尹韶輝 陳逢軍 龔 勝 余劍武尹自強 關(guān)朝亮曹成國曹曉紅

小口徑非球面光學(xué)玻璃透鏡模具超精密數(shù)控復(fù)合機床的研發(fā)與應(yīng)用

尹韶輝 陳逢軍 龔 勝 余劍武
尹自強 關(guān)朝亮
曹成國
曹曉紅

湖南大學(xué)
國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
北京工研精機股份有限公司
陜西秦川機床工具集團有限公司

一、概述

傳統(tǒng)的非球面光學(xué)玻璃透鏡制造一般采用材料去除的機械加工法,通過粗磨、精磨、拋光、磨邊等十幾道工序加工而成，制造周期長，加工精度不穩(wěn)定，生產(chǎn)效率和工藝穩(wěn)定性無法滿足迅速發(fā)展的行業(yè)需求。因此，近年發(fā)展起來一種新型的玻璃光學(xué)元件模壓成型技術(shù)，采用高精度的光學(xué)模具，通過加溫加壓直接壓制成型超精密玻璃光學(xué)元件，從而開創(chuàng)了大批量、高效率制造玻璃光學(xué)元器件的新時代。光學(xué)玻璃透鏡模壓成型技術(shù)，與傳統(tǒng)的材料去除加工方法相比，模壓成型的光學(xué)元件面形精度高，而且精度穩(wěn)定，容易實現(xiàn)精密非球面光學(xué)零件的批量生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本。這項技術(shù)的普及推廣應(yīng)用是光學(xué)行業(yè)在光學(xué)玻璃零件加工方面的重大革命。日本HOYA，德國蔡司，荷蘭菲利浦，美國康寧等均已經(jīng)進入生產(chǎn)實用階段。目前國內(nèi)很多光學(xué)企業(yè)急需開發(fā)這一技術(shù)。湖南大學(xué)、北京理工大學(xué)、蘇州大學(xué)、中國科技大學(xué)等單位正在研發(fā)這一技術(shù)。

在熱壓成型工藝中，模具形狀精度及表面質(zhì)量直接決定著透鏡的形狀精度及表面質(zhì)量。因此超精密模具的制造是熱壓成型的關(guān)鍵技術(shù)之一。超精密光學(xué)模具，要求具有很高的抗壓強度與硬度、極高的彈性模量、良好的熱強性能與導(dǎo)熱性能、較低的熱膨脹系數(shù)等。常采用WC硬質(zhì)合金模具。但由于它具有高硬度、高耐磨性，并且加工空間狹小，實現(xiàn)其高精度、高效率加工較為困難。如何實現(xiàn)小口徑非球面光學(xué)透鏡成型加工所用模具的高精度化、高效率化的加工一直是困擾業(yè)界的難題。

為滿足光電通訊、光學(xué)、信息等產(chǎn)業(yè)中小口徑非球面光學(xué)玻璃透鏡模具產(chǎn)業(yè)化的需求，我們研制了小口徑非球面光學(xué)玻璃透鏡模具超精密數(shù)控復(fù)合機床。該機床具備納米級精度斜軸鏡面納米磨削、斜軸磁流變研拋、在線測量補償加工、砂輪在機整形和在線修銳等功能，為小口徑非球面光學(xué)透鏡模具的產(chǎn)業(yè)化制造提供可靠的裝備支撐。

圖1 小口徑非球面超精密數(shù)控復(fù)合機床外觀圖

二、產(chǎn)品性能介紹

該機床的主要關(guān)鍵技術(shù)包括非球面的超精密鏡面磨削、磁流變拋光、超精密機床結(jié)構(gòu)設(shè)計、超精密回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)計制造、各軸系驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計及制造 、高速空氣主軸設(shè)計制造及應(yīng)用 、測量和補償加工 、砂輪在線修整技術(shù)和修銳、控制系統(tǒng)及檢測等。技術(shù)指標(biāo)達到了國際上同類超精密機床水平，突破了小非球面的高精度超光滑表面的納米鏡面磨削技術(shù)、小非球面的斜軸磁性復(fù)合流體拋光技術(shù)，高精度、高平穩(wěn)、高剛度進給驅(qū)動系統(tǒng)研制技術(shù)，高精度B軸回轉(zhuǎn)工作臺研制的技術(shù)，高剛度空氣靜壓主軸研制技術(shù)。其主要技術(shù)參數(shù)如下：

機床功能機床可進行納米磨削和拋光復(fù)合加工，具有在線測量和補償加工、砂輪在機整形和修銳、固定點磨削功能控制軸數(shù)X軸、Z軸直線軸，B軸旋轉(zhuǎn)軸油靜壓導(dǎo)軌直線度Z軸：0 . 0 5 μ m / 2 0 0 m m（水平面），0 . 1 0 μ m / 2 0 0 m m（垂直面）X軸：0 . 0 4 μ m / 2 0 0 m m（水平面），0 . 1 3 μ m / 2 0 0 m m（垂直面）行程3 1 0 m m × 3 6 0 m m砂輪最高轉(zhuǎn)速 5 0 0 0 0 r / m i n驅(qū)動電機 X、Z 軸直線電機B 軸轉(zhuǎn)臺油靜壓，軸向誤差0 . 0 9 μ m，徑向誤差0 . 1 μ m，定位精度不大于0 . 2 a r c / s e c (補償后)主軸 空氣軸承，最高轉(zhuǎn)速1 7 2 4 r / m i n，回轉(zhuǎn)精度小于3 5 n m剛度垂直方向：X軸7 4 0 N / μ m； Z軸3 6 9 N / μ m水平方向：X軸3 6 9 N / μ m；Z軸4 9 3 N / μ m B軸軸向：3 6 9 N / μ m B軸徑向：6 0 N / μ m數(shù)控系統(tǒng)分辨率X軸，Z軸（1 0 n m），B軸（0 . 0 3 6 a r c / s e c）加工材料 超硬合金、模具鋼加工模具非球面口徑非球面口徑≤φ 4 0 m m磨削后表面粗糙度表面粗糙度R a : 3 . 9 n m磁流變拋光后表面粗糙度R a 0 . 7 2 n m

以下是美國Precitech公司Nanoform 系列超精密機床的部分技術(shù)指標(biāo)與本產(chǎn)品研究指標(biāo)對比表：

類別美國P r e c i t e c h公司 N a n o f o r m 系列本產(chǎn)品線性導(dǎo)軌① 類型：液壓油軸承導(dǎo)軌② 行程：X軸3 5 0 m m , Z軸3 0 0 m m③ 驅(qū)動系統(tǒng)：交流直線電機④ 位置反饋分辨率：1 n m⑤ X軸直線度(水平) ：0 . 3 μ m全行程⑥ Z軸直線度(水平)：0 . 4 μ m全行程① 類型：油靜壓導(dǎo)軌② 行程： X軸 3 1 0 m m，Z軸 3 6 0 m m③ 驅(qū)動系統(tǒng):交流直線電機④ 位置反饋分辨率：1 0 n m⑤X軸直線度(水平) : 0 . 0 4 μ m / 2 0 0 m m⑥Z軸直線度(水平) : 0 . 0 5 μ m / 2 0 0 m m回轉(zhuǎn)B 軸① 類型：油壓軸承、直流無刷直接驅(qū)動電機② 最大轉(zhuǎn)速：1 0 r / m i n③ 位置反饋分辨率：0 . 0 0 4 a r c / s e c④ 徑向運動誤差：0 . 1 0 μ m (補償后)⑤ 軸向運動誤差：0 . 1 0 μ m⑥ 徑向剛度：2 2 5 N / μ m⑦ 軸向剛度：6 0 0 N / μ m① 類型：油壓軸承、直流無刷直接驅(qū)動電機② 最大轉(zhuǎn)速：1 0 r / m i n③ 位置反饋分辨率：0 . 0 3 6 a r c / s e c④ 徑向運動誤差：0 . 0 9 μ m (補償后)⑤ 軸向運動誤差: 0 . 1 0 μ m⑥ 徑向剛度：6 0 N / μ m⑦ 軸向剛度：3 6 9 N / μ m

三、新技術(shù)應(yīng)用情況

1.小非球面的高精度超光滑斜軸鏡面磨削技術(shù)

（1）概要

本產(chǎn)品采用斜軸磨削技術(shù)，具有利用圓弧截面的金剛石砂輪，磨削時砂輪軸與工件拋光表面成一定角度，避免了磨削點在砂輪截面一點集中的現(xiàn)象 。

（2）創(chuàng)新點

本產(chǎn)品在進行非球面磨削過程中砂輪軸采用斜軸放置，將砂輪軸與工件軸傾斜45°安裝。采用固定點磨削方式，通過B 軸控制，使砂輪旋轉(zhuǎn)角度，保證砂輪的加工點不變。這樣保證磨削點的磨削性能穩(wěn)定，實現(xiàn)穩(wěn)定的材料去除，對加工小非球面時比較合適，可以提高非球面形狀精度。

圖2 斜軸磨削原理及磨削裝置外觀圖

（3）工藝特點

將砂輪軸與工件軸傾斜45°斜軸方式配置，增加一個旋轉(zhuǎn)軸（B軸），使磨削時砂輪能圍繞B軸工作臺轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)磨削點固定，提高表面質(zhì)量的均勻性，改善面型精度。加工時砂輪軸線與工件軸線同時位于一平面內(nèi)并呈一定的角度，利用兩軸聯(lián)動數(shù)控機床控制砂輪沿非球面路徑移動，同時使砂輪繞砂輪軸線高速旋轉(zhuǎn)，工件繞機床主軸以角速度旋轉(zhuǎn)，便可以加工出任意面形的非球面光學(xué)零件。開發(fā)的斜軸鏡面磨削技術(shù)有效地避免了砂輪軸與工件發(fā)生干涉；磨削加工后工件表面要好于傳統(tǒng)磨削加工得到的工件表面的粗糙度；砂輪的磨損得到了一定的改善，砂輪的使用壽命得到了提高。

2.小非球面的斜軸磁性復(fù)合流體拋光技術(shù)

（1）概要

微小非球面透鏡模具的拋光，目前國內(nèi)外都仍依賴于手工拋光，加工質(zhì)量不穩(wěn)定，而且加工效率低下。傳統(tǒng)的拋光輪旋轉(zhuǎn)的磁流變拋光方式難以拋光口徑10mm以下的凹非球面；傳統(tǒng)的單一的磁流變流體存在壽命短等的問題。本產(chǎn)品開發(fā)了一種新型的斜軸磁流變拋光方式和小型磁性復(fù)合流體斜軸拋光工具，配制了以鐵基顆粒強磁性材料與磨料等組成的磁性復(fù)合流體，采用CNC復(fù)合運動軌跡的控制，利用磁場作用，形成磁性復(fù)合流體拋光工具來拋光微小口徑非球面。在同一臺設(shè)備上進行鏡面磨削后進行磁場輔助拋光加工，消除傳統(tǒng)的多臺機床加工帶來的工件裝夾誤差，進一步提高了形狀精度，改善了表面質(zhì)量，大大降低了亞表面損傷和提高加工效率。

（2）創(chuàng)新點

開發(fā)的新型磁性復(fù)合流體由羥基鐵粉，磁流體，煤油基，磨料，α-纖維等成分按一定比例組成。將它們與其他添加劑按比例混合，配制成磁性復(fù)合流體，以發(fā)揮磁流體和磁流變液各自的優(yōu)勢。如圖3所示，復(fù)合型磁性流體中由凝聚的磁性粒子形成針狀的磁團簇。

圖3 硅油基MCF加磁場后顯微鏡圖

研發(fā)的斜軸磁流變拋光裝置如圖4所示。通過配制以鐵基顆粒強磁性材料與磨料等組成的磁性復(fù)合流體，研制特殊的小型磁力拋光頭，設(shè)計磁場輔助拋光加工裝置，采用CNC復(fù)合運動軌跡的控制，利用磁場作用，形成磁性復(fù)合流體拋光工具來拋光工件表面。

（3）工藝特點

開發(fā)的新型磁性復(fù)合流與磁流變液相比，更微細、更穩(wěn)定、壽命更長，與磁流體相比，流變特性更強，加工效率更高。

新的微小非球面斜軸磁流變拋光工藝?yán)么艌鲎饔眯纬纱判詮?fù)合流體拋光工具來拋光工件表面。當(dāng)磁流變拋光液隨拋光頭運動到拋光區(qū)域時，受梯度磁場作用形成緞帶凸起，即“柔性拋光?！迸c工件法線方向表面接觸并產(chǎn)生相對運動，在工件表面產(chǎn)生剪切力，從而實現(xiàn)零件表面拋光加工，而在非拋光區(qū)域，由于無磁場或較弱的磁場，磁流變拋光液運動到此處時就會自動脫離拋光頭外殼，這樣可以實現(xiàn)磁流變拋光液的循環(huán)更新。

3 .高精度高剛度進給驅(qū)動系統(tǒng)

（1）概要

直線運動進給軸具有納米級分辨率，并在高動態(tài)往復(fù)運動下保證較高的跟蹤精度，是保證納米磨床精度的關(guān)鍵因素。超精密加工中，傳統(tǒng)進給驅(qū)動系統(tǒng)是旋轉(zhuǎn)伺服電機加絲杠的形式。由于絲杠傳動環(huán)節(jié)摩擦、間隙死區(qū)、微反沖、螺距誤差和彈性效應(yīng)等非線性因素?zé)o法消除，低速運動性能的改善非常困難；并且傳動系統(tǒng)柔性限制了伺服控制的帶寬，高精度高動態(tài)的往復(fù)運動受到極大限制。后續(xù)發(fā)展了滾珠絲杠、靜壓絲杠、摩擦驅(qū)動、粗精二級混合驅(qū)動進給機構(gòu)等等。但是，這些系統(tǒng)的可靠性以及制造的難易迥然不同，并且有些缺點目前仍難以克服。采用直線電機驅(qū)動可使機床驅(qū)動系統(tǒng)擺脫絲杠驅(qū)動系統(tǒng)存在的一系列不利因素。直線電機初級和次級彼此互不接觸，電機運動部件直接與導(dǎo)軌滑塊相聯(lián)，無需中間傳動環(huán)節(jié)，提高了傳動剛度。動子定子不接觸的無框架設(shè)計也取消了機械傳動系統(tǒng)對速度的限制，調(diào)速范圍大幅提高。另外，直線電機驅(qū)動還具有加減速性能好、進給行程不受限、簡化設(shè)計和清潔免維護等優(yōu)點。

（2）創(chuàng)新點

本產(chǎn)品的X、Z軸導(dǎo)軌均采用液體靜壓導(dǎo)軌，主要是因為在超精密磨削加工中更需要導(dǎo)軌具有高剛度和高阻尼特性。根據(jù)液體靜壓支撐設(shè)計的經(jīng)驗，設(shè)計了三種液體靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)進行分析計算，最右邊的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)抗變形的能力最好。

圖5 三類靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)

建立了直線電機驅(qū)動控制系統(tǒng)模型，超精密機床進給驅(qū)動系統(tǒng)使用無鐵芯永磁直線同步電機。伺服控制器使用位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)三閉環(huán)控制方案。對PDF控制器做了進一步的改進，增加速度前饋項即得到帶前饋的偽微分反饋控制器，改善了系統(tǒng)對速度指令的響應(yīng)速度。使用MatLab/Simulink對位置反饋的量化效應(yīng)進行建模和仿真，精確分析量化對控制性能的各種影響。利用有限元分析方法計算出推力波動曲線，對電流進行補償可用來抑制電機推力波動。為了提高抗干擾能力，在控制器中引入零點可增加系統(tǒng)阻尼，以彌補機械阻尼的不足。采用H∞的方法可獲得兼顧剛度和阻尼的最佳設(shè)計。

圖6 進給驅(qū)動系統(tǒng)安裝調(diào)試

（3）技術(shù)特點

本產(chǎn)品采用高精度直線電機直接驅(qū)動工作臺運動,并對直線電機其中的部分關(guān)鍵技術(shù)進行了控制，包括：直線電機進給剎車安全機構(gòu)、直線電機的行程極限緩沖缸、直線電機間隙調(diào)整機構(gòu)、直線電機裝配技術(shù)、納米級精度光柵反饋定位控制技術(shù)等，實現(xiàn)了納米級定位精度的要求。

4.高精度B軸回轉(zhuǎn)工作臺研制

（1）概要

采用液體靜壓精密運動軸系是超精密機床發(fā)展的必然趨勢，液體靜壓軸承是利用外部壓力供油產(chǎn)生承載力的軸承。精密回轉(zhuǎn)工作臺要求具有好的靜、動態(tài)特性與運動特性。隨著對剛度、運動精度和減振降噪能力要求的進一步提高，靜壓轉(zhuǎn)臺顯示出巨大的優(yōu)勢，其核心部件是液體靜壓軸承。以節(jié)流特性為基礎(chǔ)，設(shè)計自補償液體靜壓軸承結(jié)構(gòu)形式，其基本設(shè)計思想是用加工于軸承內(nèi)表面上的特征結(jié)構(gòu)代替外部的節(jié)流器，節(jié)流結(jié)構(gòu)在軸承制造過程中一起完成，不再額外設(shè)計與加工，而且由于其尺寸與軸承間隙相當(dāng)，節(jié)流比不受軸承間隙大小的影響。設(shè)計具有較大理論承載力與剛度的液體靜壓軸承，在現(xiàn)有的加工水平上制造出結(jié)構(gòu)簡單卻具有更高性能的轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)。

（2）創(chuàng)新點

開發(fā)了雙錐面自補償油靜壓軸承的油靜壓B軸轉(zhuǎn)臺。雙錐面自補償油靜壓軸承不采用外部節(jié)流器，制造難度降低，但要得到預(yù)期的流阻比，對于軸承間隙、錐角公差還是有較高要求。由于只需加工若干零件，因而制造工藝相對簡單。雙錐面自補償液體靜壓軸承，主要特征為在節(jié)流面與承載錐面呈一銳角，使得節(jié)流間隙和承載間隙變化趨勢相反，節(jié)流表面上加工了帶有凹腔的節(jié)流單元，從而使得經(jīng)過節(jié)流的潤滑油全部進入節(jié)流凹腔中，然后通過軸承內(nèi)部的通道進入承載油腔。

設(shè)計了新型的自補償液體靜壓軸承結(jié)構(gòu)， 建立了其理論模型并研究了基于有限元方的數(shù)值算法。根據(jù)迦遼金理論將潤滑方程的微分形式轉(zhuǎn)化為弱積分形式，并采用四邊形等參數(shù)單元離散圓錐油膜流場，計算軸承的油膜力；采用小擾動理論推導(dǎo)了動態(tài)條件下自補償圓錐液體靜壓軸承的擾動雷諾方程，并以此求解了軸承的動態(tài)特性參數(shù)。

圖14 自補償液體靜壓軸承三維模型與靜壓轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)

（3）技術(shù)特點

高性能液體靜壓轉(zhuǎn)臺研制對于提高超精密機床加工能力具有非常重要的意義。傳統(tǒng)的固定節(jié)流軸承剛度與精度的進一步提高受到節(jié)流器制造精度的限制，而可變節(jié)流器本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本較高。自補償液體靜壓軸承由于不需要外部節(jié)流器，成本較低且在性能提升方面具有很大的潛力。新型的自補償液體靜壓軸承結(jié)構(gòu)選用50o錐角，可以使軸承在徑向和軸向的剛度比較均衡。在供油壓力1MPa條件下，其初始狀態(tài)的軸向剛度約為220N/μm，徑向剛度約為120N/μm，運動精度達到0.1μm，回轉(zhuǎn)定位精度0.5n。

圖15 主軸結(jié)構(gòu)及主軸實物圖

5.高剛性高精度的工件主軸單元制造技術(shù)

（1）概要

空氣靜壓主軸單元是超精密加工中重要單元部件，具有很高的回轉(zhuǎn)精度。在高速轉(zhuǎn)動時，由于空氣的粘度很小，故空氣靜壓軸承在運動中所受的粘滯阻力很小，阻力產(chǎn)生的熱量也較少?？諝忪o壓軸承的工作原理和液體靜壓軸承類似，主軸由壓縮空氣浮在軸套內(nèi)，主軸的中心位置由相對面的靜壓空氣壓力差維持。本項目的主軸采用雙半球結(jié)構(gòu)，以保證足夠的軸向和徑向剛度和精度。通過一體式高精度、高剛度空氣靜壓主軸的設(shè)計、研究、制造，將內(nèi)裝電機的電主軸結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用于超精密主軸中。采用這種結(jié)構(gòu)形式，減少了皮帶傳動、聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)的傳動環(huán)節(jié)。同時，主軸軸承部分與電機轉(zhuǎn)子聯(lián)結(jié)部分在一次裝卡下加工完成，保證了兩部分的同軸度，從而降低驅(qū)動軸與主軸的偏心誤差，使驅(qū)動不影響超精密主軸的回轉(zhuǎn)精度。

（2）創(chuàng)新點

通過一體式高精度、高剛度空氣靜壓主軸的設(shè)計、研究、制造，將內(nèi)裝電機的電主軸結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用于超精密主軸中。采用這種結(jié)構(gòu)形式，減少了皮帶傳動、聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)的傳動環(huán)節(jié)。同時，主軸軸承部分與電機轉(zhuǎn)子聯(lián)結(jié)部分在一次裝夾下加工完成，保證了兩部分的同軸度，從而降低驅(qū)動軸與主軸軸的偏心誤差，使驅(qū)動不影響超精密主軸的回轉(zhuǎn)精度。將全閉環(huán)控制技術(shù)應(yīng)用于高精度、高剛度的超精密主軸中，從而將超精密主軸的應(yīng)用范圍進一步擴大。通過對高速、高精主軸精度動態(tài)檢測技術(shù)的研究，實現(xiàn)了高速主軸的精度、振動的在線測量及平衡。

（3）技術(shù)特點

選擇了規(guī)格SR120mm軸球，使用專用研具對精加工后的外球面與球瓦進行了研磨，使軸球、球瓦的達到＜0.5μm球面球度。氣浮主軸中氣隙的均化比約為1∶10左右，保證了主軸的回轉(zhuǎn)精度＜50nm。箱體底面要求平面度在0.01mm以內(nèi)，并采用刮研面，獲得了最高轉(zhuǎn)速1500r/min、回轉(zhuǎn)精度＜50nm超精密工件主軸。

四、成果應(yīng)用及推廣情況

本產(chǎn)品提交給用戶超精密加工技術(shù)湖南省重點實驗室使用。建成了湖南大學(xué)小口徑非球面模具制造基地，國防科技大學(xué)超精密加工制造基地，北京工研精機股份有限公司高精度主軸設(shè)計制造基地；陜西秦川機床工具集團有限公司的超精密復(fù)合機床示范應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化中試準(zhǔn)備基地。產(chǎn)品研發(fā)成果在超精密加工裝備、光學(xué)制造等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。產(chǎn)品多項關(guān)鍵技術(shù)填補了國內(nèi)空白。產(chǎn)品的研究成果產(chǎn)生了較大的社會效益，除支持04重大專項任務(wù)外，成果應(yīng)用在國防科技大學(xué)的超精密加工技術(shù)湖南省重點實驗室，與上海技物所、上海803所等單位開展技術(shù)合作和關(guān)鍵光學(xué)零件技術(shù)攻關(guān)研究，有力支持了相關(guān)單位產(chǎn)品的開發(fā)。

本產(chǎn)品開發(fā)的小口徑非球面光學(xué)玻璃透鏡模具超精密數(shù)控復(fù)合機床微小非球及相關(guān)技術(shù)，填補該領(lǐng)域國內(nèi)空白， 性能達到國際先進水平； 具備納米級精度斜軸鏡面納米磨削、斜軸磁流變研拋、在線測量補償加工、砂輪在機整形和在線修銳等功能，可實現(xiàn)亞微米級的形狀精度、納米級的表面粗糙度和極低的表面損傷的小非球面光學(xué)透鏡模具加工。□