数控非球面加工技术

数控非球面加工技术吴肖杰S15020252CompanyLogo目录非球面光学零件的简介1非球面光学零件的加工方法2计算机控制光学表面成型技术3直径76.2mm非球面数控加工工艺4数控非球面加工的影响因素

5Part1.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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1.1非球面的分类：

二次曲面

单轴对称非球面

（抛物面、双曲面、椭圆面）按对称轴的数量回转高次曲面

二轴对称非球面：柱面、复曲面

大型非球面：直径超过0.5m以上按外形尺寸中型非球面：一般光学仪器中的非球面光学零件

微型非球面：镜头口径2-9mm,甚至0.1--0.8mm

高精度非球面：天文仪器中的主镜、用于摄谱仪中的物镜按制造精度中等精度非球面：各种光学仪器中的物镜、目镜、反射镜

低精度非球面：CompanyLogo

1.2非球面的优点1.具有优良的光学性能：无球差2.改善了成像质量3.简化了光学系统：在光学系统中用一个非球面代替多个球面来校正像差。4.减轻了仪器的质量CompanyLogo1.3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。CompanyLogo正是由于光学非球面元件的广泛使用，使得光学非球面的加工技术得到了快速发展。近年来随着超精密微细加工技术的发展、高精密数控机床的出现，使非球面光学零件的加工技术有了长足的进展。它提高了加工精度和加工质量，缩短了产品研制周期，实现了加工及检测的自动化、数字化，突破了传统的手工或半手工操作，从而提高了加工效率和制造精度。CompanyLogo1.4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。CompanyLogoCompanyLogo

Part2.非球面光学零件的加工方法:

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。2）改变材料形状法:是通过加热的方法将光学材料的形状改变从而实现非球面制造。光学塑料模压技术3)材料表面沉积法：是通过在一种光学材料表面沉积其他光学材料制造非球面的方法。表面镀膜法、表面复制法4)改变材料性质法加工应根据零件的材料、形状、精度和口径等因素的不同，采用不同的加工方法。非球面光学零件的加工方法表面材料去除法传统的研磨方法：主要有研磨抛光法、仿形研磨与抛光、应力变形研磨与抛光、柔性抛光等。其中柔性抛光有软材料或气囊来实现柔性抛光方法，还有磁流变抛光技术。计算机控制光学加工技术具有先进水平，它包括单点金刚石切削技术、计算机数控铣削抛光技术、计算机数控铣磨抛光技术、计算机数控应力变形研磨与抛光技术。高能束流方法：通过高能束流去除表面材料实现非球面制造，如离子束抛光、离子束刻蚀，高压液体射流。化学腐蚀也可以实现表面材料的去除，但是，该类方法的研究不是很多。CompanyLogo数控研磨抛光法：这种方法主要靠精密数控研磨和抛光加工各种非球面零件。这种机床上可进行各种玻璃零件加工。优缺点：精度高，但设备昂贵，最终抛光还需要手修。在非球面中最常见的是一个对称轴的回转非球面，回转非球面通常采用数控机床进行加工。CompanyLogo超精密精密图-1超精密加工非球面车床1-工件主轴；2-旋转台；3-旋转滑板；4-X轴驱动机构5-防震机构；6-激光头；7-z轴滑板；8-z轴驱动机构CompanyLogoPart3.计算机控制光学表面成型技术非球面数控加工主要运用的是计算机控制光学表面成型（computercontrolledopticalsurface，CCOS）技术。3.1CCOS技术基本原理：

它根据定量的面形检测数据，建立加工过程的控制模型，用计算机控制一个小磨头对非球面零件进行研磨抛光，通过控制磨头在工件表面的驻留时间及相对压力来控制材料的去除量。

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图2

CCOS加工非球面基本原理示意图1—非球面元件2—小磨头CompanyLogo

3.2CCOS技术的优点计算机控制小工具抛光技术的实质和目的是把高级光学加工者的加工技巧数字化、定量化，由计算机驱动机床运动系统，从而控制抛光模对工件表面进行加工。与传统加工方法比较，计算机控制小工具抛光技术对工件面形的判断更加准确，抛光过程控制更加可靠，使大口径非球面光学元件的加工效率和加工精度得到大幅度提高。CompanyLogo3.3CCOS技术的基础理论方程：目前，描述光学表面抛光过程比较成功的数学模型是Preston（普雷斯顿）方程如下：

CompanyLogoCompanyLogo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。CompanyLogoCompanyLogoCompanyLogo3.4CCOS技术的加工流程1.由高精度光学面形测量仪器测量光学元件的面形误差，取得当前光学表面的面形数据。2.将面形数据与预期的面形比较，得到本加工周期所需要达到的材料去除分布函数。3.选择抛光参数，根据预期的材料去除量计算驻留时间函数和最优化加工路径，并通过计算机模拟最终抛光结果，如果模拟结果不符合要求，则需要重新选择抛光参数，再一次送到机床数控系统。4.重复第（3）步，直到模拟的抛光结果符合要求时，将抛光模运动参数转化成机床控制文件，并传送到机床数控系统。5.机床数控系统读入并执行控制文件，驱动机床各运动机构按照一定参数运行，实现本周期内抛光模对工件表面的加工。6.这一个加工周期完成后，再次用面形检测仪器实时检测工件面形，为下一个加工周期提供面形数据，如此周而复始，直到得到符合要求的光学表面。CompanyLogoCompanyLogo计算机控制抛光技术加工流程图

Part4.直径76.2mm非球面数控加工工艺

将利用OPTECH非球面数控机床加工直径为Φ76.2mm，R为125.2mm，K=0.475，d=8±0.1，A=5.35741e-8，B=-2.84656e-11，C=4.16788e-14，D=-2.54751e-17，材料为K9的非球面透镜。CompanyLogo非球面加工工艺流程如图所示CompanyLogo图3工艺流程图

4.1预抛光工艺

零件经铣磨成型后，表面留有金刚石砂轮铣磨痕迹，要通过抛光过程将痕迹去除。采用面积较小的抛光盘，能够跟踪工件面形的变化趋势，更好地修正局部误差，在短时间内就能使工件的面形精度达到要求，但是由于它产生比较明显的表面波纹度，从而导致表面中高频误差，元件产生高级像差。为了避免这种中高频误差，首先对零件进行弹性抛光盘预抛光。预抛光过程中，工件轴、工具轴转速分别为150rpm和450rpm，摆角21.7°时，抛光15min，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。CompanyLogo非球面加工工艺流程如图所示CompanyLogo图3工艺流程图

4.2非球面数控反馈铣磨抛光工艺

为解决弹性抛光盘严重破坏面形精度的问题，现将检测曲线反馈到铣磨机中，第二次铣磨非球面，在此过程中引入补偿量，补偿掉由抛光引起的面形误差。即在铣磨过程中刻意使其具有与之前测得的误差相反的面形误差，在抛光去除量大的地方磨削量减小，而抛光去除量小的地方则增大。CompanyLogo非球面加工工艺流程如图所示CompanyLogo图3工艺流程图

4.3非球面数控小磨头修抛工艺

小抛头修抛过程中，表面去除量参数之间的关系可以由Preston模型给出，在磨头与工件间相互作用的小区域内，磨头对工件表面材料的去除量与压力、相对速度以及驻留时间成正比。根据轮廓仪测得的预抛光检测曲线，调整工件轴转速和工具轴转速分别为500rpm和2500rpm，其他条件不变，进行几次修正抛光,多次重复修磨元件，表面面形精度逐步收敛。CompanyLogo

Part5数控非球面加工的影响因素

5.1粗磨的影响因素金刚石磨具的粒度、浓度，磨轮的硬度，铣磨深度5.2精磨的影响因素金刚石颗粒、结合剂、玻璃5.3抛光的影响因素（1）抛光介质水对玻璃的侵蚀作用（2）光学玻璃化学稳定性与抛光速度的关系（3）抛光液PH值的影响（4）添加剂对抛光过程的影响（5）抛光模的作用

CompanyLogo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。CompanyLogoThankYou!

Part5数控非球面加工的影响因素

5.1粗磨的影响因素：（1）粒度金刚石磨具的粒度对磨削效率和表面粗糙度的影响正好相反，粒度越细，工件表面粗糙度愈小则效率越低。粒度对表面粗糙度的影响近似成直线关系。选择粒度的原则是：在保证工件粗糙度要求的前提下，尽可能采用粒度粗的磨轮加工，以提高磨削效率。但是，在浓度一定的情况下，粒度越大，粒数越少，每个颗粒上受到的压力加大，则造成磨具磨耗增大。一般铣磨用的磨具粒度范围在80#~120#。CompanyLogo粗磨的影响因素：（2）硬度磨轮的硬度是指磨具表面的磨粒在外力作用下脱落的难易程度。磨粒易脱落则磨具软，反之则硬。磨轮硬度的选择，对磨削效率、加工质量和磨具寿命影响很大。若磨具硬度过高，则结合剂把已经磨钝而失去磨削能力的磨粒牢牢把持住而不让其脱落，这样会造成磨具与工件之间摩擦力增大，发热量大，严重时会使零件炸裂。同时，硬度过高将大大降低磨削效率和表面质量。相反，磨具硬度过低，磨粒还在锋利时候就会掉下来，这样不但会影响效率，而且还造成磨具不应有的损耗。CompanyLogo

粗磨的影响因素：

（3）浓度金刚石磨具的浓度，是指在磨具金刚石层内每立方厘米的体积内含有金刚石的质量。规定每立方厘米中含有4.4克金刚石作为100%浓度。“克拉”是金刚石质量的计量单位，1克拉=0.2g，浓度为50%，其金刚石含量为2.2克拉/cm3。若浓度过高，结合剂相对减少，这样对金刚石颗粒的把持力减弱，使颗粒有过早脱落的可能，不能充分发挥磨料的磨削作用。若浓度过低，使磨轮表面金刚石颗粒减少，作用在没颗粒上切削力相应增大，也有促使磨料过早脱落的可能。浓度选择的原则：假如金刚石粒度比较粗，浓度相对的应高些。假如结合剂品种不同，则金刚石的浓度也应该不同，树脂结合剂选用100%，而电镀结合剂选用50%的浓度。CompanyLogo粗磨的影响因素：（4）铣磨深度铣磨深度是指工件转动一周的吃刀量。实践表明，吃刀量愈大，铣削效率愈高，但表面粗糙度愈大。在铣磨周期内，磨去量一般是经过多次铣削完成的。从磨具合理使用的角度考虑，铣磨深度不应该超过金刚石层的厚度，否则易损坏磨轮。尤其在加工块料毛坏时，更应特别注意吃刀量不能过大。在弹性进给的条件下，铣磨深度与磨轮转速、工件线速度、磨削压力以及金刚石粒度和工件材料等因素有关。CompanyLogo

5.2精磨的影响因素（1）金刚石颗粒在使用散粒磨料研磨玻璃时，切削能力和工件表面的粗糙度仅取决于磨料颗粒的粒度。但是，在使用固着磨料磨研时，尤其是在金刚石精磨中，磨具的切削能力，不仅取决于金刚石颗粒的粒度，而且还取决于它在结合剂中的浓度以及颗粒从结