非球曲面光學(xué)元件的超精密加工與檢測(cè)技術(shù)的探討

(四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 四川 成都 610065)

21世紀(jì)以來，工業(yè)的快速發(fā)展對(duì)零件的精度提出了更高的要求。而非球曲面光學(xué)零件因其具有更多的光學(xué)設(shè)計(jì)自由度，快速消除光學(xué)系統(tǒng)中多種像差等優(yōu)良性能，在國防、民用等領(lǐng)域有著廣泛的運(yùn)用并發(fā)揮著重要的作用。因此解決非球曲面元器件的加工問題是超精密加工技術(shù)研究的一個(gè)重要方面，本篇論文將針對(duì)此問題展開研究，并提出一些個(gè)人的見解。

我國由于工業(yè)起步時(shí)間晚，發(fā)展緩慢的原因，在超精密加工技術(shù)上與國外有一定差距。近年來，我國加快了超精密加工技術(shù)的研究步伐,研制出了多種超精密加工機(jī)床,如NAM-800型納米數(shù)控車床，JCS—035超精密車床和復(fù)印機(jī)感光鼓加工機(jī)床等[1]。但是在非球曲面超精密加工機(jī)床的研究制造上，非球曲面超精密加工工藝等研究方面,我們?nèi)匀挥泻艽蟮倪M(jìn)步空間。因此本文主要探討了光學(xué)非球曲面的超精密加工機(jī)理、方法、設(shè)備及測(cè)試技術(shù)，期望為解決非球曲面元器件的超精細(xì)加工問題提出個(gè)人參考意見。

一、非球曲面光學(xué)元件加工的技術(shù)框架

傳統(tǒng)光學(xué)非球曲面的成型加工大體分為模具成形和切除加工兩種，切除加工是利用切削、磨削等制造工藝將工件切除成非球面，再根據(jù)精度的要求對(duì)零件進(jìn)行磨削和剖光。這種方法可以達(dá)到零件的高精度要求，但是難以應(yīng)對(duì)工業(yè)上的大規(guī)模生產(chǎn)。另一種模具成型的加工方法是利用已經(jīng)做好的模具，用相應(yīng)的塑性材料進(jìn)行加工，再通過一系列的加工流程形成非球曲面部件，這種方法適應(yīng)于大批量生產(chǎn)，但高的精度難以把控。兩種方法都有其不足的一面，而且這些傳統(tǒng)的加工方法對(duì)于新型的光學(xué)零件往往很難滿足高精度的加工要求[2]。所以對(duì)于非球曲面超精密加工技術(shù)的進(jìn)一步研究是必不可少的。

二、超精密加工系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

(一)加工工藝研究

非球曲面光學(xué)元件加工工藝主要有兩種，一是超精密車削方面的單點(diǎn)金剛石切削(SPDT)工藝，對(duì)于這種工藝要重點(diǎn)研究刀具材料對(duì)不同典型曲面切削的影響，不同刀具的幾何參數(shù)，精度，切削用量(切削速度v，進(jìn)給量f，切削深度ap)對(duì)工件的加工質(zhì)量(形面精度與表面粗糙度)的影響，以及切削熱、切削溫度、切削對(duì)加工質(zhì)量的影響。二是超精密磨削工藝[3]，要重點(diǎn)關(guān)注典型硬脆非金屬材料對(duì)曲面切削的磨削影響，不同磨削控制參數(shù)對(duì)工件加工質(zhì)量的影響。

(二)加工技術(shù)研究

由于非球曲面形狀復(fù)雜，加工困難，對(duì)其進(jìn)行加工，首先要建立起超精密加工的三維仿真模型，然后進(jìn)行工藝流程仿真和優(yōu)化，最后再進(jìn)行生產(chǎn)加工制造。

此外關(guān)于非球自由曲面超精密加工，刀具軌跡的生成是加工過程中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，因?yàn)榭梢酝ㄟ^提高刀具軌跡的均一性和減少計(jì)算的復(fù)雜性，來減少刀具軌跡的干涉從而達(dá)到部件的高精度要求。目前加工自由曲面刀具軌跡生成的主要方法為參數(shù)法[4]、笛卡爾法、表面偏置法、立方逼近法。

其次，我們要明白的一點(diǎn)是往往產(chǎn)品達(dá)不到高精度的要求都是因?yàn)榧庸ば螤畹臏y(cè)試誤差引起的，也就是說沒有高精度的測(cè)試手段就無法加工出高精度的光學(xué)非球曲面器件。所以對(duì)測(cè)試手段的研究要相當(dāng)重視。

三、超精密加工系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

(一)已有的超精密加工系統(tǒng)介紹

關(guān)于超精密加工技術(shù)方面，美，英，德，日本等國家的超精密加工已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)。這些國家已經(jīng)研制出許多先進(jìn)的超精密加工系統(tǒng)，比如英國Cranfield大學(xué)的精密工程研究所(CUPE)研制的Nanocenter600型等超精密復(fù)合加工機(jī)床和Oagm2500六軸CNC超精密磨床；日本理化研究所研制的ASG2500超精密非球曲面磨床，用于非球曲面的超精密加工，加工精度達(dá)到0.1μm。

而中國也在“九五”期間成功地研制出了“Nanosys-300非球面曲面超精密復(fù)合加工系統(tǒng)”。它具有CNC車削、磨削、飛切(銑削)等多種復(fù)合加工功能，可對(duì)球面、非球面和平面等形狀零件進(jìn)行納米級(jí)超精密加工。這種超精密復(fù)合加工系統(tǒng)的加工工件尺寸范圍是Φ300×200mm，測(cè)量、控制系統(tǒng)分辨率：1.25～5nm，非球面加工精度：0.3～0.5μm，表面粗糙度：Ra<0.01μm。

(二)超精密加工系統(tǒng)的構(gòu)造

參考國內(nèi)外多種先進(jìn)的非球曲面的超精密加工系統(tǒng)，可看出一個(gè)成熟的超精密加工系統(tǒng)是集機(jī)械結(jié)構(gòu)、伺服控制裝置和靜壓裝置為一體的。

在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面：(1)對(duì)機(jī)床床身進(jìn)行高剛度、高可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。為提高超精密機(jī)床床身的靜、動(dòng)態(tài)特性，可采用三維建模軟件SolidWorks建立機(jī)床床身模型，應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS Workbench對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)特性分析，通過分析得到最佳方案[5]。(2)在主軸及驅(qū)動(dòng)裝置方面：可以通過撥叉式柔性連接驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)氣浮主軸的高回轉(zhuǎn)精度，來保障超精密加工中加工精度對(duì)于主軸高回轉(zhuǎn)精度的要求。(3)利用刀具軌跡生成器來得到在自由曲面加工的最佳運(yùn)動(dòng)軌跡。

在靜壓裝置方面：有超精密空氣靜壓導(dǎo)軌，直線度可達(dá)0.1到0.2μm/250mm，或者是采用超精密閉式液體靜壓導(dǎo)軌系統(tǒng)來提高系統(tǒng)的剛性和減振效果[6]。

在伺服控制裝置方面：根據(jù)非球曲面超精密加工機(jī)床結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及性能要求，采取工控PC+DSP多軸運(yùn)動(dòng)控制器構(gòu)成的開放式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)集成方式實(shí)現(xiàn)，或者是開發(fā)新型高效的數(shù)控伺服系統(tǒng)來應(yīng)用在非球曲面的超精密加工中。

(三)超精密自由曲面測(cè)量技術(shù)研究

非球曲面光學(xué)零件的面形檢測(cè)是非球曲面超精密加工技術(shù)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。面形測(cè)量分為加工過程中的在位測(cè)量以及加工終了的面形測(cè)量?？紤]到實(shí)際非球面零件的生產(chǎn)需要,為提高非球曲面零件的生產(chǎn)效率和加工精度,解決非球曲面零件在位測(cè)量與在位誤差補(bǔ)償?shù)碾y題,在在位測(cè)量中采用高分辨率的LVDT氣浮測(cè)頭來測(cè)量非球曲面面形。而對(duì)于工件的最終測(cè)量,使用相移式橫向剪切干涉法測(cè)量光學(xué)非球曲面面形的檢測(cè)裝置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)部分非球曲面光學(xué)零件面形的高精度測(cè)量。

四、結(jié)語

非球曲面超精密加工朝著高精度大型化和高精度小型化方向發(fā)展，超精密數(shù)控加工機(jī)床是非球曲面加工精度達(dá)到亞微米級(jí)及亞微米級(jí)以下的技術(shù)保證，文中介紹了非球曲面光學(xué)元件的超精密加工與檢測(cè)技術(shù)，包括非球曲面超精密加工的加工工藝研究，超精密加工系統(tǒng)的開發(fā)以及對(duì)于超精密自由曲面測(cè)量技術(shù)的探討。