圆弧角抛光加工技术研究

王光伟，龚云辉，王元康，周旭环，黄娅芳，董汝昆，郭春荣

(北方夜视科技研究院集团有限公司 光学公司，云南 昆明 650217)

微光夜视仪是在夜间或低照度条件下，利用星光、月光和大气辉光，通过像增强器，将人眼不易看见的极微弱星光和红外辐射等进行光电转换和图像增强，使之变成人眼容易看到的图像，以实现夜间观察和探测[1]。高品质的微光夜视装备是夜间作战的眼睛和窗口，是打赢一场高新技术局部战争的坚强后盾和有力保障之一[2-5]。微光夜视仪主要由物镜、像增强器、目镜等3部分组成，其中实现微光夜视功能的核心部件是微光像增强器，它是一种真空光电成像器件。光纤倒像器作为像增强器上的光学输入、输出窗口，是影响其成像品质的核心器件[6-8]。

1 光纤倒像器概述

光纤倒像器是一种可以将输入图像反转180°，使输出图像产生倒立的光纤光学器件[9]。其内部光纤构造同光纤面板一样，是由数千万根直径为4～6 μm的光导纤维严格地规则排列经过加热、加压融合制备而成。其中每一根纤维均是由高折射率的纤芯玻璃和外层低折射率的包层玻璃构成。当光射入光纤倒像器时，在纤芯与皮层界面产生全反射，使入射光从输入端传送到输出端[10]。目前主要用来代替微光夜视仪中的中继透镜系统，是二代、超二代和三代微光像增强器的关键元件，也被广泛应用于需要倒像的装置中。光纤倒像器于20世纪首先由美国研制成功，其后一直由它向世界各国生产微光夜视仪的厂家供货。目前，国际市场上对倒像器的需求量很大，每年需要光纤倒像器24万件，并以每年20%的速度增长。国内的山西长城微光器材股份有限公司与荷兰DEP公司合作，于1995年成功研制出光纤倒像器[11]，是世界范围仅有的3家可批量生产倒像器的企业之一(另外2家为美国肖特公司和美国INCOM公司)。目前，该产品已经达到的技术指标如下：光纤单丝直径达到4 μm，分辨率提高到128 LP/mm以上；降低了畸变，使切变≤35 mm，蛇变≤50 mm。可见国内的夜视技术和器件在热像领域和微光领域都取得了可喜的成就，但是随着微光成像、射像成像、微光电视和大面积数字成像等高科技的发展，对作为光电成像技术中的新型光电子成像元器件之一的光纤倒像器提出了更高的技术和质量要求，这就需要持续系统、全面、深入地分析和研究光纤倒像器的生产技术和工艺改进，以适应不断发展的微光技术对光纤产品的需求，为制造高质量的硬光纤器件提供可靠的保障[12]。

由于光纤倒像器材料与常见的光学元件材料不同，常见的光学元件材料为光学玻璃，在透过率、色散、光学均匀性、折射率等方面具有特定要求，尽管光学玻璃品种繁多、成分复杂、性能各异，但在加工中所采用的加工工艺大同小异。而光纤倒像器材料为光纤，该材料硬度较光学玻璃低，加工过程中易裂，表面易起水印。对于某些光纤倒像器而言，还存在较为特殊的形状，如本文研究的光纤倒像器不仅存在台阶，而且台阶面(柱面)与平面的过渡位置存在圆弧角，该圆弧角需要精磨、抛光，这成为该光学元件加工的技术瓶颈，本文正是针对圆弧角加工开展相关技术研究。通过设备改造、工艺技术创新等改进措施，实现对光纤倒像器圆弧角的加工，各项技术指标满足图样要求，为先进光学领域中光纤倒像器的加工创造有利的技术条件。

2 光纤倒像器加工工艺

以某夜视系统(公司内部计划号SY2020-031)的光纤倒像器(阳极面板)的加工工艺为例进行阐述，该光学元件(光纤倒像器实物实拍图如图1所示，光纤倒像器光学元件图样如图2所示)上下2个端面皆为平面，上端面需要切台阶(下文中，台阶面称为小面，非台阶面称为大面)，在小面边缘位置与柱面过渡位置有1个R=0.5 mm的圆弧角，其余具体外形尺寸各具有特定要求。具体技术指标要求如下：切变细磨后再进行抛光才能满足该项技术指标要求；对于该产品而言，如台阶深度、台阶面直径(小面外圆直径)、零件总厚度、大面直径等，可以通过成型设备进行加工，并不存在加工技术上的难点；对于大面、小面，应满足面型精度光圈N=5、局部光圈ΔN=0.5、表面疵病B=IV、表面粗糙度为Ra0.012 μm等指标要求，采用普通的平面精磨、抛光设备及常规的平面加工工艺即能可满足相关技术指标要求。而对于R=0.5 mm圆弧角(以下简称R0.5圆弧角)的加工，采用普通的加工设备及常规的加工工艺无法满足相关技术要求，因此，对于R0.5圆弧角的加工成为整个光纤倒像器加工中的瓶颈问题。对于该产品R0.5圆弧角的加工，考虑到二次装夹易造成几何精度偏差增大，因此本工艺只进行一次装夹固定的方式进行精磨、抛光加工，所采用的加工设备为改造过的定心磨边机。

图1 光纤倒像器实物图

图2 光纤倒像器光学元件图样

2.1 光纤倒像器圆弧角R精磨工艺

精磨又称为细磨。它是介于粗磨与抛光2个工序之间的重要工序。精磨主要目的有两个：一是使光学元件表面凸凹程度变小，以达到能被抛光去除的程度，如以离散磨料加工情况下，表面粗糙度在12 μm以下，以固着磨料工具(如金刚石磨轮)加工情况下，表面粗糙度在8 μm以下；二是使光学元件面型精度(如圈N、局部光圈ΔN)达到一定要求，从而为抛光工序做好准备。

本文研究的光纤倒像器，由于圆弧角R0.5较小，因此无法将零件进行粗磨，而是直接进行精磨，做作抛光处理。在精磨加工过程中，对于技术指标控制方面，光纤倒像器除表面粗糙度与常规光学元件要求相当外，其余有所区别，比如常规光学元件需要控制面型精度(如圈N、局部光圈ΔN)，而光纤倒像器圆弧角R0.5只需要控制外形尺寸公差(R=0.5 mm±0.1 mm)，不需要控制面型精度等指标。

本文由于是针对光学元件圆弧角精磨加工，不适于采用离散磨料方式加工，只能考虑采用固着磨料工具加工。精磨主要控制两个方面指标：一是为了使光纤倒像器直角边成型为R=(0.5±0.1) mm圆弧角；二是使圆弧角表面粗糙度≤Ra0.8 μm，满足抛光加工要求。

对于光纤倒像器圆弧角R0.5的精磨加工，首先应根据光纤倒像器尺寸规格、定心磨边设备、工件轴接头尺寸设计相应的收管夹具(见图3)。

a) 装夹零件前

b) 装夹零件后图3 光纤倒像器收管夹具图

由于该光纤倒像器圆弧角R0.5不同于常规光学元件的球面或平面，因此不能采用常规的球面或平面精磨设备加工，常规精磨设备也不具备加工圆弧角的功能，只能采用手工加工。选用定心磨边设备，在精磨加工中仅仅只是起到装夹定位作用，另一个最主要的原因是为抛光的需要，因为抛光只能在该设备上进行，这是其他设备不能替代的。

要了解定心磨边设备特性，先简单介绍光学元件中心偏差。所谓中心偏差就是光学元件(主要是透镜)外圆的几何轴(透镜外圆的对称轴)与光轴(透镜两球面的曲率中心线)在透镜曲率中心处的偏差程度。定心就是使透镜的光轴与几何轴重合或在一定公差范围内；磨边就是将定心后的透镜进行对称磨外圆，使透镜在装配过程中实现外圆与光轴的共轴性。

定心磨边设备具有如下加工特性。

1)对透镜外圆进行平行磨削。平行磨削是磨轮的轴线与透镜轴线平行，磨轮以最大的线速度磨削零件，是一种最常见的磨边方式。运动方式：磨轮轴旋转，工件轴旋转的同时可以伸缩式来回进给运动。

2)对透镜外圆进行倾斜磨削。有些光学透镜根据系统装配要求，如需要对零件外圆面进行切台阶、磨斜角等，因此工件轴可以偏转一定的角度，对于一般磨边设备，角度偏转范围为0°～45°，运动方式为磨轮轴旋转，工件轴旋转的同时可以伸缩式来回进给运动。

鉴于本研究所需加工的光纤倒像器圆弧角R的特征，再结合定心磨边设备所具备的功能情况，因此选择在定心磨边设备上加工该元件。至于选择在定心磨边设备上进行精磨圆弧角R，主要是为该光学元件下一步抛光工序考虑，这样零件只需经过一次装夹，避免重复装夹带来的相关精度指标超差。

根据光纤倒像器外径及圆弧角R尺寸要求设计相应的精磨磨具(见图4和图5)。

图4 光纤倒像器圆弧角精磨磨具

图5 光纤倒像器圆弧角精磨磨具图样

加工方式：装夹光纤倒像器的工件轴旋转，精磨磨具对准光纤倒像器的小面边缘位置，确保接触后固定精磨磨具，精磨磨具圆弧角R位置电镀区域的金刚砂磨削光纤倒像器的小面边缘，使边缘位置成型为R=0.5 mm的几何形状。

为达到较为理想的表面粗糙度，对精磨磨具电镀金刚砂的粒度具有严格要求，粒度太大，精磨出来的光学元件表面粗糙度太大，难以满足抛光要求；粒度太小，表面粗糙度小，但磨削力低，甚至难以达到对零件进行有效磨削，因此对于本研究，经过反复工艺试制可知，采用粒度为1500#较为理想。其余参数控制方面：工件轴转速一般为80～100 r/min，转速过低或过高，对光纤倒像器圆弧角R位置的表面粗糙度都具有非常明显的影响。单件加工时间为10～15 s。时间控制也很关键，若加工时间不够，光纤倒像器圆弧角R不能满足要求，时间超了会出现光纤倒像器圆弧角R超差情况，当然，对于二者的控制还应视具体加工情况而论，不是一成不变的，因为精磨磨具加工零件数量多了，磨具电镀层本身也存在一定的磨损消耗情况，模具消耗的多了，磨削力下降，加工时间就需要延长，因此应根据实际操作情况而定。

精磨光纤倒像器圆弧角R过程中除了转速和时间需要控制外，对于精磨以后的零件，应采用干净的毛刷或擦布对零件圆弧角R位置、圆柱面、平面等位置进行擦拭，清除干净零件表面上残留的电镀磨具脱落的金刚砂，避免在下一步的抛光过程中划伤零件表面，因此应确保零件精磨完成后表面无残留物。

2.2 光纤倒像器圆弧角R抛光工艺

抛光是一个复杂的过程，由于学者研究角度不同，目前对抛光本质还未形成一个统一的认识，综合起来，抛光机理存在物理、化学相结合的多种理论。

对于光学元件的抛光，通常有两个目的：一是将精磨加工后留在光学元件表面的破坏层全部去除，变成洁白无瑕的表面；二是光学元件加工成图样所要求的面型精度，也就是达到图样规定的光圈。对于本研究而言，光纤倒像器圆弧角R0.5位置在图样中并没有光圈指标要求，而是对圆弧角的光洁度及圆弧角公差提出要求。

从光纤倒像器光学元件图样(见图2)中可以看出，对该光学元件圆弧角R0.5的抛光，按常规光学元件抛光工艺，制作带有内圆弧角R0.5这么微小的抛光模显然行不通，因为目前最薄的抛光辅料都具有0.5 mm的厚度，就算在抛光磨具上贴一层抛光辅料并加工出R0.5的圆弧角，如此微小的角度，稍有磨损，抛光磨具的半径R0.5即可发生变化，半径一旦变大，抛光模具就会损伤甚至破坏平面的光洁度及面型精度(平面有面型精度要求)。

为解决该光纤倒像器圆弧角R抛光方面存在的难题，专门设计并制作出专用环形抛光磨具(见图6)。

a) 基体图

b) 贴上毛毡后图6 环形抛光模具

抛光加工原理：将定心磨边设备工件轴偏转45°角，使光纤倒像器圆弧角R位置接触磨轮轴上的环形抛光模具毛毡面，并适量压在环形抛光模具圆柱面(毛毡面)上(压力可根据操作者经验调整)。开启设备，磨轮轴旋转，工件轴旋转的同时做来回伸缩式进给运动，运动过程中手工对毛毡面添加抛光液，依靠毛毡固有的弹力对光纤倒像器圆弧角R位置进行抛光(见图7)。通过大量的加工实践，采用此法加工工艺稳定可控，单件加工时间为3～5 min；对于毛毡的更换，通常情况下，采用厚度为3 mm的毛毡，加工150～200件零件更换一次；采用厚度5 mm的毛毡，加工200～300件零件更换一次。

图7 加工实拍图片

采用磨边设备加工光纤倒像器圆弧角，除了采用上述专门设计的抛光磨具外，还需要满足另外一个条件：对磨边设备进行一定的改造，应在设备上安装变速调制器装置，使设备做到磨轮轴(主轴)转速可调可控。通常磨边磨轮轴转速为1 500～2 000 r/min，而且设备转速是固定的，如此高的转速对抛光加工而言显然不可行，首先是抛光模具上的毛毡易脱落，其次是抛光液添加上去很快就被甩落，因此只有安装调速器后将主轴转速调整至150～200 r/min，才能进行有效抛光工作。

2.3 加工工艺技术的创新点

该加工工艺技术创新点如下：1)采用定心磨边设备作为精磨、抛光设备，并对设备进行一定的改造(安装变速调制装置)；2)采用带有圆弧角R的电镀磨轮作为精磨磨具；3)采用环形磨具的圆柱面作为抛光磨具工作面；4)加工方式独特，在目前国内所有加工方法中，具有一定的创新性。

3 光纤倒像器圆弧角R检测

按照光学元件图样要求，对完工后的光纤倒像器圆弧角R检测包括如下：圆弧角R(0.5±0.1) mm，采用角规进行检测；表面粗糙度Ra0.012 μm及光洁度B：4×0.025，采用5倍放大镜检测，具体按照光学元件表面质量检验标准进行判定。

4 结语

本文介绍一种对光纤倒像器圆弧角R的加工技术，该技术为一种新型环形加工技术。通过大量加工实践证明，采用该技术加工出来的光纤倒像器圆弧角满足图样设计要求，批量加工时光学元件一致性很好，证明该技术能有效满足对光学元件圆弧角的加工，具有加工周期短、效率高、工艺稳定可控等优点，在精磨、抛光加工中的各项工艺技术方面提供了技术支撑，同样也为先进光学领域中高精度零件的研制和生产创造了有利的技术条件。