文章编号:1001-2265(2007)05-0001-05
收稿日期:2006-10-10；修回日期:2007-03-01
作者简介：张坤领(1968—)，男，河南长葛市人，许昌技术经济学校讲师，天津大学机械制造及其自动化专业在读硕士，主要从事数控磨削加工研 究等,(E -m ail )lao9lao9@163 。
张坤领
1,2
，林彬1，王晓峰
1,3
(1.天津大学机械学院，天津 300072;2.河南省许昌技术经济学校，河南许昌 461500;3.郑州职业
技术学院，郑州 450121)
摘要：文章阐述了非球面光学零件相对于球面零件的诸多优点及其在军事领域和一般工业领域的广泛运用，继而介绍了非球面光学零件加工的各种技术、方法以及其所适用的材料类型，例如单点金刚石车削技术、光学塑料成型技术、光学玻璃模压技术、ELI D 磨削技术等，并对国内外非球面光学零件的生产现状和相关设备做以概述，展望了非球面加工的研究方向和生产趋势。关键词：非球面；光学零件；单点金刚石车削;ELI D 磨削中图分类号:T G 659 文献标识码:A The St atus and D evelopi n g Tendency of t he A spher ic O ptic PartM achini n g
Z HANG Kun -ling 1,2
,LI N B i n 1
五方通话系统
,WANG Xiao -feng
1,3
(1.School ofM echanica l Engineering ,Tian jin University ,Tian jin 300072,China ;2.Xuchang Techno l o gy E -cono m ics Schoo l ,Xuchang H enan 461500,China )Abst ract :
’’
-K ey w ords :-
0 引言
近年来，随着光电子学的发展，非球面光学零件在军用和民用产品上的应用也越来越普及，如在电视摄像管、卫星红外望远镜、录像机镜头、激光视盘装置、光纤通信的接头、医疗仪器等中都有广泛的应用[1]
液氨化工厂制备。非球面加工已经发展成为一个研究热点，我们有必要对非球面的特点及其加工技术等相关现状做以了解。
(1)非球面与球面的区别
所谓球面和非球面，主要是针对各种光学仪器的镜头或者眼镜的镜片几何形状而言，即球面镜片与非球面镜片。球面是一种旋转曲面，球面上每一点的曲率半径是相同的，球面镜片，其镜片呈球面的弧度，其横切面亦呈弧状。当不同波长的光线，以平行于光轴
的方向入射到镜片上不同的位置时，通过球面镜片的折射作用，在菲林平面(与镜片中心和镜片焦点联机相垂直的、通过焦点的平面)上不能聚焦成一点，而形成像差的问题，影响影像的质素，例如出现清晰度下降和变形等现象
[3]
。一般普通镜头基本上都是采用球面镜
片组成的。而非球面可以说就是没有一定曲率半径的曲面，非球面镜片，其镜片并非呈球面的弧度，而是镜片边缘部份被“削去”少许，其横切面呈平面状。当光线入射到非球面镜面时，光线能够聚焦于一点，亦即菲林平面上，以消除各种像差。例如耀光现象，在球面镜作用下，使用大光圈会比细光圈下拍摄来得严重，但若然加入非球面镜便可将耀光情况大大降低；又例如影像呈现变形(枕状或桶状)，是因为镜头内的光线没有
1
适当折射而产生，以变焦镜为例，短焦距时通常是桶状变形，而变焦至长焦距时则为枕状变形，若采用非球面镜，则可以改善这方面的像差[3]。
图1 球面与非球面的区别
(2)非球面的种类
非球面主要应用于光学零件，非球面光学曲面包括有回转轴的回转非球面，如抛物面、椭球面、渐开
面、双曲面[8]等二次曲面以及高次曲面，和没有任何对称轴的非回转非球面，如离轴非球面[8]以及自由光学曲面。
(3)非球面的优点
非球面技术应用于光学零件，相对于球面而言，具有许多优点，它可以消除球面镜片在光传递过程中产生的球差、彗差、像散、场曲及畸变等诸多不利因素[3]，减少光能损失，从而获得高质量的图象效果和高品质的光学特征。一般来说，在光学仪器上，一块非球面透镜的作用相当于三块球面镜，因此，光学仪器设备采用非球面镜片具有重量轻、透光性能好、成本低、且使光学系统设计更具灵活性的优点[8]。
1 非球面的应用领域
非球面曲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，可广泛应用于各种现代光电子产品，几乎在所有的工程应用领域中，无论是现代国防科技技术领域，还是普通的工业领域都有着广泛的应用前景[1]。军用方面，西方国家在70年代以后研制和生产的军用光电系统，如军用激光装置、热成像装置、微光夜视头盔、红外扫描装置、导弹引导头和各种变焦镜头，均已在不同程度上采用了非球面光学零件。在一般民用光电系统方面，自由非球面零件可以大量地应用到各种光电成像系统中，如飞机中提供飞行信息的显示系统；摄像机的取景器、变焦镜头；红外广角地平仪中的锗
透镜；录像、录音用显微物镜读出头；医疗诊断用的间接眼底镜，内窥镜，渐进镜片等[15]，以及数码相机、VCD、DVD、电脑、CCD摄像镜头，大屏幕投影电视机等图像处理产品。
如今，非球面光学零件在机载设备卫星惯性制导及惯性导航系统激光制导系统红外探测系统等国防科技工业领域以及民用光电产品方面都有着越来越广泛越来越重要的应用。
2 非球面光学零件加工方法及材料种类目前，用于非球面光学零件的主要材料有光学塑料、玻璃、石英、红外锗材料以及铜铝等软金属材料，国外从上世纪60年代就开始了对非球面加工技术的研究,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，它们主要是：计算机数控单点金刚石车削技术(SPDT)、计算机数控超精密磨削及抛光技术以及光学塑料成型技术等。这些加工方法基本解决了各类非球面零件的加工问题，加工零件精度和效率高，适于批量生产非球面曲面加工。
根据工件材料形状精度和口径等因素的不同，加工非球面零件采用的加工方法也不同。对于铜、铝等软质材料可采用单点金刚石切削(SPDT)进行超精密加工，对于玻璃陶瓷等硬脆材料则主要是通过超精密磨削、研磨和抛光进行加工[1]，也可以采用玻璃模压成型法，而对于光学树脂材料则采用光学塑料成型技术，如注射成型技术等。
下面简单介绍一下目前非球面加工的各项主要技术:
(1)计算机数控单点金刚石技术(SPDT)[14]
青果素计算机数控单点金刚石技术(SPDT)是美国国防科研机构于20世纪60年代率先开发、80年代得以推广应用的一项非球面光学零件加工技术，它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条件下，直接利用天然金刚石刀具单点车削加工出符合光学质量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、加工硬度较低、重复性好、适合批量生产、加工成本比传统的加工技术明显降低。采用该项金刚石车削技术加工出来的直径120mm以下的光学零件，面形精度达1/2～11，表面粗糙度值为0.02～0.06mm.目前采用单点金刚石技术可以加工的材料有：有金属、锗、塑料、红外光学晶体、无电镍等。上述材料均可直接达到光学表面质量要求。此技术还可用来加工玻璃、钛、钨等
2
材料，但是目前还不能直接达到光学表面质量要求，还要进一步研磨抛光。该技术与粒子束抛光技术相结合，可以加工高精度非球面光学零件；与镀硬钛膜工艺和环氧树脂技术相结合，可以生产高精度非球面光学零件，且价格相对低廉。
单点金刚石车削光学零件技术经济效果非常明显，例如加工一个直径100mm的90°离轴抛物面镜，若用传统的研磨研磨抛光工艺方法加工，面形精度最高达到3mm，加工时间需要12个月，加工成本为5万美元，而采用金刚石单点车削技术,3个星期即可完成，成本仅0.4美元，面形精度高达0.5μm。
(2)超精密磨削技术
对于玻璃、陶瓷等硬材料来说，若采用车削方式加工非球面光学零件，其面形精度及表面粗糙度很难达到光学零件的要求，必须通过磨削或抛光进一步提高其表面精度。在磨削加工中，为了使加工表面不产生脆性断裂现象，使材料以“塑性”流动方式去除，必须保证未变形切削厚度小于脆性———塑性(或称延性)转换临界值。该临界值因材料而异，大约为0.1μm。能满足这种磨削条件的方式称为延性磨削方式[2]。
电子眼镜延性磨削方式要求超精密磨床具有优于0.1μm 的运动精度和足够的动刚度[10]，要求微细磨粒砂轮能在磨削过程中保持足够锋利。
1987年日本理化学研究所的大森整教授提出的在线电解砂轮修整(e l e ctroly tic in pr ocess dressi n g,ELI D)方法，可以用于超精密延性磨削。ELI D方法采用具有良好导电性和电解性的金属结合剂制成超微细粒度超硬磨料砂轮。砂轮在工作中接正电极，安装在机床上的修整电极为负电极，通过砂轮与电机之间浇注的电解液进行电化学作用，在线修整砂轮，使砂轮保持锋利[2]。日本理化学研究所将ELI D磨削技术应用于ASG—2500超精密数控车床，成功地加工出了光学玻璃和碳化硅陶瓷等材料的高精度非球曲面，大森整使用ELI D方法加工光学玻璃非球面透镜，面形精度达到0.2μm，表面粗糙度Rα达20nm[12]。
ELI D精密磨削技术的先进性和特点：在线电解修整ELI D(E lectro l y tic I n-process D r essing)金属基超硬磨料超微细粒度砂轮的超精密镜面磨削技术，利用在线电解的微量修整作用，使得微米级、亚微米级甚至纳米级超微细粒度砂轮在磨削过程中始终保持良好的切削性，充分发挥了超微粒度砂轮稳定的微量切削作用，实现了工程陶瓷、光学玻璃、硬质合金、单晶硅、铁氧体、模具钢等诸多难加工材料的高效超精密镜面磨削[16-18]，表面粗糙度可达Ra1～5纳米。该技术具有效率高、精度高、表面质量好、加工装置简单及加工材料适应性广等特点，实现了以磨代研、代抛的工艺革命，被国际上最权威的制造技术组织———C I RP评价为“21世纪的超精密加工技术”[2]
。
图2 EL I D磨削原理示意图
(3)计算机控制光学表面成形(CCOS)技术
美国Itek公司的W.J.Rupp于2O世纪7O年代初首次提出计算机控制非球面加工技术———计算机控制光学表面成形技术(CCOS)思想，从而开创了非球面元件的数控制造的新纪元[11,7]。
计算机控制光学表面成形(co m pu t e r optical surfa-cing,CCOS)技术即用计算机控制的方法，使得在单位时间内，加工面上某一点的材料去除量正比于磨盘压强及磨盘与加工点之间的相对速度。这种加工方法的实现难度很大[7]。
(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元件加工技术，它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[4]。这项技术自20世纪80年代中期开发至今已经有20余年的历史了，现在已成为国际上最先进的光学零件制造技术方法之一,
该项技术在许多国家已经进入生产实用阶段。这项技术的普及推广应用是光学行业在光学玻璃加工方
面的重大革命。由于此项技术可以直接压制成精密的非球面光学零件，从此便开创了光学仪器广泛采用非球面玻璃光学零件的时代。
光学玻璃模压成型法具有如下特点：工序简单集中，节省场地、经济且可以批量生产；但是模具精度要求极高，加工成本很高。
(5)光学塑料成型技术
3
光学塑料成型技术是当前制造塑料非球面光学零件的先进技术，包括注射成型、铸造成性和压制成型等技术。光学塑料注射成型技术主要用来大量生产直径100mm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100mm以上的非球面光学零件。其中注射成型法具有重量轻、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[5]。
注射成型法是将加热成流体的定量的光学塑料注入到不锈钢模具中，在加热加压条件下成型，冷却固化后打开模具取出，即可获得所需光学零件。目前比较成熟的方法是日本人发明的高精度光学塑料注射成型法———浇口密封成型法[3]。
(6)其他非球面加工技术
非球面的加工方法较多，但根据形成方法，非球面零件的加工可归纳为4类：复制成型法、附加成型法、去除成型法和特种加工法。
前面介绍的计算机数控单点金刚石技术(SPDT)、超精密磨削技术以及传统的手工研抛技术属于去除成型法。而光学玻璃模压成型技术、光学塑料成型技术则属于复制成型法。
附加成型方法是将光学涂层按照一定的厚度要求附加在已经加工好的球面或平面上形成非球面的一类加工方法，按照不同的工艺过程，附加成形方法可以分为蒸镀法和电镀法，电镀法通常用于加工反射面，要求光学零件导电。采用蒸镀法不仅具有较高的重复精度，而且可以加工非回转对称型的非球面，但是由于需使用真空设备，所以加工成本比较高。由于镀层厚度受到限制，所以附加成形方法只能加工小非球面度的光学零件[8]。
光学非球面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[8,19]。
此外，还有应力抛光技术、M RF技术等等；应力抛光技术(Stress Lap Po lish i n g)[11,19]：该项技术出现于20世纪80年代，它利用主动变形技术，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。
M RF(M agneto r heo l o gical Finishing)技术[11]:
磁流变抛光是利用磁流变抛光液在磁场中的流变性进行抛光，该项技术出现于20世纪90年代初期由I.K or donski,.V.Pr okho r ov及其合作者将电磁学与流体动力学理论相结合并应用于光学加工中。1995年美国Rocheste r大学的光学加工中心(COM)利用MRF技术开始研制具有实用性、商业型的MRF光学加工设备。
3 非球面光学零件加工设备及生产现状
(1)国外非球面光学零件加工设备及生产现状
目前在超精密加工机床制造方面比较发达的国家有美国、德国、英国和日本[9]。
1)非球面车削技术及设备状况
数控单点金刚石车削加工非球面光学元件所用的设备是金刚石车削机床。目前，生产金刚石车削机床的主要厂家有美国的摩尔精密机床公司和普奈莫精密公司，还有日本的东芝机械公司以及英国、荷兰的某些科研机构。
摩尔精密机床公司生产销售的主要产品是M oo r e M-18、-40型非球面加工机,M oore M-18油淋非球面加工机以及M oo r e T型窗身机床等；普奈莫精密公司生产销售的产品主要有MSG-325型、ASG-2500型、Nan for m 600型、U ltra-2000型。
代表当今世界最高水平的超精密金刚石车床是美国劳伦斯利佛摩尔(LL NL)实验室研制的，从1960年代开始，该实验室先后开发出了DT M—1、DT M—2型超精密机床，在1984年9月，该实验室与美国空军RI G H T航空研究所等单位台作，研制成功了ODT M型大型立式超精密车床[9]。
日本东京机械公司生产的是ULG系列精密非球面加工机及GM P系列非球面镜片模压成型机。
对于英国的超精密加工来说，其C ranfie l d大学的CUPE精密加工研究所是当今世界上最著名的精密工程研究所之一。该所研制的OAGM一2500大型超精密机床，用于精密磨削和坐标测量X射线天体望远镜的大型曲面反射镜[9]。
2)非球面光学零件玻璃光学模压成型技术生产及其设备状况
玻璃光学模压成型技术是一项综合技术，需要设计专用的机床。目前，掌握这一技术的主要由美国的柯达、康宁公司，日本的大原、保谷、欧林巴斯、松下公司，德国的蔡司公司和荷兰的飞利浦公司等。
3)非球面光学零件超精密磨削及抛光生产及其设
4
备现状节能煤气灶
在高精密磨削及抛光技术方面,20世纪80年代末，日本研制出了超精密数控范成法研磨机，使用该研磨机加工出的光学零件，面形精度可达0.08μm。表面粗糙度可达0.2nm.德国施耐得光学机械公司90年代末制造的AL G-100型计算机数控非球面磨床和ALP-100型数控非球面抛光及，可以高效率的进行非球面光学零件加工。现在，美国Pr ecitechnic.公司生产的超精密多轴自由曲面加工机床不需抛光就可以使光学非轴对称非球面零件的加工精度达到亚微米级乃至纳米级的范围[14]。
目前，美国的亚里桑那大学的光学中心，已基本上用计算机数控研磨抛光技术取代传统的手工抛光用来生产非球面光学零件。另外，美国罗彻斯特大学已实现了非球面透镜的生产自动化。90年代美国空军成立光学制造中心，并开发出了光学自动化和管理技术(op tica m)，继而研制出了optica m SM加工系统，实现了光学零件的柔性自动化生产[14]。
(2)我国非球面光学零件加工设备及生产现状
我国现在已经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，其中哈尔滨工业
大学、国防科技大学、航空部303所、航天部230厂、北京机床研究所、上海机床厂及长春光机精密研究所等单位都在从事超精密机床的研制，并都取得了阶段性的成果[9]。
在非球面生产设备方面:
北京高华精密机械有限公司生产的DHM-500U全液体静压超精密数控非球面磨床，通过X-Z-B三轴联动，实现对非球面透镜的高效率、高精度磨削；上海第三机床厂生产的MK-9025型数控曲线磨床，采用西班牙FAGOR公司的CNC四轴控制系统，其中二轴为插补控制轴，分别控制机床工作台的纵、横向进给，另二轴控制磨头滑座的纵、横向进给，可以加工任意曲面；我国九五期间超精密加工国防科技重点实验室成功地研制出了N anosy s-300非球面曲面超精密复合加工系统[1,9]。长春光机所于1992年成功地研制出国内首台实用型非球面数控光学加工中心FSG J-I[7]。2002年，国防科技大学研制了一台集铣磨成形、研磨、抛光于一体的光学非球面复合加工机床。
在非球面光学零件的生产现状方面:
由我国数控光学非球面加工第一人———苏州大学研究员余景池参与创办的苏州大学明世光学有限公司，生产国际一流水平的非球面眼镜模具，并广泛用于数码相机、可视电话、计算机光驱、非球面透镜、夜视仪等领域。它是国内第一家生产非球面模具加工、检测设备的公司，从产品的设计、加工到生产都由自己完成，用完全自主知识产权的产品替代了国外产品，填补了国内空白，带动行业产值将
达到几十个亿。目前，他们正在开发渐进多焦点镜片，它所带来的行业产值也将是巨大的[5]。
最近，中国科学院南京天文光学技术研究所率先研制成功口径520毫米国产碳化硅非球面镜光学系统，并通过专家组的验收，这标志着我国高精度大口径碳化硅镜面的研制技术迈上新台阶。
目前，我国第一座非球面光学元件产业化基地日前正式宣告在昆明建成，并已进入产业化生产，填补了我国非球面镜片产业化生产技术的空白[6]。
4 非球面加工研究方向及发展趋势
由于非球面光学零件的诸多优点，从事非球面加工方法研究的国家也越来越多。到目前为止，对非球面加工的相关研究主要着重于以下方面:
(1)非球面加工材料的开发以及非球面加工模具材料的研究
(2)高精密非球面加工方法技术、加工机理的研究
(3)非球面加工机械设备的研制开发
(4)计算机数控加工非球面相关软件的开发
(5)非球面加工检测技术以及设备的研究[11]。
而非球面光学零件的生产也正朝着以下方向发展:
(1)向高精度[11]、低表面粗糙度方向发展
(2)向大批量[10]、高效率方向发展
(3)由简单的轴对称旋转二次非球面，向离轴非球面以及高次自由光学曲面发展
(4)向大型化[10]、巨型化光学零件方向发展
(5)向小型化[10]、微型化光学零件方向发展
(6)向自动化柔性生产技术发展
液压卸车翻板[参考文献]
[1]罗松保，张建明.非球面曲面的超精密加工与测量技术的
研究[J].制造技术与机床,2003,9:58-62.
[2]杨福兴.非球面光学零件的超精密磨削技术[J].机械工
艺师,1998,6:13-14.
[3]张成.球面与非球面的区别.中华机械网.htt p://baike.
m ach i ne365/a rts/060411/22/105751.ht m.l2006年4月11日.(下转第10页)
5
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议