浅谈非球面光学零件的超精密加工技术

2012-02-21成清校王鹏超路兰卿

装备制造技术 2012年11期

成清校，宋健，王鹏超，路兰卿

（1.北京航天试验技术研究所，北京 100074；2.西安航天动力试验技术研究所，西安 710100）

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]。延性磨削方式可以保证未变形切削厚度小于脆性——塑性（或称延性）转换临界值。能满足这种磨削条件的方式称为延性磨削方式。

1.3 计算机控制光学表面成形技术

计算机控制光学表面成形技术（computer optical surfcing，CCOS）是利用一个比被加工器件小得多的抛光工具，根据光学表面面形检测的结果，由计算机控制加工参数和加工路径完成加工。由于计算机控制抛光可以精确地控制研抛过程中的材料去除量，和传统研抛方法相比，大大提高了加工效率和成品率。

1.4 光学玻璃模压成型技术

光学玻璃模压成型技术是一种高精度光学零件加工技术，开发于20世纪80年代中期。其是把软化的玻璃放入高精度的模具中，在加温加压和无氧的条件下，一次性直接模压成型出达到使用要求的光学零件。光学玻璃模压成型法具有工序简单集中，节省场地、可以批量生产的特点，但是模具精度要求极高，加工成本很高。

1.5 光学塑料成型技术

光学塑料成型技术是目前制造塑料非球面光学零件的先进技术，包括注射成型、压制成型和铸造成型等技术。光学塑料注射成型技术主要用来生产直径100 mm以下的非球面光学零件，也可制造微型透镜阵列。而模压和铸造主要应用于直径在100 mm以上的非球面光学零件。其具有总质量轻、成本低，光学零件和安装部件可以一体化，节省装配工作量，耐冲击等诸多优点。

1.6 非球面镜的特种加工技术

非球面镜的特种加工方法包括离子束、电子束加工法等，这种方法以原子、分子级去除材料，加工精度高，但需要昂贵的真空设备和复杂的运动机构，加工成本较高，并且不能粗糙表面获得高精度抛光表面，对前道工序的加工要求较高。此外，还有应力盘抛光技术、磁流变抛光技术、等离子技术等。其利用主动变形技术，使抛光盘在对非球面光学表面进行抛光的过程中，通过计算机控制实时改变抛光盘的形状，使其符合理论非球面面形，进而将被加工球面向标准非球面修正。

磁流变抛光（Magnetorheological Finishing，MRF）技术是以磁流变抛光液在磁场作用下，在抛光区范围内形成具有一定硬度的“小磨头”对工件进行抛光[5]。“小磨头”的形状和硬度可以由磁场实时控制。该方法是一种柔性抛光方法，不产生亚表面损伤层、加工效率高、表面粗糙度低、能够实现复杂表面的抛光加工。通过控制磁场分布形状和加工区域的驻留时间，可以实现确定量抛光。

等离子（Chemical Vaporization Machining，CVM）技术是一种利用原子化学反应，获得超精密表面的一种技术，其加工原理和等离子体刻蚀一样，在等离子体中，被激活的游离基和工件表面原子起反应，将之变成挥发性分子，并通过气体蒸发实现加工的，在高压力下所产生的等离子体，能够生成密度非常高的游离基，所以这种加工方法能达到与机械加工方法相匹敌的加工速度，加工工件的表面粗糙度可达0.1 nm。

2 非球面零件的超精密加工设备

超精密机床是实现非球面光学零件超精密加工的首要条件。目前，在超精密加工机床制造方面比较发达的国家有美国、日本、德国和英国。国际上生产超精密机床的厂家主要有：美国摩尔公司、普瑞泰克公司、泰勒霍普森公司，日本的东芝机械、不二越公司、丰田工机、发那科公司等，德国先代士劳公司、奥普特公司是生产超精密数控铣磨抛设备的著名厂家[5]。

另外，许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，可以使非球面零件的加工更加灵活。表1给出了目前国际上典型的、具有代表性的超精密加工机床及其性能指标。

表1 几种典型的超精密机床技术性能指标

目前，美国超精密机床的水平最高，尤其是LLNL实验室于1983～1984年研制成功的DTM-3和LODTM大型金刚石超精密车床是目前为止世界公认的最高水平的大型超精密机床；英国是较早从事超精密加工技术研究的国家之一，其Cranfield大学CUPE精密加工研究所是迄今第二个能制造大型超精密机床的机构；日本超精密加工技术的研究相对美、英来说虽起步较晚，但发展很快，其多功能和高效专用超精密机床发展较好，促进了日本微电子和家电工业的发展[5]。

3 我国非球面零件的超精密加工技现状

我国对超精密加工技术的研究起步较晚，比国外整整落后20年。现在已有一些大学和科研单位开展非球面零件的超精密加工技术的研究工作，例如，哈尔滨工业大学、北京航空精密机械研究所、国防科技大学、北京机床研究所、中科院长春光机所等单位都在从事超精密机床的研制，均取得了一定的成果。

哈尔滨工业大学于2006年研制出了大平面超精密铣床，并已用于激光核聚变关键零件铁电磷酸二氢钾晶体的超精密加工[5]。

北京航空精密机械研究所在超精密切削加工及其装备方面取得了显著成果，于2003年研制出了Nanosys-300非球面超精密复合加工系统，加工出样件的面形精度达到0.228μm，表面粗糙度Ra8.7nm[7]。

北京机床研究所于2005年研制的NAM-800型数控车床是新一代纳米级加工机床。该车床的反馈系统分辨率为2.5 nm，机械进给系统可实现5 nm的微小移动，主轴的回转精度为0.03 m，溜板移动直线度为0.15 m/200 mm，最大可加工直径为φ800 mm，粗糙度Ra<0.008 m，面型精度<0.3 m/φ100 mm。

另外，大连理工大学在软磨料砂轮超精密磨削技术方面取得了多项成果，对多种硬脆材料如蓝宝石、单晶硅、KDP晶体等进行了超精密表面光整加工，其加工的单晶硅片表面粗糙度可达Ra0.7 nm。北京航天试验技术研究所在超低温球阀球体的精密加工方面取得了一定进展，对超精密研磨的工艺、磨料等进行了研究，采用超精密研磨方法加工的球体表面粗糙度达到了Ra0.01μm。

在CCOS技术方面，长春光机所研制了FSGJ-Ⅰ、FSGJ-Ⅱ、FSGJ-Ⅲ等数控非球面加工中心，并利用FSGJ-Ⅱ将一块600 mm×300 mm的SiC离轴非球面反射镜加工到面形精度RMS13nm；国防科技大学于2002年研制的集铣磨成型、研磨抛光、接触式检测于一体的光学非球面复合加工机床AOCMT，将φ500 mm/f3抛物面反射镜面形精度加工到了RMS9.4 nm[5]。

在MRF技术方面，国防科技大学于2006年研制了可加工1 m口径的MRF设备KDMRF-1000，加工的一块φ200 mm/f1.6的光学玻璃抛物面镜，获得了RMS0.009λ的精度[5]；哈尔滨工业大学孙希威等[8]利用MRF加工了R41.3 mm、φ20 mm的K9光学玻璃球面，获得了表面粗糙度Ra8.4 nm、面形精度PV57.9 nm的表面。

国防科技大学还对IBF技术进行了研究，于2006年研制成具备非球面加工能力的IBF设备KDIFS-500，可加工的最大工件为φ500 mm，加工的平面、球面和非球面的面形精度均达到纳米量级[9]。

此外，苏州大学对液体射流抛光（FIP）技术进行了研究，利用FJP技术将一块φ90 mm的非球面镜面形精度加工到了0.36λ，表面粗糙度达到Ra2.25 nm。哈尔滨工业大学对等离子抛光（CVM）技术进行了研究，中国科学院成都光电所和南京天文光学技术研究所对应力盘抛光（SLP）技术进行了研究[5]。

以上这些成果的取得，表明我国已经逐渐掌握了非球面光学零件的超精密加工技术，缩短了与世界发达国家的差距。但是我们也必须看到，国内非球面超精密加工技术的研究还是以大学和科研院所为主，真正的商品化应用实例还不多，而国外的技术产业化比较好，多为大学与公司合作的形式，能够迅速将技术转化为生产力。另外，我国在超精密加工设备上自主开发能力薄弱、产品自动化水平低、可靠性差、精度保持性差。