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平面光学元件的加工技术
浙江大学光电信息工程系 曹天宁
宁波华光精密仪器有限公司 周柳云
光学平面零件包括棱镜、平行平面板、平面反光镜、平晶、光楔、光盘片基、滤光片、波片、倍频器、液晶光屏平面等等。其大小从φ1mm到φ1000mm或更大,材料主要是光学玻
璃,有时是光学晶体,为了达到高精度与高效率,采用技术方法很多,有铣磨、精磨、研磨、抛
光、分离器抛光、环抛、水中抛光(BFP)、单点金刚石飞切(SPDFC)、计算机机控制小工具
抛修(CCP) 、离子抛光等等。
从机理上考察,可以归纳为三类基本方法
一、 范成法形成平面
特点是依靠机床的精确运动形成平面包络面,对机床精度要求高.如用筒状金刚石磨
轮铣磨平面,按形成球面正弦公式当α=0 时,R=∞范成了平面(生产上为了排屑排冷却液
方便, α 有一个小量,所以表面微凹)。单点金刚石飞切也是依靠高速旋转的轴上的飞刀
与作直线运动的工作台垂直而范成了平面.工具与工件的加工接触为线接触。这种方法,
生产效率按接触状态不算高,由于工具轴速度高所以生产效率变高,加工精度容易保持。
二、 轮廓复制法或母板复制法
这种复制法与光栅复制法不一样,在复制过程有磨削研磨、抛光过程。采用精磨模、
抛光模(固着磨料抛光模与柏油抛光模)加工的均属于这一类.工具与工件的接触为面接
触。这种方法,生产效率按接触状态为最高,但必须研究最佳参数达到均匀磨耗,以保
持精度的传递(即复制)。
三、 小工具修磨法
计算机控制抛光(CCP)离子束抛光与手修属于这一类,逐点抛修,边检边修,精度可以
很高,对局部修正非常方便.工具与工件的接触为点接触。这种方法,生产效率为最低,
但修改局部误差最方便,所以适合于高精度大中型平面的加工。
(一) 、铣磨成型光学平面元件
我国 QM30、PM500、XM260研磨机直到 NVG-750THD型双轴超精密平面磨床等大型平面
铣磨机都是利用范成法原理高效铣磨出平面,而且可以采用适当的金属夹具,将角度修磨变
为平行平面的铣磨.机床磨轮轴与工件轴的平行度、轴向径向跳动影响棱镜的角度精度.铣磨
成型是光学平面元件毛坯加工的主要技术方法之一。
图一就是 PM500铣磨平面的范成运动,图二就是改进的 QM30铣削平面的范成运动。图三
是大型的 NVG-750THD型双轴超精密平面磨床。
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图三. 大型双轴超精密平面磨床
(二) 、光学平面的磨削、研磨与抛光
重点在于加工出高精度光学表面面形(N、△N),磨削、研磨与抛光的运动形式很多,但
其特点是一样的,光学平面精度的获得不主要依靠机床的精度,而主要依靠母板的精度的传
递,应该重点研究与把握三个机理。
1、 轮廓复制法
2、 母板的产生、保持与修复
3、 三块平面的对磨与修正
平面精磨模要用金属平磨来修磨,金属平模就是母板,低速环抛机的柏油抛光盘是母板,
高速环抛机的聚氨酯抛光盘修正好后也成了母板.母板最原始最基本获得的办法是三块平模
的对磨与相互修正.研磨(精磨)与抛光过程就是母板的精度的保持、破坏与修复过程.精磨
模、聚氨酯抛光模与固体磨料抛光模接近刚体,比较好满足抛光方程要求,所以母板面形保持
的时间长,适合高效加工要求。柏油抛光模塑性大,不满足抛光方程要求,柏油模在抛光过程
一直处于破坏与修复过程,是古典抛光的特点,效率低,精度高,并且表面粗糙度好。
1、 平面的高速精磨与抛光
这是平面的高效的加工的基本方法。例如,在 JM030.3、三轴精密精磨抛光机床(φ
300)与 PLM400 平面精磨机(φ500)(图四、图五),采用高速高压、固着磨料精磨模、固
着磨料抛光模与聚氨酯抛光模等,并采用合理的工艺参数(速度、压力、工具大小、摆幅、
供液量、液温等),可以达到定时定光圈定表面质量的目的.精磨模与抛光模是工作母板,
而合理的工艺参数使工作母板不容易破坏,因而可以较长时间保持面形,维持正常生产。
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图四.JM030.3三轴精磨抛光机
图五.PLM400平面精磨机
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2、 高速环型抛光法
HPM60、80、100及 JP650型环型抛光机的抛光盘直径为 600、800、1000及 600mm.
工件可以为平面,也可以为棱镜组合光胶镜盘或金属夹具组合棱镜镜盘.由于 HPM机型采
用变频调速,软启动,软停止,运动平稳,低噪音使用更为方便。
这类机床的工作原理也是母板复制法,要求底盘具有高的平面性,工作盘有时带修正
环或分离器,主轴转速高 15-85rpm,通常用聚酸脂抛光片加抛光悬浮液抛光.显然修好聚
酸酯抛光盘的平面性是一个关键,可以用平面金属模来修正也可以用金属修正环来修正,
这种方法是中等精度的高效加工方法.图六 a 为 JP560 环抛示意图,图六 b 为 JP560 环抛机照片,图六 c为 HPM100环型平面研磨抛光机。
图六 a.JP560环抛机示意图
图六 b.JP560环抛机
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图六 c.HPM100环型平面研磨抛光机
3、 低速环型抛光法
高精度的平面(如平晶或薄型平面)适合用低速环型抛光法。这种方法也是母板复制法,
由于工作母板(柏油抛光盘)具有可塑性,是边抛光边修正的,校正板起保持与修正作用,而速
度、压力也起保持与修正作用.
⑴ 低速环抛法的原理
根据 Preston抛光方程.对工件平面上任意一点 M(x,y)(图七)的抛光量 h(x,y)为
h(x,y)=A∫T
O P(x,y)V(x,y)dt
图七 低速环抛的原理
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式中,P-M(x,y)点的瞬时压强
V(x,y)-M(x,y)点的瞬时速度
T-加工时间
A-与加工过程有关的工艺系数
V-(x,y)作如下分析:
21),( vvyxv −= , V 1 =R iω 1 , V 2 =r iω2
其瞬时速度中心在 M 0时, → V 1 (x,y)=0, V 1 = R 0ω
1 , V 2 =(R 0 +e)ω2,
∴ 21
20 ωω
ω−
= eR
当ω1→ω2时,当 R 0→∞,产生平动,速度趋于均匀。
当推动平面的着力点接近接触面时,压力也趋于均匀,从而获得了均匀抛光(磨损)的条件。
热变形是精密加工时要关注的问题,由于抛光热使平行平面工件产生厚度方向的温度线
性分布,用△t表示,设工件外经为 D,厚度为 d,工件材料的热膨胀系数为α,则平面变
成球面性变形,球面的矢高为 h,则
h=D2α△t/8d
如工件材料采用微晶玻璃或石英玻璃,则热变形很小。
⑵ 低速环型抛光法的工艺参数及工艺装备
以浙江大学 1984年机械部签定通过的 RP-1000环型抛光机(图八 a),南京利生光学机
械责任有限公司 HPM150型环型机是低速环抛机(图八 b)为例讨论参数。
图八 a、RP-1000环型抛光机
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图八 b HPM150型环型抛光机
① 环型抛光模:抛光模环带宽度通常为抛光模直径的 0.33~0.38,抛光模底盘用铝合金
或花岗岩制成,在抛光机上通过端面车削后即可制作柏油模,模层厚度 10~20mm之间,抛
光胶中通常加入 K-17塑料粉,以增加韧性与稳定性,抛光模应加制不通过中心的方格槽,
抛光模通过车削或其他方法进行修整。如果采用玻璃或花岗岩作衬底,则模层厚度可以大大
减薄。
② 校正板:可以用熔融石英、微晶玻璃,K4及 K9玻璃制作,也有用金属盘贴以玻璃来代
替整块玻璃制成校正板。校正板直径通常为抛光模直径的 1/2~2/3,通常取 0.6。
③ 工件夹持器:可以用玻璃分离器,也可以用金属贴以玻璃制成工件夹持器。
④ 转速:主轴速度在精抛时为 10~15cm/s之间,速度精度为 1%,这时ω1 与ω2接近。
当然,也可以在校正盘卡轮上加装马达,以驱动校正盘的旋转,使ω2趋近ω1。
⑤ 抛光液:采用点滴式加入氧化铈抛光液,或采用浸没式抛光(BFP),后者有利于温度控
制,最好采用离子水,控制 PH值。
⑥ 温度:室内温度为 23℃~25℃,最重要的是室内温度梯度(空间)与温度变化(时间)
的控制,通常用局部自动温控在±0.05℃内。
⑦ 校正板工件(工件夹持器)装御器:我们设计了一台特殊的推车,高度可以调整,
并带有一组带橡皮圈的滚柱,装御很发方便。
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我国几个主要单位的 1m环抛机主要工艺参数对照表如表 1所示。
表 1 我国 1m环抛机主要工艺参数对照表
单 位 No.1 No.2 No.3 No.4 No.5
抛光模直径
(米) 1.0 1.09 1.1 1.0 1.0
抛光模表面
不平度(mm) 0.01 车后未测 0.005 0.03 0.01
抛光模转动时
水平度(mm/m) 未测 0.1~1 0.2~0.3 0.06 0.05
抛光胶配方 0#(1∶3)
+10%K17 2#或 1.75
#
1∶2
(玉门 3号)
+6%K17
1∶3.5
(独山子)
+3%K17
1∶3
(独山子 5#)
+5%K17
抛光胶软化点
(℃) 70~80 80~85 80~85
(针入度
11~12)
抛光胶层厚度
(mm) 17~18 12 7 15 16
主轴转速
(rpm) 1~2 1~1.5 1 0.5~1 1
校正板尺寸
(材料) ø590X78
(K9) ø630 ø600X60
ø500X80
(K4)
ø500X70
(K4)
室温(℃) 夏 26°,
冬 23°
21°22°
±0.5° 25°~26°
⑶ K17的作用
K17 是塑料的商业牌号,就是聚乙烯醇,呈粉末状,色白。聚乙烯醇没有一定的熔
点,加热时软化,拉伸又重新结晶,有着明显的纤维圈。温度高于 71±0.2℃时热膨胀系数
大,重复加热出现滞后现象。在抛光模中增加韧性,提高切削性能;提高稳定性,低于 60℃
时(抛光的工作温度低于 30℃~40℃)不会变形。而高于 71℃时易变形。
⑷ 制胶与制模工艺
180°配胶,140℃保温,100℃加 K17(有的单位 70~80℃时加 K17),40~50℃倒
胶制模(底模预热到 40~50℃),自然冷却、固化,车平开槽,一般为 25X25,宽 5,深 4,
(美国宽 4,深 6),50℃温水修模,用校正板与工件夹持器修平,有时用工具(刮刀、砂轮)
作局部修正。
⑸ 环型抛光法的优点
①、环型抛光模比圆盘型抛光模的相对速度工均匀,当ω1→ω2时工件与抛光模之间
相当于直线匀速运动。
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②、用校正板与夹持器代替分离器,仍保持了分离器的作用,当工件尺寸或形状改变
时,只要改变夹持器即可,不必加工一个高精度大分离器。
③、允许在不停机、不取下校正板与夹持器的情况下进行检验或调换工作,维持连续
抛光,有利于提高效率与温度的平衡,保持抛光模的平面性。
④、抛光模表面各部分依次外露,使之散热容易。
⑤、抛光模露出的空间位置固定,易于实现自动抛光与自动加水。
4、 分离器抛光法
在二轴杠杆式抛光机上用分离器抛光法(图九 a)实现高精加工平面是比较简便的
方法。我们在 YM015.2A 型二轴机上安装了二个蟹钳式分离器摆架(图九 b),主轴 1.5~
20rpm,摆 2~25rpm(变频无极调速),抛光模铝底模直径为 ø500,水盆 ø530,分离器
ø400,通常 D 抛=1.25D 分.当工件为ø150时,一只分离器可以有三个分离孔,同时加工三
块ø150平晶。为了操作方便,摆架应有抬起功能,推动分离器的滚轮的着力点应在滚
轮的下部。
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图九 b.
5、 双面抛光法
双面抛光法适用于平行度要求高的薄片,如石英波片、滤光片、平行平面窗等,行
星式双面研磨抛光机使用很广泛,太多引进国外机床,国内风雷机械厂有这类机床产品.
通常上下抛光模用聚氨酯制造,中间工件隔离圈用聚四氟乙烯薄板或有机玻璃板、PVC
板制造,利用工件在分离器孔的位置互换使工件的平行度得到修正,工件的平面性主要
是抛光模的轮廓复制,要求高时仍要做微量修正,实际上,在二轴机上采用档圈也可以实
现双面抛光,不仅可以加工平行平面,还可以加工小圆柱棒,图十是二轴机双面精磨与抛
光示意图。
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(二) 、计算机控制抛光与离子抛光
计算机控制抛光(CCP)是利用小抛光头在工件上作局部抛修运动,边检边修,再过几个
循环,使平面达到很高的精度,离子抛光与 CCP类似,把小抛光头换成离子束就成了离子抛光,
离子抛光不仅提高了面形精度,而且改善了表面粗糙度。计算机控制抛光在浙江大学、北京
理工大学、长春光机所与成都光学工程中心等均先后开展这项研究工作,后者还从俄罗斯引
进了 CCP三轴与五轴抛光机,加工出不少高精度平面.离子抛光在国内仍属空白.图十一 a是
浙大 CCP实验装置图十一 b俄罗斯国立光学研究所的大型计算机控制抛光机。
图十一 a.浙江大学试验装置
图十一 b.俄罗斯国立光学研究所的大型计算机控制抛光机
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(四) 、单点金刚石飞切光学平面
美国 Pneumo Inc. 生产的 MSG-325 金刚石车床用飞切方法加工过 ø170mm KDP 晶体高
精度平行平面,用作倍频器;香港理工大学、云南光仪厂等单位的 Nanoform300也可以实现平
面的飞切.
我国为了解决 270X270及 310X310mmKDP平面加工问题,近年引进了俄国 NCM-600立式
飞切平面机床(图十二)
图十二.俄国 NCM-600立式飞切平面机床
加工工件直径可达ø550mm,其工作原理为单点金刚石飞刀高速旋转,形成一个圆的轨迹,工
作台的直线运动,使单点包络成一个平面,平面的精度主要取决于机床运动的超精密度.主轴
跳动:0.05um,主轴刚性:200N/um,导轨的直线性 0.1um/250mm,在这个机床上已经加工出
ø270KDP 平面,透过波面达 λ/2(PV)精度,在此基础上我国将开始研制这种机床,技术指标
将超过 NCM-600的水平。 (五) 、棱镜的大批量生产
对于中等精度或低精度棱镜的大批量生产通常都是成条抛光,然后用内圆切割机割开,
如棱镜尺寸小时可以用高速排条锯割开,一次可以同时切割多只棱镜.棱镜的精磨抛光可以
用金属夹具上盘,一个夹具可以加工一个面(图十三)或三个面(图十四).
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(六)高精度棱镜的加工方法
高精度棱镜的批量生产通常采用组合光胶法.图十五为用长方体与平行平面光胶板组
合光胶加工直角屋脊棱镜屋脊角的例子.
四、 光学平面的检测
平面的面形检测除用样板看光圈、菲索干涉仪看干涉条纹以外特别推荐下列测量方法
1、 平面面形快速测量法
在立柱式干涉仪上当主光线向上出射时,工件被检面可以放在测环上测量,定位面
就是被检面,这样就可以连续测量,不需要重新调整工件位置,如图十六为宁波华光精密
仪器有限公司生产的数字干涉仪,图十六 b为该仪器的测试报告,测试报告与同类国外
仪器的测试跑高的不同点在于多了 N、△N的参数数据。
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图十六 a.宁波华光精密仪器有限公司 CQG-II车间数字干涉仪(仪器全貌)
图十六 b.宁波华光精密仪器有限公司 CQG-II车间数字干涉仪的测试报告
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2、 ø 150平面干涉仪的数字化
国内最普通的平面干涉仪是ø150平面干涉仪,光路由上而下,这类仪器只要装上适
当附件(PZT 扫描器)很容易实现数字化,图十七为浙江大学与上海星庆光仪公司研制成
功并用于生产的 XQ15-GⅡø150平面数字干涉仪。
图十七. ø150平面数字干涉仪及测试报告
3、 微小平面的透过玻面畸变测量
ø4~ø1mm平面的测量可在 CQG-II型干涉仪加上 4X或 8
X放大镜就可实现(图十八 a).
图十八 a.微小平面的透过波面畸变测量原理
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图十八 b 为上海光和玻璃制品有限公司用 CQG-II 干涉仪测量 ø3.6mm 平面窗的透过面
畸变以监控承尘的产品质量,该仪器已获得日本客户的认可。
图 18b. ø3.6mm平面窗的透过面畸变测量结果
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4、 特大平面的面形测量
可以采用干涉仪的康蒙方法来实现,图十九表示在干涉仪上测量标准凹球面,在凹
球面光路中 45°方向放入被检平面,对 O′点作无象差点进行干涉测量,对干涉条纹所
判读的误差即为被检平面的面形误差,这就是康蒙方法在干涉仪中的应用。
结论
近年来我国的光学平面加工技术、机床及检测方法与设备的发展已趋于完善,能够
基本满足生产与科研的需求,超高精度机床、特殊加工机床及其加工技术仍有待进一步
研究与发展.
参考文献
1).曹天宁 “平面零件加工工艺”,光学技术手册(下册)P122-144,机械工业出版社,1994 2).南京利生光学机械(LOM)有限责任公司产品样本 3).南京仪机股份有限公司产品样本 4).上海星庆光学仪器有限公司产品样本