高精度复杂形面光学玻璃加工技术

吕学良　郑京明　李开宇　张雪松

（中国建筑材料科学研究，北京，100024）

高精度复杂形面光学玻璃加工技术

吕学良郑京明李开宇张雪松

（中国建筑材料科学研究，北京，100024）

随着经济的高速发展，使得人们对光学玻璃的加工技术提出了更高的要求。普通的加工方法远远不能满足超精密的需求。因此，本文通过分析复杂形面光学玻璃的加工技术，以期提高加工技术跟加工质量。

高精度复杂形面；光学玻璃；加工技术

相机的镜头、望远镜的反射镜都是光学玻璃应用的衍生物。某些领域也离不开光学玻璃的应用，特别是高精度复杂形面的光学玻璃的应用。例如，雷达上使用的探照镜，光学透镜等。随着经济的高速发展，使得人们对光学玻璃的加工技术提出了更高的要求，普通的加工方法不能适应人们对超精密的需求。因此，精密铣削加工方法诞生了。利用精密铣削加工方法，能较准确的把握尺寸的合理精度，能有效控制加工过程，同时也能缩短加工的工时。

1　ELID法

利用ELID法，可实现超精密的加工要求。例如，对于非球面透镜（BK7），利用ELID法，表面的粗糙度为Ramax-20nm，其面型的精度达到0.2μm。对于由LASFN30和Ge等构成的稍软质材料，其表面粗糙度获得Ramax-30nm级的镜面，其面型精度为0.2-0.3μm。ELID磨削技术能将零件的抛光量降到最小限度。

在其他参数不变的前提下，利用ELID法进行磨削加工时，需特别注意脉冲频率的大小。若脉冲频率较高，其加工的表面质量很好，但要是频率在高些，反而会适得其反；若脉冲频率过低，表面质量则下降。在磨削过程中，要想保持好的出刃状态，要保证氧化膜的状态要薄并且致密性要合理，且电压值要小，方可使加工质量提高。

2　激光加工

针对单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热效应进行加工。利用激光可实现对材料的各种加工，例如打标、切割、打孔等。按道理来说，任何材料都可以通过激光铣削，获得想要的尺寸。

利用2束二氧化碳激光束实现加工是目前较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束能实现预热的功能，从而降低复杂形面光学玻璃的温度，另1束则是对复杂形面光学玻璃的进行加工。2束激光保持一定的距离。在对复杂形面光学玻璃加工时，加工激光束在预热激光束的后面。试验中采用的复杂形面光学玻璃是一种含碳酸钙的玻璃。可按两种情况进行试验对比，一种是有预热的情况，另一种是无预热的情况。从试验的结果来看，在无预热状态下，即用单束的二氧化碳激光束进行加工时，工件的表面温度迅速的变化着，利用2束二氧化碳激光束也可以使工件的表面温度达到适合温度。但其产出的热应力不同，最大拉伸应力也不同，前者的热应力远远大于后者的热应力（前者34.7MPa＞后者23.6MPa），前者的最大拉伸应力也远远大于后者的最大拉伸应力。由此可知，利用2束二氧化碳激光束能提高工件的加工质量，也可以达到工件的表面热应力下降的目的。

3　超声磨削

将超声和磨削技术相结合起来，形成的加工方法为超声磨削。其加工出来的工件表面光滑，质量高，对工具的磨损度也小。加工脆性光学材料时采用超声磨削加工对工艺参数的要求较高，影响着工件的表面质量。工件的表面粗糙度受很多因素影响，例如超声波的振幅、切片的深度、工具的横向进给速度以及转速、磨粒的粒度号、超声波的频率。工件表面的粗糙度同声波振幅、切深和工具横向进给速度成正比，同超声波频率、磨粒粒度号和工具转速成反比。普通磨削的材料去除率占超声磨削的1/2-2/5，然而，普通磨削的磨损量占超声磨削的5-10倍。

超声磨削可分为两种，一种为超声研抛，另一种为超声珩磨。与超声珩磨相比，超声研抛要求的精度更高，更精密。对工件进行超精密加工时，常常被当作最后的加工工序，从而保障工件的表面质量以及尺寸的精确。超声研抛可以加工任何硬脆材料，不论是平面的还是复杂曲面的都可以进行加工。普通珩磨容易导致工件出现热变形以及内应力变形等现象，这种加工缺陷利用超声珩磨可以有效的改善。利用超声珩磨在复杂形面光学玻璃上钻孔，尽管，边崩处的直径随着加磨料粒度的增加以及加工表面的质量提高而增大，但没有出现热变形以及内应力变形等现象。其加工的表面，磨削沟槽平整，纹面没有出现不均匀以及断续的现象。超声街磨的临界磨削深度远远高于普通加工临界磨削深度（3μm＞1.5μm），其粗糙度值也高于普通珩磨1倍到2倍。

4　精密铣削及超声铣削

要想使复杂形面光学玻璃的表面精度更准确，更精细。理论上，采取铣削的方式的是不可取的，但也并不是没有办法解决。在加工过程中，适当的改变一下刀具的倾斜度，其加工出来的表面质量较之前相比质量要高。根据观测得知，将刀具的倾斜度进行改变时，调整适当的加工参数，铣削加工的模式处于延性模式。加工后的复杂形面光学玻璃的表面没有裂纹，其表面的粗糙度不大于60nm。

最近几年，兴起一种加工方法名为超声波铣削。这种加工方式能有效地缩短加工的时间。超声波铣削是在计算机控制下实现复杂型腔的硬脆材料加工。超声波铣削加工流程为：使用计算机程序（CNC程序）将形状工具在平面内（X，Y组成的平面）进行二维轮廓加工，在Z轴方向上一层一层地进给，这样使得复杂型面从原来的成形加工变成层层去除加工。利用磨粒在工具的3种运动作用下，持续的对工件表面进行一系列的动作（锤击-冲击-抛磨-刮擦）。经过反复的试验可得知，普通铣削的铣削力大于超声铣削的铣削力，铣削力的大小主要取决于铣削参数的设置以及进给量的大小，切削的深度对铣削力的作用不大。超声波加工工序较复杂。超声波铣削可以有效地简化加工工序，从而降低成本，并且增加了系统加工的柔性度。

5　结束语

总而言之，光学玻璃在加工过程中，由于加工过程不可控制，刀具的磨损情况严重，其加工后的表面无法达到超精密技术的要求，因此，分析复杂形面光学玻璃的加工技术，具有很重要的现实意义。提高复杂形面光学玻璃的加工技术，有助于提高工件的表面质量，也可以控制加工过程，使加工的成本降低。

（References）

［1］张黎，李树德，蔡庆福，等.光学玻璃的超声波精密加工［J］.大地测量与地球动力学，2009，（S1）.

［2］尹韶辉，大森整，林伟民，等.一种光学材料高效超精密加工方法［J］.中国机械工程，2008，（21）.