中小口径非球面元件加工技术的探讨

　　1　引　言

　　口径在φ200 mm以下的非球面元件的制作工艺技术是中小非球面元件低成本大批量生产的关键技术,是影响非球面广泛应用的主要技术瓶颈。国际上像美国的Rochester大学和德国LOH公司等,都利用计算机自动控制技术,已经能够实现非球面元件的快速精密铣磨成型,并使其面形精度优于±1μm(PV)。但如何对多样化的非球面元件进行快速的抛光和质量评价,是国内外学者面临的巨大难题。

　　近几年来,由计算机控制小磨头方法、MRF和ELID抛光技术等,在实现非球面的抛光技术方面都取得了重大突破,并努力使其走向商用化。长春光机所在大口径非球面和离轴非球面的数控加工技术方面积累了许多经验,目前正着力于中小口径非球面元件的生产工艺的研究,并把精密铣磨成型、轮廓检验和快速抛光工艺系统结合起来,探讨利于中小非球面元件低耗快速的生产工艺技术,推动非球面的广泛应用。

　　2　工艺理论分析

　　中小口径的非球面的生产工艺,主要可分为三个大的阶段:精密铣磨成型、精密抛光和中间过程的定量数据检测。完成上述功用,可有多种设备选择和由多种工艺方法及生产流程来实现产品的加工。但如何利用简易的工艺路线,并与之配套的加工检测设备,满足中小口径非球面元件的低耗高效快速的生产过程,这是本文探讨的主要内容。

　　2·1　非球面检测方法分析

　　由于非球面元件的曲率半径随着空间坐标的变化而各不相同,因而不能采用传统的球面或平面元件的检验和加工方法,加之非球面应用的多样性,给元件的质量评价造成许多困难,增加了产品的生产成本。

　　非球面的面形比较实用的检验方法一般有:一是基于干涉计量的零位补偿检验和非零位直接检验。设备基础为数字波面干涉仪、标准具或补偿器,并且检具与被检元件是一一对应的,成本高。此方法实用于较大批量元件和特殊元件(大口径非球面)制造过程的检验。二是直接测量、轮廓测量和斜率测量以及其它检验方法等。无论那一种方法都必需具备专用的设备,并受到设备自身测量范围的约束。

　　2·2　加工方法分析

　　提高中小口径非球面的生产进程,降低成本,必须具备确定性的工艺技术,即确定性的铣磨成型,定量的数据检测和确定性的精密抛光。工作过程由计算机控制的机构自动完成。下面是几种成熟加工方法的分析。

　　2·2·1　小工具数控抛光

　　它是根据定量的面形检测数据,加工过程中在控制模型的基础上,用计算机控制一个小磨头在元件表面的驻留时间及在一定的压力下磨头与工件间的相对速度来控制材料的去除量,实现对光学表面进行研磨和抛光。此方法适用于中大口径非球面的加工。对于φ200 mm以下的非球面来说,随着元件的口径的变小,工具与元件口径比例关系失调,将无法得到稳定的工作速度、加工力和吻合性,不再有好的加工能力。