高陡度光学非球面高效制造的探讨

　　引言

　　目前非球面的加工方法有以下基本类型: 一是变形加工法, 二是去除加工法, 三是附加加工法。对于不同的材料, 即使是相同的非球面形状, 加工方法上也存在很大的区别。常用的非球面光学零件的材料有塑料、光学玻璃、晶体、金属及金属化合物等, 它们可以分为两大基本类型: 塑性材料和脆性材料。对于有色金属类光学零件常采用单点金刚石切削技术, 在高精度的金刚石机床上直接切出非球面零件,面形精度可以达到 0.3~0.5μmP- V, 表面粗糙度可达Ra6~10nm。对于塑料类材料通常使用模压成型的方法。对于光学玻璃类脆性材料一般采用粗磨、精磨、抛光的工艺路线进行去除加工。

　　高陡度非球面是指与最接近球面相比偏离量较大(一般在毫米级或毫米级以上)的非球面。对于光学玻璃类脆性材料用去除法加工时, 高陡度非球面光学零件的加工难点在于其去除量大, 由最接近球面修磨成非球面时不容易快速去除满足抛光工序的余量,造成制造周期长。为此, 急需找到可行的工艺方法, 代替传统的手工研磨, 提高高陡度非球面的加工效率。

　　1 非球面制造的几项先进技术

　　1.1 计算机控制光学表面成形法[1],[2]

　　计算机控制光学表面成形法(CCOS) 的理论基础是建立在普林斯顿方程基础上的。通过普林斯顿假设和线性理论推导, 可以建立如下一个关于材料去除量的数学模型:

　　式中, K———比例常数, 与加工过程参数有关( 加工温度、磨头材料、工件材料等);

　　P———磨头与工件间的相对压力;

　　V———磨头与工件间的相对运动速度;

　　h———工件去除量。

　　由此公式可知, 一旦知道了抛光模运动的特征去除函数和驻留时间函数, 就可以通过卷积的方法计算在驻留区域内的材料去除量。在实际抛光过程中, 选择恰当的去除函数, 通过控制驻留时间来取得所要求的材料去除量。

　　CCOS 技术实现的关键在于采用高精度的加工设备以及先进的精密控制系统。CCOS 的抛光机床采用计算机数控系统, 控制小工具按照所编制的加工程序自动在工件表面上进行抛光。材料去除函数是一个旋转对称的连续光滑函数。平转动和行星转动方式可以取得具备以上特点的去除 函数。机床的机械系统为抛光模提供需要的运动。CCOS 法可以加工各种类型的非球面, 尤其对于口径较大、相对口径也比较大的离轴非球面工件来说, 采用三轴联动的数控系统, 抛光模可以精确地到达非球面上的任意一点, 按照要求去除加工余量。