非球面零件加工工艺
非球面加工技术
3.2 非球面抛光方法
在长期的科学研究和生产实践中，人们发明了许多抛光方法来实现非球面抛光。目前，常用的非球面抛光方法主要有以下几种：
3.2.1
常用的研磨抛光包括古典的低速抛光和现代的高速抛光[12]，是最古老的目前仍在广泛采用的一种抛光方法。它是在被抛光工件表面和抛光盘之间加入抛光液，利用抛光盘与工件表面的相对滑动，借助抛光液与工件表面机械化学和物理作用实现对工件表面的抛光。
目前，光学非球面加工存在这样一种趋势，即以CCOS为技术基础，向光学CAD/CAM乃至CIMS发展，并变得更加高效、低耗和非专家可操作。预计在本世纪CCOS技术将在整体上成为大尺寸脆性材料非球面零件的主要加工手段[26]。
计算机控制抛光也存在着不可避免的问题：
（1） 计算机控制抛光技术要求抛光模在加工过程中能够适时变形以始终保持与工件表面的吻合。但是由于抛光模材料的磨损和流动速率低于抛光模运动速率，抛光模与工件表面也常常是不吻合的。所以，实际的抛光过程只是局部符合计算机控制抛光的基础原理。
到了80年代中后期，随着计算机和精密测量技术的飞速发展，CCOS技术也得到了进一步的完善。Itek公司对9台CCOS设备的数控单元进行了改造，采用了直流伺服加位置反馈控制技术，前台操作采用VAX- II小型机联网管理并配有与CAD系统的接口[22，23]。改造后的CCOS系统的计算速度和精度都得到了大幅度提高。从长远观点来看，Itek公司此举的目的是要把CCOS发展成为CAD/CAM一体化、非专家可操作的先进光学制造系统。但到目前为止，这一目标还没有实现，最大障碍是由于光学制造工艺的复杂性使得建立准确、全面描述加工过程的数学模型变得异常困难。
非球面加工与检测
非球面加工与检测技术郭培基苏州大学现代光学技术研究所12主要内容非球面概述非球面加工非球面检测大口径非球面反射镜在空间和天文上的应用苏州大学的工作一、非球面概述广义非球面：不能用球面定义描述的面形（即不能用一个半径确定的面形），其中有旋转对称的非球面和非旋转对称的非球面；有关于轴对称的面形；有排列有规律的微结构阵列；有包含衍射结构的光学表面；还包含形状各异的自由曲面。
3一、非球面概述狭义的非球面主要指是旋转对称的非球面，能够用含有非球面系数的高次多项式来表示，其中心到边缘的曲率半径连续发生变化。
离轴非球面是旋转对称非球面的一部分，但其所在部分的中心轴与旋转对称轴有偏离。
46一、非球面概述当高次项系数都为零时，上式只有第一项，为常用二次曲面k >0k =10k −<<1k =−1k <−扁圆(也称扁椭圆)圆椭球面抛物面双曲面7一、非球面概述光学系统应用非球面可易于校正除场曲外的各种单色像差。
如：在光阑附近使用可校正各带的高级球差，在像面前或离光阑较远的位置使用可校正像散和畸变。
球面透镜非球面透镜一、非球面概述系统中采用非球面，可简化系统结构、提高系统性能(如相对孔径、视场角、光照均匀性、成像质量等)。
17世纪，非球面就应用于反射望远系统中来校正球差，之后，在一些像质要求不高的系统，如照明器中的反射、聚光、放大等系统中也开始用非球面。
8一、非球面概述随光学加工工艺和检测技术的提高，非球面光学元件已在国防、空间科学、核能以及一些工业、民用领域获得了广泛应用。
高精度：军用航空航天系统、空间遥感测绘、光学数据存储、光刻、激光核聚变的光学系统等中精度：红外探测、照相设备及视频成像系统（尤其变焦距镜头）、投影电视、医用内窥镜、光纤系统、扫描仪、打印机等。
9制造困难：1、加工工艺2、检测原因:非球面一般只有一根对称轴，而球面有无数对称轴，球面加工时的对研方法很难用；非球面表面各点曲率半径不同，而球面各点相同，所以面形不易修正，干涉检测困难。
数控非球面加工技术
1.4非球面光学零件制造过程
❖ 非球面制造通常分为非球面成形和光学面实现两 个工艺方面。
❖ 1）非球面成形：就是通过研磨等方法使零件表 面面形达到非球面要求，但是表面粗糙度还很大， 还不是光学面，不能够透射或反射光。
❖ 2）光学非球面实现：主要有抛光、模压和切削 等方法，是在保持非球面面形的前提下，减小表 面粗糙度，使之成为光学面。
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❖ 经过普雷斯顿假设，光学抛光过程顺利的简化了。 计算机控制小工具抛光技术也是以此为基础，上 式正是计算机控制抛光技术的基础方程。
❖ 只要我们对抛光过程的描述正确，并已知被抛光 位置的压力、相对抛光速度以及抛光时间，就可 以计算出在这个位置的材料去除量。
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1.3非球面光学零件的应用 非球面光学零件已广泛应用于航空机载设备、
卫星、激光制导、红外探测等领域，同时在民用 光电产品上的应用也越来越普及。光学系统中采 用非球面元件，可以提高系统的性能，减少光学 元件的数量，从而减轻仪器的质量，减小体积， 紧凑结构。因此，非球面常常应用于大视场、大 孔径，像差要求高，结构要求小，或有特殊要求 的光学系统中，非球面光学零件因其优良的光学 性能而日益成为一类非常重要的光学零件。
目录
1 非球面光学零件的简介 2 非球面光学零件的加工方法 3 计算机控制光学表面成型技术 4 直径76.2 mm非球面数控加工工艺 5 数控非球面加工的影响因素
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Part1. 非球面光学零件的简介
非球面光学元件，是指面形由多项高次方程决定、 面形上各点的半径均不相同的光学元件。
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非球面模造工艺
非球面模造工艺
非球面模造工艺是一种用于制造具有非球面形状的光学元件的技术，它利用玻璃或塑料材质的初胚在高温下通过模具成型来达到所需的非球面形状。
非球面模造工艺的主要流程包括以下几个步骤：
1. 初胚制作：首先需要制作或选择合适的玻璃初胚，这通常是一个类似于最终产品的球面镜片状预形体或滴下球（GOB）。
2. 加热成型：将玻璃初胚在高温下软化，然后置于精密的成型模具中施压，使其变形以匹配模具的非球面形状。
这一过程通常需要在玻璃的软化点附近进行，大约490℃以上。
3. 退火处理：成型后的玻璃镜片需要进行退火处理，以消除内部应力，确保光学质量和稳定性。
4. 量测和评估。
非球面加工工艺实验研究
非球面加工工艺实验研究朱振涛，于正林（长春理工大学机电工程学院，长春130022）摘要：由于非球面零件本身的特殊性和复杂性，较球面零件加工更加困难。
基于自主研发的切线法数控成形非球面机床，分析加工零件表面精度的影响因素。
采用单因素法分别对砂轮参数、冷却液影响因素进行分析，着重分析砂轮磨损和磨轮转速误差。
严格控制加工过程中所产生的误差，避免由于过多误差影响最终零件的面形精度和表面粗糙度，优化工艺流程。
关键词：非球面；数控机床；表面精度；工艺流程中图分类号:TH706文献标志码:粤文章编号：员园园圆原圆猿猿猿（圆园员9）03原园017原园3 Experimental Research on the Processing Technology of Aspheric SurfaceZHU Zhentao,YU Zhenglin（Changchun University of Science and Technology,Changchun130022,China）Abstract:Due to its particularity and complexity,it is more difficult to process aspherical parts than spherical parts. Based on the self-developed tangent NC forming aspherical machine tool,this paper analyzes the influencing factors of the surface precision of the machined parts.The single factor method is used to analyze the parameters of the grinding wheel and the coolant.The grinding wheel wear and the grinding wheel speed error are analyzed.The errors generated during the machining process are strictly controlled to avoid the surface accuracy and surface roughness of the final part due to excessive errors,and the process flow is optimized.Keywords:aspherical surface;NC machine tool;surface accuracy;process flow0引言近些年来，非球面光学零件凭借自身的光学特性和无与伦比的成像效果，使其在军事、民用和航天等领域成为不可或缺的光学器件。
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。
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］。
数控非球面加工技术
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❖ 目前国内外仍然广泛使用计算机控制铣磨、抛光 技术来加工非球面透镜。
随着非球面元件的广泛应用，数控加工非球 面正成为各国关注的核心技术之一，优化工艺流 程、改善面形精度、缩短加工时间、提高生产效 率是非球面加工产业发展的方向。
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Part5 数控非球面加工的影响因素
❖ 预抛光过程中，工件轴、工具轴转速分别为150
rpm 和450rpm ，摆角 21.7°时，抛光 15
min，工件表面的铣磨痕迹全部被去除掉。抛光液
温度调整到 27 ℃时，材料去除量最大，整个表面
能够被快速抛亮。
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❖非球面加工工艺流程如图所示
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图3 工艺流程图
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4.2非球面数控反馈铣磨抛光工艺
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1.4非球面光学零件制造过程
❖ 非球面制造通常分为非球面成形和光学面实现两 个工艺方面。
❖ 1）非球面成形：就是通过研磨等方法使零件表 面面形达到非球面要求，但是表面粗糙度还很大， 还不是光学面，不能够透射或反射光。
❖ 2）光学非球面实现：主要有抛光、模压和切削 等方法，是在保持非球面面形的前提下，减小表 面粗糙度，使之成为光学面。
❖ 还有一些非球面制造的非球面成型和光学面实现 是同时完成，如单点金刚石车削、光学塑料模压、 玻璃模压等。
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Part2.非球面光学零件的加工方法: LOGO
1）表面材料去除法 ：去除工件上多余的材料，最终得
到所需非球面的形状、尺寸和表面粗糙度要求。
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保压
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倒流阶 段
螺杆倒退， 螺杆倒退，部分未凝固 的塑料熔体会发生倒流 凝固的熔体逐渐冷却， 凝固的熔体逐渐冷却，成为塑件 塑件冷却定型后，模具打开， 塑件冷却定型后，模具打开，塑 件被脱模机构推出模具外。 件被脱模机构推出模具外。
冷却 定型 阶段 脱模
大批量生产，采用沸腾干燥或 真空干燥
成形前的准备
颜色时均需清洗料筒。
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料筒清洗：当改变产品，更换原料及 嵌件预热：减少物料和嵌件的温度差，
降低嵌件周围塑料的收缩应力，保证塑件质 量。
脱模剂的选用：常用脱模剂包括硬脂酸
梓（聚酰胺除外），液体石蜡（用于聚酰胺 ）和硅油（价格比较贵）
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— 光学塑料注射成型法 第三小组
作者:** ***
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工艺 工艺
塑料注射成型又 称注射成型。塑料 注射成型大部分用 于热塑性塑料成型 ，也于部分热固性 塑料成型加工。
卧式注射机机床
注射成型原理
缩 成 型 型 来 完 成 型 腔 填 充 。 以 压 ， 力 具 ， 合 即 之 压 模 后 闭 加 合 型 腔 全 程 ， 程 料 施 构 闭 入 完 过 过 注 不 熔 模 机 料 模 具 的 型 压 缩 成 注 射 内 锁 分 塑 初 具 之 腔 用 利 部 充 入 模 传 统 向 再 当 ， 填 加 一 般 在 外 在
时 间
注射时间（成型周期）
指一次注射成型所需 的时间。一般为0.5min~2min
充模3~5S
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注射时间
其它时间 ：即开模、脱模、喷涂
脱模剂、安放嵌件、 合模时间等
保压20S~120S
冷却时间30s~120s
射注成型对塑料制品的要求
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卧式注射机
1—锁模液压缸；2—锁模机构；3—移动板；4—顶杆； 5—固定板； 6—控制台；7—料筒及加料器；8—料斗；9—定量供料 装置；10—注射缸。
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加料 塑化
加压注 射
在加料阶段，料斗中的物料进入料筒中。 在加料阶段，料斗中的物料进入料筒中。 塑料在前进和混合的动力来 源于螺杆和料筒的相对旋转 料筒中的螺杆前进， 料筒中的螺杆前进，使塑化 的物料注射进模具型腔当中 螺杆保持加压状态， 螺杆保持加压状态，使模具型 腔中的塑料熔体在高压下冷却
材料
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要求材料的熔体具有一定的流动性， 流动性太差难以注射成型。
结构
制品一般不宜有太复杂的内部结构，尽 量减少斜向结构，制品壁厚尽量均匀。
精度
制品精度要求适当，非特 殊情况不宜要求太严格。
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塑件后处理的原因： 塑件后处理的原因：
①塑化不均匀； ②塑料在型腔内的结晶,取向和冷却不 均匀； ③金属嵌件的影响； ④塑件的二次加工不当等原因，塑件内部 不可避免的存在一些内应力，从而导致 塑件在使用过程中产生变形或开裂，因 此，应该设法消除。
晶度，稳定结晶结构，从而提高其弹性模量和硬 度。
调湿处理： 2、调湿处理：
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将刚脱模的塑件放入加热介质（如沸水醋酸钾溶液 ）中，加快吸湿平衡速度的一种后处理方法。 温度： 100°~121°（热变形温度高时取 上限，反之取下限）。 时间：保温时间与塑件厚度有关，通常取 2~9h. 目的：消除残余应力；使制品尽快达到吸 湿平衡，以防止在使用过程中发生 尺寸变化。
塑件后处理的方法
1、退火处理
将塑件定温的加热液体介质（如热水，热油等） ，或热空气循环烘箱静置一段时间，然后缓慢冷 却至室温的一种热处理工艺。
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温度：高°于使用温度10°~15°，或低于热变
形温度10~20°
时间：与塑料品种和塑件厚ห้องสมุดไป่ตู้有关，一般可按每
毫米约半小时计算。
作用： 消除塑件的内应力，稳定塑件尺寸提高结
注射成型的工艺参数
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主要参数
温度
压力
时间
温度 ℃
料筒温度
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料筒温度应在粘流温度Tf 料筒温度应在粘流温度Tf 和热分解温度Td Td之间 和热分解温度Td之间 一般略低于料筒的最高温度， 以防止塑料流经喷嘴处因升温 产生“流涎” 模具温度的高低决定于塑料的特性， 尺寸，构造和性能要求和工艺条件。 模具温度通常是由通入定温的冷却介 质来控制的。
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成型前的准备：
原料外观检验及能测定：包括塑料色泽,粒度大小均
匀性，流动性，热稳定性及收缩率的检验。
塑料预热和干燥：
质量。
除去物料中过多的水分和挥发物，以
防止成型后塑件表面有缺陷或发生降解，影响塑料制件的外观和内在
物料干燥的方法：小批量生产，采用烘箱干燥；
喷嘴温度
模具温度
压 力
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1、塑化压力：注射机螺杆顶部熔体在螺 杆转动后退受到的压力。 作用: 可以提高熔体温度，并使温度分 布均匀 2、注射压力：柱塞或螺杆头部注射时对塑料熔体 施加的压力。 作用 ：能克服熔体从料筒流向型腔时的阻 力，保证一定充模速率和对熔体压力。 大小 ：取决于塑料品种、注射机类型、模具的 浇注系统结构尺寸、模具温度、塑件的 壁厚及流程大小等因素。