轨迹成形法加工非球面光学零件新技术的研究——轨迹成形法加工新原理提出的依据

　　当前非球面光学零件的加工方法很多,从专利和论文等资料中可查到的加工方法有近五十种,但在加工精度、加工效率、加工成本和通用性上,均使人满 意的方法一种也没有。因此,非球面光学零件加工是国内外公认的难题。但并不是所有非球面光学零件的加工都很难,在光学系统中采用的非球面光学零件的种类很 多,有些非球面光学零件,例如圆柱面镜、圆锥面镜等非球面的加工并不难。所以一般非球面光学零件加工难是指轴对称二次和高次非球面或离轴二次和高次非球面 而言。

　　1　光学非球面零件加工难的原因

　　光学系统的成像质量是由光学零件的材质、整体面形和局部面形误差、中心和厚度偏差、表面粗糙度和表面疵病等多项指标的严格控制来保证。其中整体 面形误差要求是微米级,局部面形误差要求是亚微米级,而表面粗糙度要求是纳米级。这些加工指标比高精度的机械零件的质量要求要高出一个数量级以上。所以光 学零件的加工比机械零件的加工难得多。

　　当前一般光学零件的加工都要经过粗磨、精磨和抛光三道基本工序,其中精磨和抛光是保证加工质量的重要工序,而抛光后所有技术指标均须达到质量要 求。目前的光学加工技术,一般单一要求达到高的表面质量或高精度面形并不难,可是对一些面形复杂的光学零件,要求同时达到很高的表面质量和很高的面形精度 则是一项很难的技术。

　　就光学球面的加工而言,决不像加工高精度光学圆柱面或圆锥面镜那样容易保证面形精度。因为圆柱或圆锥面是一维直线的旋转体,其面形精度可用高精 度的机床的直线导轨的轨迹精度来保证,而球面是二维圆曲线的旋转体,而圆旋转体的球面面形,不是依据高精度的轨迹来保证的,而是靠工件和工具对研的压力去 除原理的精磨和抛光方法得到。这种对研加工方法的优点是能用低精度的机床加工出高精度的零件,但加工效率较低。其原因首先是磨具或模具上的准确面形不易得 到,其次,由于对研原理所致,在加工过程中影响面形误差的因素较多,如磨具或模具的材质和结构、工件与工具的相对压力和转速、工具的摆角、冷却液与抛光液 和环境温度等因素均对面形误差和表面质量产生影响。所以精磨和抛光加工主要依靠操作者的经验和技巧,不断检测、不断调整多种加工参数,才能达到所要求的面 形精度和表面质量。因此,精磨和抛光时间比机械加工时间长、加工效率低。

　　圆是二次曲线中最简单的一种,其半径是一个常数,有无数个对称轴线,所以能够采用对研的精磨和抛光加工方法。可是其他二次曲线和高次曲线成形的 非球面光学零件,由于其子午截面曲线为椭圆、抛物线、双曲线或高次曲线,其曲率半径是变化的,而且只有一条对称轴线,所以无法采用在加工球面零件时所采用 的磨轮包络线的范成法粗磨,也不能采用对研的精磨和抛光方法。这是加工二次曲线和高次曲线的非球面光学零件比加工球面光学零件难的原因所在。