非球面曲面光学零件超精密加工装备与技术

　　1　引　言

　　非球面光学零件在国防科技工业领域,以及民用光电产品方面都有着重要而广泛的应用。近年来,我国加快了超精密加工技术的研究步伐,研制出了少量 非球面超精密加工机床,但大多功能单一,一般只有车削功能[1_2]。少量进口的超精密加工机床最多也只有数控车削、磨削功能,再加之非球面超精密磨削工 艺的复杂性,这些进口的机床的磨削功能基本上还未得到实际应用。因此,国内真正意义上的非球面超精密加工技术至今还未开展起来。“九五”期间,中国航空工 业第一集团公司303所第一研究室对“九五”重点预研课题_“非球面曲面的超精密加工与测量技术”进行了系统的科研攻关,成功地研制出了 “Nanosys_300非球面曲面超精密复合加工系统”。它具备超精密复合加工的功能,既能对典型有色金属材料进行单点金刚石超精密切削(SPDT)加 工,又能对典型硬脆非金属材料进行超精密磨削加工。

　　2　非球面曲面光学零件超精密加工机床的研究[3]

　　Nanosys_300机床系统主要由以下部分构成:(1)机械系统,它包括:床身及隔振装置、导轨及驱动装置、主轴及驱动装置、延性方式磨削 装置(砂轮主轴、砂轮电火花修形装置、ELID修锐装置)、机床位置测量装置、刀架及吸屑装置、喷雾冷却装置等;(2)恒温供液系统、供气系统; (3)CNC数控系统。

　　Nanosys_300机床系统采用“T”形结构布局。机床底座采用稳定性好的大块天然大理石,超精密闭式液体静压导轨呈“T”形布局布置在大 理石台面上,分别作为该系统的X、Z轴,它们由交流伺服电机通过CO级精密滚珠丝杠和四自由度精密丝杠溜板耦联机构进行驱动,其中X轴导轨上安装超精密空 气静压主轴,其上的真空吸盘用于吸附加工工件。Z轴导轨上安装微调刀架(机床用于单点金刚石车削(SPDT)功能时),或者作为机床Y轴的高刚性、超精密 空气静压磨头(用于超精密镜面磨削(ELID)功能时)。机床的位置通过安装在X、Z轴上的高分辨率光栅以及其对应的驱动电机进行位置的闭环反馈控制。机 床大理石底座通过具有隔振和自动调平功能的空气弹簧支承在防震地基上。同时,机床还配备了为空气静压主轴和磨头等服务的供气系统以及用于液体静压导轨的恒 温供液系统,车削功能时的吸屑装置、喷雾冷却装置,以及磨削功能时的金刚石圆弧砂轮在线电火花修形、ELID修锐装置和磨头、工件恒温冷却系统。机床的电 控部分采用基于现代控制理论的高性能多轴CNC精密数控与伺服系统。

　　3　非球面曲面光学零件超精密加工工艺的研究

　　3.1　超精密车削工艺研究