呂學(xué)良　鄭京明　李開(kāi)宇　張雪松

（中國(guó)建筑材料科學(xué)研究，北京，100024）

高精度復(fù)雜形面光學(xué)玻璃加工技術(shù)

呂學(xué)良鄭京明李開(kāi)宇張雪松

（中國(guó)建筑材料科學(xué)研究，北京，100024）

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，使得人們對(duì)光學(xué)玻璃的加工技術(shù)提出了更高的要求。普通的加工方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足超精密的需求。因此，本文通過(guò)分析復(fù)雜形面光學(xué)玻璃的加工技術(shù)，以期提高加工技術(shù)跟加工質(zhì)量。

高精度復(fù)雜形面；光學(xué)玻璃；加工技術(shù)

相機(jī)的鏡頭、望遠(yuǎn)鏡的反射鏡都是光學(xué)玻璃應(yīng)用的衍生物。某些領(lǐng)域也離不開(kāi)光學(xué)玻璃的應(yīng)用，特別是高精度復(fù)雜形面的光學(xué)玻璃的應(yīng)用。例如，雷達(dá)上使用的探照鏡，光學(xué)透鏡等。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，使得人們對(duì)光學(xué)玻璃的加工技術(shù)提出了更高的要求，普通的加工方法不能適應(yīng)人們對(duì)超精密的需求。因此，精密銑削加工方法誕生了。利用精密銑削加工方法，能較準(zhǔn)確的把握尺寸的合理精度，能有效控制加工過(guò)程，同時(shí)也能縮短加工的工時(shí)。

1　ELID法

利用ELID法，可實(shí)現(xiàn)超精密的加工要求。例如，對(duì)于非球面透鏡（BK7），利用ELID法，表面的粗糙度為Ramax-20nm，其面型的精度達(dá)到0.2μm。對(duì)于由LASFN30和Ge等構(gòu)成的稍軟質(zhì)材料，其表面粗糙度獲得Ramax-30nm級(jí)的鏡面，其面型精度為0.2-0.3μm。ELID磨削技術(shù)能將零件的拋光量降到最小限度。

在其他參數(shù)不變的前提下，利用ELID法進(jìn)行磨削加工時(shí)，需特別注意脈沖頻率的大小。若脈沖頻率較高，其加工的表面質(zhì)量很好，但要是頻率在高些，反而會(huì)適得其反；若脈沖頻率過(guò)低，表面質(zhì)量則下降。在磨削過(guò)程中，要想保持好的出刃狀態(tài)，要保證氧化膜的狀態(tài)要薄并且致密性要合理，且電壓值要小，方可使加工質(zhì)量提高。

2　激光加工

針對(duì)單件或小批量的加工一般采用激光加工。激光加工要求精密度要高。激光加工的原理是利用光熱效應(yīng)進(jìn)行加工。利用激光可實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的各種加工，例如打標(biāo)、切割、打孔等。按道理來(lái)說(shuō)，任何材料都可以通過(guò)激光銑削，獲得想要的尺寸。

利用2束二氧化碳激光束實(shí)現(xiàn)加工是目前較多采用的激光加工方式之一。2束二氧化碳激光束的作用不同，1束能實(shí)現(xiàn)預(yù)熱的功能，從而降低復(fù)雜形面光學(xué)玻璃的溫度，另1束則是對(duì)復(fù)雜形面光學(xué)玻璃的進(jìn)行加工。2束激光保持一定的距離。在對(duì)復(fù)雜形面光學(xué)玻璃加工時(shí)，加工激光束在預(yù)熱激光束的后面。試驗(yàn)中采用的復(fù)雜形面光學(xué)玻璃是一種含碳酸鈣的玻璃?？砂磧煞N情況進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，一種是有預(yù)熱的情況，另一種是無(wú)預(yù)熱的情況。從試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，在無(wú)預(yù)熱狀態(tài)下，即用單束的二氧化碳激光束進(jìn)行加工時(shí)，工件的表面溫度迅速的變化著，利用2束二氧化碳激光束也可以使工件的表面溫度達(dá)到適合溫度。但其產(chǎn)出的熱應(yīng)力不同，最大拉伸應(yīng)力也不同，前者的熱應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者的熱應(yīng)力（前者34.7MPa＞后者23.6MPa），前者的最大拉伸應(yīng)力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者的最大拉伸應(yīng)力。由此可知，利用2束二氧化碳激光束能提高工件的加工質(zhì)量，也可以達(dá)到工件的表面熱應(yīng)力下降的目的。

3　超聲磨削

將超聲和磨削技術(shù)相結(jié)合起來(lái)，形成的加工方法為超聲磨削。其加工出來(lái)的工件表面光滑，質(zhì)量高，對(duì)工具的磨損度也小。加工脆性光學(xué)材料時(shí)采用超聲磨削加工對(duì)工藝參數(shù)的要求較高，影響著工件的表面質(zhì)量。工件的表面粗糙度受很多因素影響，例如超聲波的振幅、切片的深度、工具的橫向進(jìn)給速度以及轉(zhuǎn)速、磨粒的粒度號(hào)、超聲波的頻率。工件表面的粗糙度同聲波振幅、切深和工具橫向進(jìn)給速度成正比，同超聲波頻率、磨粒粒度號(hào)和工具轉(zhuǎn)速成反比。普通磨削的材料去除率占超聲磨削的1/2-2/5，然而，普通磨削的磨損量占超聲磨削的5-10倍。

超聲磨削可分為兩種，一種為超聲研拋，另一種為超聲珩磨。與超聲珩磨相比，超聲研拋要求的精度更高，更精密。對(duì)工件進(jìn)行超精密加工時(shí)，常常被當(dāng)作最后的加工工序，從而保障工件的表面質(zhì)量以及尺寸的精確。超聲研拋可以加工任何硬脆材料，不論是平面的還是復(fù)雜曲面的都可以進(jìn)行加工。普通珩磨容易導(dǎo)致工件出現(xiàn)熱變形以及內(nèi)應(yīng)力變形等現(xiàn)象，這種加工缺陷利用超聲珩磨可以有效的改善。利用超聲珩磨在復(fù)雜形面光學(xué)玻璃上鉆孔，盡管，邊崩處的直徑隨著加磨料粒度的增加以及加工表面的質(zhì)量提高而增大，但沒(méi)有出現(xiàn)熱變形以及內(nèi)應(yīng)力變形等現(xiàn)象。其加工的表面，磨削溝槽平整，紋面沒(méi)有出現(xiàn)不均勻以及斷續(xù)的現(xiàn)象。超聲街磨的臨界磨削深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通加工臨界磨削深度（3μm＞1.5μm），其粗糙度值也高于普通珩磨1倍到2倍。

4　精密銑削及超聲銑削

要想使復(fù)雜形面光學(xué)玻璃的表面精度更準(zhǔn)確，更精細(xì)。理論上，采取銑削的方式的是不可取的，但也并不是沒(méi)有辦法解決。在加工過(guò)程中，適當(dāng)?shù)母淖円幌碌毒叩膬A斜度，其加工出來(lái)的表面質(zhì)量較之前相比質(zhì)量要高。根據(jù)觀測(cè)得知，將刀具的傾斜度進(jìn)行改變時(shí)，調(diào)整適當(dāng)?shù)募庸?shù)，銑削加工的模式處于延性模式。加工后的復(fù)雜形面光學(xué)玻璃的表面沒(méi)有裂紋，其表面的粗糙度不大于60nm。

最近幾年，興起一種加工方法名為超聲波銑削。這種加工方式能有效地縮短加工的時(shí)間。超聲波銑削是在計(jì)算機(jī)控制下實(shí)現(xiàn)復(fù)雜型腔的硬脆材料加工。超聲波銑削加工流程為：使用計(jì)算機(jī)程序（CNC程序）將形狀工具在平面內(nèi)（X，Y組成的平面）進(jìn)行二維輪廓加工，在Z軸方向上一層一層地進(jìn)給，這樣使得復(fù)雜型面從原來(lái)的成形加工變成層層去除加工。利用磨粒在工具的3種運(yùn)動(dòng)作用下，持續(xù)的對(duì)工件表面進(jìn)行一系列的動(dòng)作（錘擊-沖擊-拋磨-刮擦）。經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)可得知，普通銑削的銑削力大于超聲銑削的銑削力，銑削力的大小主要取決于銑削參數(shù)的設(shè)置以及進(jìn)給量的大小，切削的深度對(duì)銑削力的作用不大。超聲波加工工序較復(fù)雜。超聲波銑削可以有效地簡(jiǎn)化加工工序，從而降低成本，并且增加了系統(tǒng)加工的柔性度。

5　結(jié)束語(yǔ)

總而言之，光學(xué)玻璃在加工過(guò)程中，由于加工過(guò)程不可控制，刀具的磨損情況嚴(yán)重，其加工后的表面無(wú)法達(dá)到超精密技術(shù)的要求，因此，分析復(fù)雜形面光學(xué)玻璃的加工技術(shù)，具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。提高復(fù)雜形面光學(xué)玻璃的加工技術(shù)，有助于提高工件的表面質(zhì)量，也可以控制加工過(guò)程，使加工的成本降低。

（References）

［1］張黎，李樹(shù)德，蔡慶福，等.光學(xué)玻璃的超聲波精密加工［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2009，（S1）.

［2］尹韶輝，大森整，林偉民，等.一種光學(xué)材料高效超精密加工方法［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2008，（21）.