成清校，宋 健，王鵬超，路蘭卿

（1.北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074；2.西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所，西安 710100）

非球面光學(xué)零件常用的有橢球面鏡、拋物面鏡、雙曲面鏡等，其是一種非常重要的光學(xué)零件。相對(duì)于球面鏡而言，非球面鏡具有許多優(yōu)點(diǎn)，其可以消除球面鏡片在光傳遞過(guò)程中產(chǎn)生的彗差、球差、像散、場(chǎng)曲及畸變等諸多不利因素，減少光能損失，具有高品質(zhì)的光學(xué)特征，可以獲得高品質(zhì)的圖像效果。另外，其能以一個(gè)或幾個(gè)非球面零件代替多個(gè)球面零件，從而簡(jiǎn)化儀器結(jié)構(gòu)，減輕儀器總質(zhì)量，降低成本。

非球面光學(xué)產(chǎn)品的應(yīng)用前景非常廣闊，在國(guó)防、航空航天領(lǐng)域，大型或超大型光學(xué)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)是空間和國(guó)防技術(shù)的關(guān)鍵，體現(xiàn)著一個(gè)國(guó)家的科技水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力。而在民用產(chǎn)品領(lǐng)域，如：數(shù)碼相機(jī)、電腦攝像頭、條形碼讀出頭、光纖通訊以及激光產(chǎn)品等，也已經(jīng)成為與人民生活息息相關(guān)的核心技術(shù)。因此，非球面光學(xué)零件超精密加工技術(shù)的研究一直是制造領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

1 國(guó)外非球面零件的超精密加工技術(shù)

國(guó)外從20世紀(jì)60年代就開(kāi)始了對(duì)非球面零件加工技術(shù)的研究，20世紀(jì)80年代以來(lái)出現(xiàn)了許多新的非球面超精密加工技術(shù)，主要有：計(jì)算機(jī)數(shù)控單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)（SPDT）、超精密磨削和拋光技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成形技術(shù)（CCOS）、光學(xué)玻璃模壓成型技術(shù)、光學(xué)塑料成型技術(shù)以及非球面零件的特種加工技術(shù)等。

1.1 計(jì)算機(jī)數(shù)控單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)

計(jì)算機(jī)數(shù)控單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)（SPDT）是在超精密數(shù)控車床上，采用天然單晶金剛石刀具，在對(duì)機(jī)床和加工環(huán)境進(jìn)行精確控制的條件下，直接利用天然金剛石刀具單點(diǎn)車削出符合光學(xué)品質(zhì)要求的非球面光學(xué)零件。該技術(shù)主要用于加工中小尺寸、中等批量的紅外晶體和軟金屬材料的光學(xué)零件，其特點(diǎn)是生產(chǎn)效率高、成本低、重復(fù)性好、適合批量生產(chǎn)。

1.2 超精密磨削和拋光技術(shù)

超精密磨削和拋光能進(jìn)一步提高光學(xué)零件的表面精度，尤其是對(duì)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”流動(dòng)方式去除，加工表面不產(chǎn)生脆性斷裂現(xiàn)象[2]。延性磨削方式可以保證未變形切削厚度小于脆性——塑性（或稱延性）轉(zhuǎn)換臨界值。能滿足這種磨削條件的方式稱為延性磨削方式。

1.3 計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成形技術(shù)

計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成形技術(shù)（computer optical surfcing，CCOS）是利用一個(gè)比被加工器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。由于計(jì)算機(jī)控制拋光可以精確地控制研拋過(guò)程中的材料去除量，和傳統(tǒng)研拋方法相比，大大提高了加工效率和成品率。

1.4 光學(xué)玻璃模壓成型技術(shù)

光學(xué)玻璃模壓成型技術(shù)是一種高精度光學(xué)零件加工技術(shù)，開(kāi)發(fā)于20世紀(jì)80年代中期。其是把軟化的玻璃放入高精度的模具中，在加溫加壓和無(wú)氧的條件下，一次性直接模壓成型出達(dá)到使用要求的光學(xué)零件。光學(xué)玻璃模壓成型法具有工序簡(jiǎn)單集中，節(jié)省場(chǎng)地、可以批量生產(chǎn)的特點(diǎn)，但是模具精度要求極高，加工成本很高。

1.5 光學(xué)塑料成型技術(shù)

光學(xué)塑料成型技術(shù)是目前制造塑料非球面光學(xué)零件的先進(jìn)技術(shù)，包括注射成型、壓制成型和鑄造成型等技術(shù)。光學(xué)塑料注射成型技術(shù)主要用來(lái)生產(chǎn)直徑100 mm以下的非球面光學(xué)零件，也可制造微型透鏡陣列。而模壓和鑄造主要應(yīng)用于直徑在100 mm以上的非球面光學(xué)零件。其具有總質(zhì)量輕、成本低，光學(xué)零件和安裝部件可以一體化，節(jié)省裝配工作量，耐沖擊等諸多優(yōu)點(diǎn)。

1.6 非球面鏡的特種加工技術(shù)

非球面鏡的特種加工方法包括離子束、電子束加工法等，這種方法以原子、分子級(jí)去除材料，加工精度高，但需要昂貴的真空設(shè)備和復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，加工成本較高，并且不能粗糙表面獲得高精度拋光表面，對(duì)前道工序的加工要求較高。此外，還有應(yīng)力盤拋光技術(shù)、磁流變拋光技術(shù)、等離子技術(shù)等。其利用主動(dòng)變形技術(shù)，使拋光盤在對(duì)非球面光學(xué)表面進(jìn)行拋光的過(guò)程中，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制實(shí)時(shí)改變拋光盤的形狀，使其符合理論非球面面形，進(jìn)而將被加工球面向標(biāo)準(zhǔn)非球面修正。

磁流變拋光（Magnetorheological Finishing，MRF）技術(shù)是以磁流變拋光液在磁場(chǎng)作用下，在拋光區(qū)范圍內(nèi)形成具有一定硬度的“小磨頭”對(duì)工件進(jìn)行拋光[5]。“小磨頭”的形狀和硬度可以由磁場(chǎng)實(shí)時(shí)控制。該方法是一種柔性拋光方法，不產(chǎn)生亞表面損傷層、加工效率高、表面粗糙度低、能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜表面的拋光加工。通過(guò)控制磁場(chǎng)分布形狀和加工區(qū)域的駐留時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)確定量拋光。

等離子（Chemical Vaporization Machining，CVM）技術(shù)是一種利用原子化學(xué)反應(yīng)，獲得超精密表面的一種技術(shù)，其加工原理和等離子體刻蝕一樣，在等離子體中，被激活的游離基和工件表面原子起反應(yīng)，將之變成揮發(fā)性分子，并通過(guò)氣體蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)加工的，在高壓力下所產(chǎn)生的等離子體，能夠生成密度非常高的游離基，所以這種加工方法能達(dá)到與機(jī)械加工方法相匹敵的加工速度，加工工件的表面粗糙度可達(dá)0.1 nm。

2 非球面零件的超精密加工設(shè)備

超精密機(jī)床是實(shí)現(xiàn)非球面光學(xué)零件超精密加工的首要條件。目前，在超精密加工機(jī)床制造方面比較發(fā)達(dá)的國(guó)家有美國(guó)、日本、德國(guó)和英國(guó)。國(guó)際上生產(chǎn)超精密機(jī)床的廠家主要有：美國(guó)摩爾公司、普瑞泰克公司、泰勒霍普森公司，日本的東芝機(jī)械、不二越公司、豐田工機(jī)、發(fā)那科公司等，德國(guó)先代士勞公司、奧普特公司是生產(chǎn)超精密數(shù)控銑磨拋設(shè)備的著名廠家[5]。

另外，許多公司己將超精密車削、磨削、研磨以及拋光加工集成為一體，并且研制出超精密復(fù)合加工系統(tǒng)，可以使非球面零件的加工更加靈活。表1給出了目前國(guó)際上典型的、具有代表性的超精密加工機(jī)床及其性能指標(biāo)。

表1 幾種典型的超精密機(jī)床技術(shù)性能指標(biāo)

目前，美國(guó)超精密機(jī)床的水平最高，尤其是LLNL實(shí)驗(yàn)室于1983～1984年研制成功的DTM-3和LODTM大型金剛石超精密車床是目前為止世界公認(rèn)的最高水平的大型超精密機(jī)床；英國(guó)是較早從事超精密加工技術(shù)研究的國(guó)家之一，其Cranfield大學(xué)CUPE精密加工研究所是迄今第二個(gè)能制造大型超精密機(jī)床的機(jī)構(gòu)；日本超精密加工技術(shù)的研究相對(duì)美、英來(lái)說(shuō)雖起步較晚，但發(fā)展很快，其多功能和高效專用超精密機(jī)床發(fā)展較好，促進(jìn)了日本微電子和家電工業(yè)的發(fā)展[5]。

3 我國(guó)非球面零件的超精密加工技現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)超精密加工技術(shù)的研究起步較晚，比國(guó)外整整落后20年。現(xiàn)在已有一些大學(xué)和科研單位開(kāi)展非球面零件的超精密加工技術(shù)的研究工作，例如，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空精密機(jī)械研究所、國(guó)防科技大學(xué)、北京機(jī)床研究所、中科院長(zhǎng)春光機(jī)所等單位都在從事超精密機(jī)床的研制，均取得了一定的成果。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)于2006年研制出了大平面超精密銑床，并已用于激光核聚變關(guān)鍵零件鐵電磷酸二氫鉀晶體的超精密加工[5]。

北京航空精密機(jī)械研究所在超精密切削加工及其裝備方面取得了顯著成果，于2003年研制出了Nanosys-300非球面超精密復(fù)合加工系統(tǒng)，加工出樣件的面形精度達(dá)到0.228μm，表面粗糙度Ra8.7nm[7]。

北京機(jī)床研究所于2005年研制的NAM-800型數(shù)控車床是新一代納米級(jí)加工機(jī)床。該車床的反饋系統(tǒng)分辨率為2.5 nm，機(jī)械進(jìn)給系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)5 nm的微小移動(dòng)，主軸的回轉(zhuǎn)精度為0.03 m，溜板移動(dòng)直線度為0.15 m/200 mm，最大可加工直徑為φ800 mm，粗糙度Ra<0.008 m，面型精度<0.3 m/φ100 mm。

另外，大連理工大學(xué)在軟磨料砂輪超精密磨削技術(shù)方面取得了多項(xiàng)成果，對(duì)多種硬脆材料如藍(lán)寶石、單晶硅、KDP晶體等進(jìn)行了超精密表面光整加工，其加工的單晶硅片表面粗糙度可達(dá)Ra0.7 nm。北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所在超低溫球閥球體的精密加工方面取得了一定進(jìn)展，對(duì)超精密研磨的工藝、磨料等進(jìn)行了研究，采用超精密研磨方法加工的球體表面粗糙度達(dá)到了Ra0.01μm。

在CCOS技術(shù)方面，長(zhǎng)春光機(jī)所研制了FSGJ-Ⅰ、FSGJ-Ⅱ、FSGJ-Ⅲ等數(shù)控非球面加工中心，并利用FSGJ-Ⅱ?qū)⒁粔K600 mm×300 mm的SiC離軸非球面反射鏡加工到面形精度RMS13nm；國(guó)防科技大學(xué)于2002年研制的集銑磨成型、研磨拋光、接觸式檢測(cè)于一體的光學(xué)非球面復(fù)合加工機(jī)床AOCMT，將φ500 mm/f3拋物面反射鏡面形精度加工到了RMS9.4 nm[5]。

在MRF技術(shù)方面，國(guó)防科技大學(xué)于2006年研制了可加工1 m口徑的MRF設(shè)備KDMRF-1000，加工的一塊φ200 mm/f1.6的光學(xué)玻璃拋物面鏡，獲得了RMS0.009λ的精度[5]；哈爾濱工業(yè)大學(xué)孫希威等[8]利用MRF加工了R41.3 mm、φ20 mm的K9光學(xué)玻璃球面，獲得了表面粗糙度Ra8.4 nm、面形精度PV57.9 nm的表面。

國(guó)防科技大學(xué)還對(duì)IBF技術(shù)進(jìn)行了研究，于2006年研制成具備非球面加工能力的IBF設(shè)備KDIFS-500，可加工的最大工件為φ500 mm，加工的平面、球面和非球面的面形精度均達(dá)到納米量級(jí)[9]。

此外，蘇州大學(xué)對(duì)液體射流拋光（FIP）技術(shù)進(jìn)行了研究，利用FJP技術(shù)將一塊φ90 mm的非球面鏡面形精度加工到了0.36λ，表面粗糙度達(dá)到Ra2.25 nm。哈爾濱工業(yè)大學(xué)對(duì)等離子拋光（CVM）技術(shù)進(jìn)行了研究，中國(guó)科學(xué)院成都光電所和南京天文光學(xué)技術(shù)研究所對(duì)應(yīng)力盤拋光（SLP）技術(shù)進(jìn)行了研究[5]。

以上這些成果的取得，表明我國(guó)已經(jīng)逐漸掌握了非球面光學(xué)零件的超精密加工技術(shù)，縮短了與世界發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。但是我們也必須看到，國(guó)內(nèi)非球面超精密加工技術(shù)的研究還是以大學(xué)和科研院所為主，真正的商品化應(yīng)用實(shí)例還不多，而國(guó)外的技術(shù)產(chǎn)業(yè)化比較好，多為大學(xué)與公司合作的形式，能夠迅速將技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。另外，我國(guó)在超精密加工設(shè)備上自主開(kāi)發(fā)能力薄弱、產(chǎn)品自動(dòng)化水平低、可靠性差、精度保持性差。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)國(guó)內(nèi)外非球面光學(xué)零件超精密加工技術(shù)、設(shè)備以及發(fā)展情況進(jìn)行了分析和總結(jié)，在肯定國(guó)內(nèi)非球面超精密加工技術(shù)取得巨大發(fā)展的同時(shí)，也指出了我們與國(guó)外先進(jìn)水平仍有巨大差距。

非球面光學(xué)零件的超精密加工技術(shù)涉及面寬，經(jīng)費(fèi)投入量大，根據(jù)我國(guó)現(xiàn)有國(guó)情，建議我們建立以企業(yè)為主體，產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的技術(shù)體系，重點(diǎn)開(kāi)展超精密切削、磨削和拋光技術(shù)的基礎(chǔ)理論，超精密機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)、精度在線檢測(cè)和誤差補(bǔ)償以及超精密加工材料等的研究。

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