力，它能以一个或几个非球面零件代替多个球面零件，从而简化仪器结构，降低本钱并有效的减轻仪器重量。 非球面光学零件在军用和民用光电产品上的应用也很广泛，如在摄影镜头和取景器、电视摄像管、变焦镜头、电影放影镜头、卫星红外看远镜、录像机镜头、录像和录音光盘读出头、条形码读出头、光纤通讯的光纤接头、医疗仪器等中。 1.2 国外非球面零件的超精密加工技术的现状 80年代以来，出现了很多种新的非球面超精密加工技术，主要有：计算机数控单点金刚石车削技术、计算机数控磨削技术、计算机数控离子束成形技术、计算机数控超精密抛光技术和非球面复印技术等，这些加工方法，基本上解决了各种非球面镜加工中所存在的题目。前四种方法运用了数控技术，均具有加工精度较高，效率高等特点，适于批量生产。 进行非球面零件加工时，要考虑所加工零件的材料、外形、精度和口径等因素，对于铜、铝等软质材料，可以用单点金刚石切削(SPDT)的方法进行超精加工，对于玻璃或塑料等，当前主要采用先超精密加工其模具，而后再用成形法生产非球面零件，对于其它一些高硬度的脆性材料，目前主要是通过超精密磨削和超精密研磨、抛光等方法进行加工的，另外．还有非球面零件的特种加工技术如离子束抛光等。 国外很多公司己将超精密车削、磨削、研磨以及抛光加工集成为一体，并且研制出超精密复合加工系统，如Rank Pneumo公司生产的Nanoform300、Nanoform250、CUPE研制的Nanocentre、日本的AHN60―3D、ULP一100A(H)都具有复合加工功能，这样可以便非球面零件的加工更加灵活。 1.3 我国非球面零件超精密加工技术的现状 我国从80年代初才开始超精密加工技术的研究，比国外整整落后了20年。近年来，该项工作开展较好的单位有北京机床研究所、中国航空精密机械研究所、哈尔滨产业大学、中科院长春光机所应用光学重点实验室等。 为更好的开展对此项超精密加工技术的研究，国防科工委于1995年在中国航空精密机械研究所首先建立了国内第一个从事超精密加工技术研究的重点实验室。
光学冷加工工艺和设备
光学冷加工工艺和设备现状及其发展 张曾扬 ▲历史的回顾 我国光学仪器的加工技术，虽然有较长历史但形成批量生产并具有完整的工艺是在新中国成立后。 光学冷加工工艺在解放前虽然已有所采用，但缺乏完整性。解放后经过光学行业各方面人士及职工的努力，方逐步形成了较完善的加工方法。 五十年代初期，光学行业的设备陈旧，工艺落后。进入第一个五年计划后，加工工艺主要是采用“苏联”的工艺，设备也是由苏联引的和按“苏联”图纸制造的专用设备，二十世纪六十年代初期，国内个别厂家由德国引进了先进设备（如铣磨机和光学对中心磨边机），受到这些设备的启示，国内在六十年代中期开始工艺科研和研制新设备。首先进行的是研究粗磨机机械化和设计粗磨机，由于设备和工艺的改进，加工效率有很大的提高，但是后来受政治形势的影响，光学工艺的革新受到冲击，刚见成效的工艺革新，就此停止。二十世纪七十年代中期，对光学冷加工技术改造和技术革新提出了“四化”目标，即毛坯型料化、粗磨机械化、精磨高速化、定心磨边自动化。经过努力，这些目标全部在二十世纪八十年代初基本实现了。光学工业实现了光学冷加工“四化”，为军转民生产光学仪器奠定了有力基础。二十世纪八十年代针对当时民用光学仪器生产，又提出了光学零件制造的新四化，即抛光高速化，清洗超声化，辅
助工序机械化和辅料商品化。“新四化”，虽然受到了管理体制改变的影响，在研制设备和进行工艺科研的时间和深度不够理想，但全部实现了。 二十世纪八十年代重点是对光学加工机理和工艺因素的研究和探讨，通过科研人员和课题组的努力，均取得了理想的科研成果。在光学零件的定摆磨削和光学零件加工中不同牌号玻璃与不同结合剂的丸片之间的合理匹配都在光学加工方面有了突破，引起光学界的重视。这些科研的成果对光学加工工业起了重要作用，为了我们进一步提高光学加工的科研水平，奠定了雄厚的基础，为新的创新开辟了道路。 二十世纪八十年代是我们光学技术和工艺科研硕果累累的时期。不但在光学加工的基础理论方面，而在加工设备，加工工艺，加工模具，以及辅料等方面都取得了可喜成果。如光学加工机理，光学零件加工工艺因素，光敏胶，PH值稳定剂，光学导电膜，易腐蚀玻璃保护膜；PJM-320平面精磨机，QJM220球面精磨机，QJP-100与QJP-40光学中球面与小球面精磨抛光机；光学零件复制法；光学零件超声清洗代替清擦，光学零件真空吹塑包装以及自聚焦透镜制造等等，真是不胜枚举。这些科研成果，不但通过了部级鉴定，而且均获得子部级奖励或国家发明将。 进入九十年代后，在中国光学行业有了更大的进展，这是由于光学产品出口，光学工艺也随着有了更大的改变和进展。我们采用了几十年的成盘加工工艺受到了冲击，而单件光学加工在光学批量
精密和超精密加工现状与发展趋势
精密和超精密加工现状与发展趋势 一、精密和超精密加工的概念与范畴 通常，按加工精度划分，机械加工可分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。目前，精密加工是指加工精度为1~0.1μ;m，表面粗糙度为Ra0.1~0.01μ;m的加工技术，但这个界限是随着加工技术的进步不断变化的，今天的精密加工可能就是明天的一般加工。精密加工所要解决的问题，一是加工精度，包括形位公差、尺寸精度及表面状况；二是加工效率，有些加工可以取得较好的加工精度，却难以取得高的加工效率。精密加工包括微细加工和超微细加工、光整加工等加工技术。传统的精密加工方法有砂带磨削、精密切削、珩磨、精密研磨与抛光等。 a. 砂带磨削是用粘有磨料的混纺布为磨具对工件进行加工，属于涂附磨具磨削加工的范畴，有生产率高、表面质量好、使用范围广等特点。 b. 精密切削，也称金刚石刀具切削(SPDT)，用高精密的机床和单晶金刚石刀具进行切削加工，主要用于铜、铝等不宜磨削加工的软金属的精密加工，如计算机用的磁鼓、磁盘及大功率激光用的金属反光镜等，比一般切削加工精度要高1~2个等级。 c. 珩磨,用油石砂条组成的珩磨头，在一定压力下沿工件表面往复运动，加工后的表面粗糙度可达Ra0.4~0.1μ;m，最好可到Ra0.025μ;m，主要用来加工铸铁及钢，不宜用来加工硬度小、韧性好的有色金属。 d. 精密研磨与抛光通过介于工件和工具间的磨料及加工液，工件及研具作相互机械摩擦，使工件达到所要求的尺寸与精度的加工方法。精密研磨与抛光对于金属和非金属工件都可以达到其他加工方法所不能达到的精度和表面粗糙度，被研磨表面的粗糙度Ra≤0.025μ;m加工变质层很小，表面质量高，精密研磨的设备简单，主要用于平面、圆柱面、齿轮齿面及有密封要求的配偶件的加工，也可用于量规、量块、喷油嘴、阀体与阀芯的光整加工。 e. 抛光是利用机械、化学、电化学的方法对工件表面进行的一种微细加工，主要用来降低工件表面粗糙度，常用的方法有：手工或机械抛光、超声波抛光、化学抛光、电化学抛光及电化学机械复合加工等。手工或机械抛光加工后工件表面粗糙度Ra≤0.05μ;m，可用于平面、柱面、曲面及模具型腔的抛光加工。超声波抛光加工精度0.01~0.02μ;m，表面粗糙度Ra0.1μ;m。化学抛光加工的表面粗糙度一般为Ra≤0.2μ;m。电化学抛光可提高到Ra0.1~0.08μm。 超精密加工就是在超精密机床设备上，利用零件与刀具之间产生的具有严格约束的相对运动，对材料进行微量切削，以获得极高形状精度和表面光洁度的加工过程。当前的超精密加工是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm，表面粗糙度Ra小于0.025μm，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μm的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展。 超精密加工包括微细加工、超微细加工、光整加工、精整加工等加工技术。微细加工技术是指制造微小尺寸零件的加工技术；超微细加工技术是指制造超微小尺寸零件的加工技术，它们是针对集成电路的制造要求而提出的，由于尺寸微小，其精度是用切除尺寸的绝对
超精密加工与光学器件制造
光学零件超精密加工 非球面光学零件是一种非常重要的光学零件，常用的有抛物面镜、双曲面镜、椭球面镜等。非球面光学零件可以获得球面光学零件无可比拟的良好的成像质量，在光学系统中能够很好的矫正多种像差，改善成像质量，提高系统鉴别能力，它能以一个或几个非球面零件代替多个球面零件，从而简化仪器结构，降低成本并有效的减轻仪器重量。 非球面光学零件在军用和民用光电产品上的应用也很广泛，如在摄影镜头和取景器、电视摄像管、变焦镜头、电影放影镜头、卫星红外望远镜、录像机镜头、录像和录音光盘读出头、条形码读出头、光纤通信的光纤接头、医疗仪器等中。 1.2国外非球面零件的超精密加工技术的现状 80年代以来，出现了许多种新的非球面超精密加工技术，主要有：计算机数控单点金刚石车削技术、计算机数控磨削技术、计算机数控离子束成形技术、计算机数控超精密抛光技术和非球面复印技术等，这些加工方法，基本上解决了各种非球面镜加工中所存在的问题。前四种方法运用了数控技术，均具有加工精度较高，效率高等特点，适于批量生产。 进行非球面零件加工时，要考虑所加工零件的材料、形状、精度和口径等因素，对于铜、铝等软质材料，可以用单点金刚石切削(SPDT)
的方法进行超精加工，对于玻璃或塑料等，当前主要采用先超精密加工其模具，而后再用成形法生产非球面零件，对于其它一些高硬度的脆性材料，目前主要是通过超精密磨削和超精密研磨、抛光等方法进行加工的，另外，还有非球面零件的特种加工技术如离子束抛光等。 国外许多公司己将超精密车削、磨削、研磨以及抛光加工集成为一体，并且研制出超精密复合加工系统，如RankPneumo公司生产的Nanoform300、Nanoform250、CUPE研制的Nanocentre、日本的AHN60―3D、ULP一100A(H)都具有复合加工功能，这样可以便非球面零件的加工更加灵活。 1.3我国非球面零件超精密加工技术的现状 我国从80年代初才开始超精密加工技术的研究，比国外整整落后了20年。近年来，该项工作开展较好的单位有北京机床研究所、中国航空精密机械研究所、哈尔滨工业大学、中科院长春光机所应用光学重点实验室等。 为更好的开展对此项超精密加工技术的研究，国防科工委于1995年在中国航空精密机械研究所首先建立了国内第一个从事超精密加工技术研究的重点实验室。 2.非球面零件超精密切削加工技术 美国UnionCarbide公司于1972年研制成功了R―θ方式的非球面创成加工机床。这是一台具有位置反馈的双坐标数控车床，可实时
精密和超精密加工基础试题
《精密超精密加工技术》期末试题 1～6题为必答题（每题10分）。 1.精密和超精密加工的精度范围分别为多少？超精密加工包括哪些领 域？ 答：精密加工的精度范围为1μm~0.1μm、表面粗糙度为0.1μm~0.025μm；超精密加工的精度范围为高于0.1μm、表面粗糙度小于0.025μm。 超精密加工领域包括： （1）超精密切削加工。如采用金刚石刀具进行超精密切削，可进行各种镜面、反射镜、透镜等大型器件的精密加工。它成功地解决了激光核聚变系统和天体望远镜中地大型抛物面加工。 （2）超精密磨削和研磨抛光加工。如高密度硬磁盘地涂覆表面加工和大规模集成电路基片的加工，以及高等级的量块加工等。 （3）精密特种加工。如在大规模集成电路芯片上，采用电子束、离子束的刻蚀方法制造图形，目前可以实现0.1μm线宽。 2.超精密切削对刀具有什么要求？天然单晶金刚石、人造单晶金刚石、人 造聚晶金刚石和立方氮化硼刀具是否适用于超精密切削？ 答：超精密切削对刀具性能的要求：1）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量，以保证刀具有很长的寿命和尺寸耐用度。2）切削刃钝圆半径要极小，这样才能实现超薄切削厚度。3）切削刃无缺陷，因为切削时刃形将复印在加工表面上，切削刃无缺陷能得到超光滑的镜面。4）和工件材料的抗粘结性好、化学亲和性小、摩擦因数低，能得到极好的加工表面完整性。 天然单晶金刚石有着一系列优异的特性，如硬度强度耐磨性极高导热性好，与有色金属摩擦因数低，刀具钝圆半径极小等。虽然价格昂贵，仍被公认为理想不能替代的超精密切削刀具材料。 人造单晶金刚石现在已能工业生产，并已开始用于超精密切削，但它的价格仍很昂贵。 人造聚晶金刚石无法磨出极锋锐的切削刃，钝圆半径很难小于1微米，因此它只能用于有色金属和非金属的精切，很难达到超精密镜面切削。
精密和超精密加工现状与发展趋势
精密和超精密加工现状与发展趋势 核心提示：当前精密和超精密加工精度从微米到亚微米，乃至纳米，在汽车、家电、IT电子信息高技术领域和军用、民用工业有广泛应用。同时，精密和超精密加工技术的发展也促进了机械、模具、液压、电子、半导体、光学、传感器和测量技术及金属加工工业的发展。 一、精密和超精密加工的概念与范畴 通常，按加工精度划分，机械加工可分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。目前，精密加工是指加工精度为1~0.1μm，表面粗糙度为Ra0.1~0.01μm的加工技术，但这个界限是随着加工技术的进步不断变化的，今天的精密加工可能就是明天的一般加工。精密加工所要解决的问题，一是加工精度，包括形位公差、尺寸精度及表面状况；二是加工效率，有些加工可以取得较好的加工精度，却难以取得高的加工效率。精密加工包括微细加工和超微细加工、光整加工等加工技术。传统的精密加工方法有砂带磨削、精密切削、珩磨、精密研磨与抛光等。 a. 砂带磨削是用粘有磨料的混纺布为磨具对工件进行加工，属于涂附磨具磨削加工的范畴，有生产率高、表面质量好、使用范围广等特点。 b. 精密切削，也称金刚石刀具切削(SPDT)，用高精密的机床和单晶金刚石刀具进行切削加工，主要用于铜、铝等不宜磨削加工的软金属的精密加工，如计算机用的磁鼓、磁盘及大功率激光用的金属反光镜等，比一般切削加工精度要高1~2个等级。 c. 珩磨,用油石砂条组成的珩磨头，在一定压力下沿工件表面往复运动，加工后的表面粗糙度可达Ra0.4~0.1μm，最好可到Ra0.025μm，主要用来加工铸铁及钢，不宜用来加工硬度小、韧性好的有色金属。 d. 精密研磨与抛光通过介于工件和工具间的磨料及加工液，工件及研具作相互机械摩擦，使工件达到所要求的尺寸与精度的加工方法。精密研磨与抛光对于金属和非金属工件都可以达到其他加工方法所不能达到的精度和表面粗糙度，被研磨表面的粗糙度 Ra≤0.025μm加工变质层很小，表面质量高，精密研磨的设备简单，主要用于平面、圆柱面、齿轮齿面及有密封要求的配偶件的加工，也可用于量规、量块、喷油嘴、阀体与阀芯的光整加工。 e. 抛光是利用机械、化学、电化学的方法对工件表面进行的一种微细加工，主要用来降低工件表面粗糙度，常用的方法有：手工或机械抛光、超声波抛光、化学抛光、电化学抛光及电化学机械复合加工等。手工或机械抛光加工后工件表面粗糙度Ra≤0.05μm，可用于平面、柱面、曲面及模具型腔的抛光加工。超声波抛光加工精度0.01~0.02μm，表面粗糙度Ra0.1μm。化学抛光加工的表面粗糙度一般为Ra≤0.2μm。电化学抛光可提高到Ra0.1~0. 08μm。
超精密加工技术的发展现状与趋势
超精密加工技术的发展现状与趋势 一、精密和超精密加工的概念与范畴 通常，按加工精度划分，机械加工可分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。目前，精密加工是指加工精度为1~0.1?;m，表面粗糙度为Ra0.1~0.01?;m的加工技术，但 这个界限是随着加工技术的进步不断变化的，今天的精密加工可能就是明天的一般加工。精密加工所要解决的问题，一是加工精度，包括形位公差、尺寸精度及表面状况；二是加 工效率，有些加工可以取得较好的加工精度，却难以取得高的加工效率。精密加工包括微细加工和超微细加工、光整加工等加工技术。传统的精密加工方法有砂带磨削、精密切削、珩磨、精密研磨与抛光等。 1.1砂带磨削 用粘有磨料的混纺布为磨具对工件进行加工，属于涂附磨具磨削加工的范畴，有生产率高、表面质量好、使用范围广等特点。 1.2精密切割 也称金刚石刀具切削(SPDT)，用高精密的机床和单晶金刚石刀具进行切削加工，主要用于铜、铝等不宜磨削加工的软金属的精密加工，如计算机用的磁鼓、磁盘及大功率激光用的金属反光镜等，比一般切削加工精度要高1~2个等级。 1.3珩磨 用油石砂条组成的珩磨头，在一定压力下沿工件表面往复运动，加工后的表面粗糙度可达Ra0.4~0.1?;m，最好可到Ra0.025?;m，主要用来加工铸铁及钢，不宜用来加工硬度小、 韧性好的有色金属。 1.4精密研磨与抛光 通过介于工件和工具间的磨料及加工液，工件及研具作相互机械摩擦，使工件达到所要求 的尺寸与精度的加工方法。精密研磨与抛光对于金属和非金属工件都可以达到其他加工方 法所不能达到的精度和表面粗糙度，被研磨表面的粗糙度Ra≤0.025?;m加工变质层很小，表面质量高，精密研磨的设备简单，主要用于平面、圆柱面、齿轮齿面及有密封要求的配 偶件的加工，也可用于量规、量块、喷油嘴、阀体与阀芯的光整加工。 二、精密加工的发展现状 2.1精密成型加工的发展现状与应用 精密成型加工的发展现状与应用精密铸造成形、精密模压成形、塑性加工、薄板精密成形 技术在工业发达国家受到高度重视，并投入大量资金优先发展。70年代美国空军主持制
自由曲面光学镜片的设计
自由曲面光学镜面的设计 摘要 光学自由曲面具有非对称面形、灵活的空间布局、丰富的设计自由度等特性。自由曲面是应用最广泛的曲面形状之一，如能改善人类视觉质量的渐进多焦点眼用镜片，就是自由曲面技术在眼用光学镜片中的成功应用。本文通过设计渐进多焦点眼用镜片，并以之为例研究自由曲面光学镜片的性质及特点。 渐进镜片(英文progressive addition lenses 简称PAL）是针对老视症状的一种有效的解决手段，与各类传统老视镜片相比较具有许多优点，本文对这种镜片的设计和评价进行研究。 首先，介绍渐变镜片的渐变结构特征和矫正原理，比较分析软设计和硬设计之间的区别。 其次，介绍渐进多焦点眼用镜片的基本结构。应用基于狄利克雷原则的软设计方法，阐述渐进多焦点眼用镜片子午线设计的基本原理，构建子午线多项式，给出子午线设计需满足的条件。在子午线设计的基础上，设计渐进多焦点眼用镜片等屈光度轮廓线，在此基础上设计镜片矢高，确定镜片面形。 然后，根据曲面的微分几何理论，给出渐变镜片的性能评价方法，即计算镜片的球面度及柱面度。 关键词渐进镜片；老视；软设计；子午线
Design of free-form surface optical lenses Abstract Free-form lens has asymmetric surface shape, flexible space layout, extensive design freedom and other characteristics. Free surface is one of the curved shapes which are most widely applied. For instance, the progressive addition lenses（PAL) which can improve the quality of human vision are a successful example that the free-form technology is applied to optical lenses. In this paper, the design of the progressive addition lenses is introduced, and the nature and characteristics of the optical lenses will be researched through it. The progressive addition lenses is a new kind of effective solution to presbyopia, it has many advantages over other lenses dealing with presbyopia. Investigation of its design and evaluation method is shown in this paper. Various kinds of presbyopia lens is reviewed and compared. The basic feature and principle of the PAL are introduced and the difference between the characteristics of hard design and soft design is described as well. The structure of progressive addition lenses is introduced, and the soft method based on Dirichlet principle is given in detail. The principle of designing meridional power laws for progressive addition lenses is expounded based on polynomial, and the criterion of designing meridional power laws is given out. On the basis of designing meridional power laws, the vector height and the isopower contours are designed in order to determine the surfaces of progressive addition lenses. According to the differential ge ometry theory of curving surfaces, PAL’s performances are evaluated, and the mean surface power and the constant surface astigmatism are calculated. Keywords progressive addition lenses, presbyopia, soft design,meridian line
《精密与超精密加工技术》知识点总结
《精密与超精密加工技术》知识点总结 1.加工的定义：改变原材料、毛坯或半成品的形状、尺寸及表面状态，使之符合规定要求的各种工作的统称。规定要求：加工精度和表面质量。 2.加工精度：是指零件在加工以后的几何参数（尺寸、形状、位置）与图纸规定的理想零件的几何参数相符合的程度。符合程度越高，加工精度则越高。 3.表面质量：指已加工表面粗糙度、残余应力及加工硬化。 4.精密加工定义：是指在一定时期，加工精度和表面质量达到较高程度的加工技术（工艺）。 5.超精密加工：是指在一定时期，加工精度和表面质量达到最高程度的加工技术（工艺）。 6.加工的划分普通加工（一般加工）、精密加工和超精密加工。普通加工：加工精度在1μm 以上（粗加工IT13～IT9、半精加工IT8～IT7、精加工IT6～IT5），粗糙度Ra0.1-0.8μm。加工方法：车、铣、刨、磨等。适用于:普通机械（汽车、拖拉机、机床）制造等。 精密加工：加工精度在1～0.1μm ，粗糙度Ra0.1μm 以下（一般Ra0.1～0.01μm ）的加工方法。加工方法：车削、磨削、研磨及特种加工。适用于：精密机床、精密测量仪器等中的关键零件的制造。 超精密加工：加工精度在0.1～0.01μm ，粗糙度小于Ra0.01μm（Ra0.01～Ra0.001μm）的加工方法。 加工方法：金刚石刀具超精密切削、超精密磨削、超精密特种加工。适用于：精密元件的制造、计量标准元件、集成电路等的制造。 7.精密加工影响因素 8.切削、磨削加工：精密切削和磨削、超精密切削与磨削。 9.特种加工：是指一些利用热、声、光、电、磁、原子、化学等能源的物理的，化学的非传统加工方法。 10.精密加工和超精密加工的发展趋势：向高精度方向发展、向大型化，微型化方向发展、向加工检测一体化发展、研究新型超精密加工方法的机理、新材料的研究。 11.精密加工和超精密加工的特点：形成了系统工程它是一门多学科的综合高级技术；它与特种加工关系密切传统加工方法与非传统加工方法相结合；加工检测一体化在线检测并进行实时控制、误差补偿；与自动化技术联系密切依靠自动化技术来保证；与产品需求联系紧密加工质量要求高、技术难度大、投资大、必须与具体产品需求相结合。 12.金刚石刀具是超精密切削中的重要关键。金刚石刀具有两个比较重要的问题：一是晶面的选择，因为金刚石晶体各向异性；二是研磨质量，也就是刃口半径，因为影响变形和最小切削厚度。 13.检测技术是超精密切削中一个极为重要的问题。超精密加工要求测量精度比加工精度高一个数量级。 14.超精密加工必须在超稳定的加工环境条件下进行：恒温条件、防振条件。恒温：20℃±(1～0.02)℃恒湿：35﹪～45﹪空气净化、防振等。 15.金刚石分类：天然金刚石和人造金刚石两大类（碳的同素异形体）。 16.金刚石晶体的三种晶面晶体——原子具有规则排列的物体。晶体中各种方位上的原子面 叫晶面。晶体中各种方位上的原子列叫晶向。金刚石晶格中有三种重要晶面，(100),(110),(111)。 17.金刚石晶体具有强烈的各向异性不同晶面，不同方向性能有明显差别；金刚石刀具的晶面选择直接影响切削变形和加工表面质量；金刚石晶体和铝合金、紫铜间的摩擦系数在0.06～0.13之间，而
精密和超精密加工
1、精密和超精密加工的三大领域：超精密切削、精密和超精密磨削研磨、精密特种加工。 2、金刚石刀具进行超精密切削时，适合加工铝合金、无氧铜、黄铜、非电解镍等有色金属 和某些非金属材料。 3、最硬的刀具是天然单晶金刚石刀具。金刚石刀具的的寿命用切削路程的长度计算。 4、超精密切削实际能达到的最小切削厚度和金刚石刀具的锋锐度、使用的超精密机床的性 能状态、切削时的环境条件等直接相关。 5、影响超精密切削极限最小切削厚度最大的参数是切削刃钝圆半径r n。 6、金刚石晶体有3个主要晶面，即（100）、（110）、（111），（100）晶面的摩擦因数曲线有 4个波峰和波谷，（110）晶面有2个波峰和波谷，（111）晶面有3个波峰和波谷。 以摩擦因数低的波谷比较，（100）晶面的摩擦因数最低，（111）晶面次之，（110）晶面最高。 比较同一晶面的摩擦因数值变化，（100）晶面的摩擦因数差别最大，（110）次之，（111）晶面最小。 7、实际金刚石晶体的（111）晶面的硬度和耐磨性最高。 推荐金刚石刀具的前面应选（100）晶面。 8、（110）晶面的磨削率最高，最容易磨；（100）晶面的磨削率次之，（111）晶面磨削率最 低，最不容易磨。 9、金刚石的3个主要晶面磨削（研磨）方向不同时，磨削率相差很大。现在习惯上把高磨 削率方向称为“好磨方向”，把低磨削率方向称为“难磨方向”。 10、金刚石磨损本质是微观解离的积累；破损主要产生于（111）晶面的解离。 11、金刚石晶体定向方法：人工目测定向、X射线晶体定向、激光晶体定向。其中激光晶体 定向最常用。 12、金刚石的固定方法有：机械夹固、用粉末冶金法固定、使用粘结或钎焊固定。 13、精密磨削机理包括：微刃的微切削作用，微刃的等高切削作用，微刃的滑挤、摩擦、 抛光作用。 14、超硬磨料砂轮修整的方法有：车削法、磨削法、滚压挤轧法、喷射法、电加工法、超 声波振动修整法。电解在线修锐法（ELID—electrolytic in—process dressing），原理是利用电化学腐蚀作用蚀出金属结合剂。. 15、砂带磨削的方式包括闭式砂带磨削和开式砂带磨削，又称为“弹性”磨削、“冷态”磨 削、“高效”磨削、“廉价”磨削、“万能”磨削。 16、超精密机床主轴的驱动方式主要有：电动机通过带传动驱动机床主轴、电动机通过柔 性联轴器驱动机床主轴、采用内装式同轴电动机驱动机床主轴。 17、今年生产的中小超精密机床多采用T形机床总体布局。 18、保证零件加工精度的途径： ○1靠所用的机床来保证，即机床的精度要高于工件所要求的精度，这是“蜕化”原则，也称之为“母性”原则。 ○2在精度比工件要求较低的机床上，利用误差补偿技术，提高加工精度，使加工精度比机床原有精度高，这是“进化”原则，也称之为“创造性”原则。 19、提高现有设备加工精度的途径：误差的隔离和消除和误差的补偿。 20、加工精度的检测分为：离线检测、在位检测和在线检测。 21、误差补偿的形式或方法包括：误差的修正、校正、抵消、均匀化、钝化、分离等。 22、误差补偿系统的组成：误差信号的检测、误差信号的处理、误差信号的建模、补偿控 制和补偿执行机构。
非球面光学零件的超精密加工技术
Equipment Manufacturing Technology No.11，2012 非球面光学零件常用的有椭球面镜、抛物面镜、双曲面镜等，其是一种非常重要的光学零件。相对于球面镜而言，非球面镜具有许多优点，其可以消除球面镜片在光传递过程中产生的彗差、球差、像散、场曲及畸变等诸多不利因素，减少光能损失，具有高品质的光学特征，可以获得高品质的图像效果。另外，其能以一个或几个非球面零件代替多个球面零件，从而简化仪器结构，减轻仪器总质量，降低成本。 非球面光学产品的应用前景非常广阔，在国防、航空航天领域，大型或超大型光学产品的开发是空间和国防技术的关键，体现着一个国家的科技水平和经济实力。而在民用产品领域，如：数码相机、电脑摄像头、条形码读出头、光纤通讯以及激光产品等，也已经成为与人民生活息息相关的核心技术。因此，非球面光学零件超精密加工技术的研究一直是制造领域的热点。 １国外非球面零件的超精密加工技术 国外从２０世纪６０年代就开始了对非球面零件加工技术的研究，２０世纪８０年代以来出现了许多新的非球面超精密加工技术，主要有：计算机数控单点金刚石车削技术（ＳＰＤＴ）、超精密磨削和抛光技术、计算机控制光学表面成形技术（ＣＣＯＳ）、光学玻璃模压成型技术、光学塑料成型技术以及非球面零件的特种加工技术等。 １．１计算机数控单点金刚石车削技术 计算机数控单点金刚石车削技术（ＳＰＤＴ）是在超精密数控车床上，采用天然单晶金刚石刀具，在对机床和加工环境进行精确控制的条件下，直接利用天然金刚石刀具单点车削出符合光学品质要求的非球 面光学零件。该技术主要用于加工中小尺寸、中等批量的红外晶体和软金属材料的光学零件，其特点是生产效率高、成本低、重复性好、适合批量生产。１．２超精密磨削和抛光技术 超精密磨削和抛光能进一步提高光学零件的表面精度，尤其是对于采用玻璃、陶瓷等硬脆材料制造的非球面零件。其中，延性磨削方式可以使材料以“塑性”流动方式去除，加工表面不产生脆性断裂现象［２］。延性磨削方式可以保证未变形切削厚度小于脆性—— —塑性（或称延性）转换临界值。能满足这种磨削条件的方式称为延性磨削方式。 １．３计算机控制光学表面成形技术 计算机控制光学表面成形技术（ｃｏｍｐｕｔｅｒｏｐｔｉｃａｌｓｕｒｆｃｉｎｇ，ＣＣＯＳ）是利用一个比被加工器件小得多的抛光工具，根据光学表面面形检测的结果，由计算机控制加工参数和加工路径完成加工。由于计算机控制抛光可以精确地控制研抛过程中的材料去除量，和传统研抛方法相比，大大提高了加工效率和成品率。１．４光学玻璃模压成型技术 光学玻璃模压成型技术是一种高精度光学零件加工技术，开发于２０世纪８０年代中期。其是把软化的玻璃放入高精度的模具中，在加温加压和无氧的条件下，一次性直接模压成型出达到使用要求的光学零件。光学玻璃模压成型法具有工序简单集中，节省场地、可以批量生产的特点，但是模具精度要求极高，加工成本很高。 １．５光学塑料成型技术 光学塑料成型技术是目前制造塑料非球面光学零件的先进技术，包括注射成型、压制成型和铸造成型等技术。光学塑料注射成型技术主要用来生产直径１００ｍｍ以下的非球面光学零件，也可制造微型透 浅谈非球面光学零件的超精密加工技术 成清校１，宋健１，王鹏超２，路兰卿１ （１．北京航天试验技术研究所，北京１０００７４；２．西安航天动力试验技术研究所，西安７１０１００） 摘要：对国内外非球面光学零件的超精密加工技术、设备以及发展状况进行了分析和总结，指出了我国与国外先进水平的差距，并对我国非球面超精密加工技术的发展提出了建议。 关键词：非球面；光学零件；超精密加工 中图分类号：ＴＧ５０６文献标识码：Ｂ文章编号：１６７２－５４５Ｘ（２０１２）１１－０１０４－０３收稿日期：２０１２－０８－０６ 作者简介：成清校（１９８４—），男，工程师，工学硕士，主要研究方向为精密与超精密加工技术。 104