光学零件加工技术Word格式.docx
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准确修整面形精度需要操作者的经验和技巧，而且需反复修整。
一、传统研磨与高速研磨特点
1.传统研磨
传统研磨也叫古典研磨，它是一种历史悠久的加工方法
其主要特点是：
（1）采用普通研磨机床或手工操作；
（2）要求人员技术水平较高；
（3）研磨材料多采用散砂（研磨砂）抛光沥青
（4）抛光剂是用氧化铈或氧化铁；
（5）压力用加荷重方法实现虽然这种方法效率低,但加工精度较高所以，目前仍被采用。
2.高速研磨抛光
一般是指准球心法（或称弧线摆动法）。
其主要特点是：
（1）采用高速、高压和更有效的利用抛光模，大大提高了抛光效率
（2）压力头围绕球心做弧线摆动，工作压力始终指向球心，也是靠球模
成型的。
3.范成法
准球心法对机床的精度要求较低,加工方法和传统法相近，易于实现，用的较广；
范成法对机床精度及调整要求较高，目前很少采用。
二、准球心法和传统法较
1.准球心法
抛光模（或镜盘）绕镜盘（或抛光模）的曲率中心作弧线摆动，而压力方向始终对准球心，因此镜盘所承受的是恒压，给均匀抛光创造了条件。
2.传统法
是平面摆动，重压块垂直加压，其压力随摆角而变化，因而容易造成不均匀抛光。
加压采用弹簧或气压方式，力比较恒定.平稳。
而传统研磨抛光法用重压块加压，体积大，振动大。
三、球面研磨对镜盘的考虑
1.镜盘张角不宜过大，以便于光圈稳定，在多行的镜盘中，张角不宜大于140°
；
对于三块镜片一盘，若超过140°
影响也不大。
2.弹性上盘能承受高速研磨中的高速高压，但镜盘必须装得正。
刚性上盘
1.胶球模轴向定位基准要符合，切削、粗磨厚度控制的基准面以及高速研磨中准球心所需要的基准面（假如镜盘装在主轴上）
2.承座（定位孔）轴线与球面法线重合、深度一致；
3.曲率半径与被粘结面曲率半径要合理
4.承座（定位孔）与胶球模轴向基准面间的相对尺寸一致，并有消气孔。
5.粘结胶程度足够；
粘结面积足够；
粘结温度合适。
三、对切削工序的要求
一是切削出的球面面形要规则，曲率半径要达到工艺规定的公差范围；
二是表面粗糙度要符合粗磨的要求；
三是要去除一定的余量，保证将毛坯杂质层去除干净。
如果镜片抛光后合格率降低，检查切削面的面形精度也许会找出问题的症结。
1.切削设备精度
工件轴全跳动：
3um
磨轮轴全跳动：
3um
工件轴母线精度:
1um
工件轴移动精度:
工件、磨轮轴面等轴度：
1um
对球面来讲，既不产生非球面度，同表面又不会产生超菊花纹和过深碎裂层。
四、粗磨工序的要求
获得合理的粗磨表面结构对精磨过是极其重要的,它直接影响着精磨效率及其加工质量。
粗磨表面的性质可由宏观的和微观的表面不规则性来表示。
宏观不规则性是由磨削过程中磨具的偏差引起的,在精磨中通过选择合适的抛光模材料能大大减少这种宏观不规则性。
微观不规则性是由玻璃磨削的本质决定的。
1.表面结构对精磨过程的影响
玻璃磨削后留下凹凸层和裂纹层，抛光工序的效率就取决于这两层的性质。
一般的错误概念是认为抛光时粗磨表面的凹凸层越小越好，这是忽略了粗磨表面的微观结构对抛光过程的作用。
抛光模，特别是热固性塑料模，在抛光过程中易于钝化而失去抛光能力。
而凹凸层有利于减少或消除这种钝化现象。
抛光过程基本上可分成两个阶段，第一阶段去除凹凸层，第二阶段去除裂纹层。
第一阶段开始时，抛光模和玻璃的凹凸层顶峰接触，压强很大，而凹谷为抛光液进入整个表面又提供了良好的条件，因此抛光十分迅速。
随着抛光过程的继续，接触面积增大，压强减小，抛光液的附着能力降低，使抛光过程减慢。
当抛光面达到裂纹层时，玻璃表面同抛光模表面全部接触，抛光过程趋于稳定缓慢，而抛光模开始钝化，抛光继续，钝化加剧，抛光效率进一步下降。
钝化程度随过程的持续时间而定，而持续时间直接决定于裂纹层的深度。
这个凹凸层厚度的最佳值主要由抛光模材料的性质，以及与这个材料配合使用的抛光剂而定，其他因素还有主轴转速、压力和抛光液的进入能力等。
采用不同的粗磨方法，或者在同一方法中随磨具的钝化程度、冷却的润滑状态不同，所得的裂纹层也不同。
实践证明，用钝化了的金刚石磨具加工的工件，虽然凹凸层较小，但裂纹层却很深。
因此，不光要考虑凹凸层对抛光的影响，同时也要把裂纹层的深度作为粗磨工序的重要指标来考虑。
五、如何保持粗磨皿表面曲率半径的精度？
粗磨是用磨皿与镜片面接触的方式进行。
虽然，磨皿表面的曲率半径在开始使用时是修改得很好的，但是随着镜片的磨削，磨皿也在不断磨损，逐渐地就不一定能保证镜片的加工精度。
保持粗磨皿曲率半径不变或少变，就应采取：
1.合理选择工治具
凡是位于上面的治具总要比下面治具的尺寸小，这是因为上面治具要摆动的关系。
假如上面治具尺寸与下面治具的尺寸相同，上面治具的边缘磨削机会太少，上面治具有翘边的趋势。
假如上面治具尺寸比下面治具的尺寸小得太多，超过了规定的数据，上面治具在摆动过程中，其边缘不露出来，上面治具的边缘会磨损过甚，上面治具有塌边的趋势。
假如上面治具尺寸比下面治具的尺寸大，则在摆动时，下面治具的边缘露出的机会又会太少，下面治具的边缘磨损过甚，下面治具有塌边的趋势。
在修凹的磨皿时，镜片光圈细（偏负），则应多磨削凹磨皿的中心部分。
若凸凹对修，应将凸在下，凹在上，摆幅要大，约为凹磨的1/2。
镜片光圈粗（偏正），则应多磨削凹的磨皿边缘部分。
若凸凹对修，应将凹在下，凸在上，摆幅要大，约为凸磨的1/3。
在修凸的磨皿时，镜片光圈细（偏负），则应多磨削凹的磨皿边缘部分。
镜片光圈粗（偏正），则应多磨削凸磨皿的中心部分。
10°
右摆40°
。
抛光的结果好坏受许多因素影响：
工件的粗糙度
空气的温度及相对湿度
空气含尘量
玻璃种类
零件大小
1.零件与治具大小比列
2.抛光剂的性质
3.工作轴转速
4.摆动的频率、摆幅及摆幅中心位置
5.抛光面的温度、压力
6.抛光剂的输入量及温度
研磨粉对不同类型的光学材料,或光学材料相同但表面质量要求不同的光学零件有着不同的影响。
研磨粉的不同制法和不同的工艺处理，以及它的物理性能，对研磨效率有很大的影响，不同制法的氧化铁其结晶结构不同，其研磨能力不同；
不同制法的氧化铈，其研磨效率不同,相同制法而得的研磨粉，经过烧制工艺处理后,其研磨能力比未经过烧制工艺处理的高。
研磨粉颗粒的硬度应与玻璃的硬度、研磨皮的硬度、研磨压力等相适应。
硬度太大会在玻璃表面产生擦痕，硬度太低会将低研磨效率。
（1）研磨液的浓度
对于氧化铁（红粉）研磨液，采用氧化铁与水的重量之比为1：
3~1：
4。
对于氧化铈（黄粉、白粉）研磨液，
采用氧化铈与水的重量之比为1：
5或稍稀。
研磨液的浓度与理想值不符，将导致研磨效率的降低。
当浓度过高时，研磨效率反而降低，因为水量不足，导致热量难以散发。
过多的研磨粉堆积在玻璃表面上，研磨压力不能有效地挥作用。
当浓度过低时，则表面温度下降，同时减少微小切削作用。
（2）研磨液的供给量
在一定工艺条件下，使研磨效率最高所需的研磨液用量，为研磨液的适中量。
研磨时保持适中的研磨液供给量。
抛光液参数
液温低易起划痕，过高易使抛光层变形，一般控制在30~38℃之间，流量为900~1000L/min，PH值为3~9。
研磨液供给量太小，不利于机械磨削和散热；
研磨液供给量过大时，则表面温度下降，不利与化学作用，同时使吻合度变差。
（3）研磨液的PH值
不同类型的光学玻璃对研磨液的PH值要求不同的。
一般情况下氧化铁研磨液为中性（PH=7）；
化铈研磨液略偏酸（PH=6~6.5）为好用。
光学研磨中，添加在研磨液中能够改变研磨工艺性能的物质，称为添加剂。
使玻璃稳定，减少对腐蚀的敏感，从而进一步改善光学表面质量的，称为稳定剂。
添加剂
对氧化铁研磨液，能提高研磨效率和改善光学表面质量的添加剂：
硝酸锌[Zn（NO3）2]、硫酸锌[ZNSO4]、氯化镍[NICL3]、氯化铁[FECL3]等。
对于氧化铈研磨液，能提高研磨率和改善光学表面质量的添加剂：
硝酸铈铵[（NH4）2CE（NO3）6]、硫酸锌[ZNSO4]。
添加剂的加入量不是任意的，每一种添加剂对于不同品位的抛光粉，不同类型的光学玻璃都有其理想的加入量。
影响表面光洁度的因素
镜片边缘有砂眼一种是因为细磨后光圈高（正），当中间已抛亮时，边缘尚有砂眼，另外，当镜片发生“走动”时，也会引起边缘有砂眼。
镜片中间有砂眼另一种是因为细磨后光圈低得太多，边缘已抛亮中间尚未抛到，镜片“走动”也会有可能造成镜片中间有砂眼。
镜片表面有粗砂眼则往往是细磨不充分所造成。
抛光过程中有时会在镜片表面产生油斑似的东西，这与玻璃的化学稳定性、抛光粉的性能、抛光模得到吻合情况有关，可以在抛光粉悬浮液中加少量硫酸锌加以消除（约每升6克）。
在用原器（样板）检验镜片表面光圈时，如果没有仔细地将原器（样板）和镜片表面擦干净，也容易使镜片表面受到损伤。
九、研磨皮及选择
抛光模：
聚氨酯（聚氨基甲酸乙酯），按使用的原料不同，分为聚醚型和聚酯型。
但当配料和制模工艺稍有偏差时，性能差异则很大。
研磨皮（抛光模）
由于不同的聚氨酯抛光材料吸水性不同，达到吸水平衡的时间差别很大，所以，在修模前应把抛光模放在抛光液中浸泡，达到吸水平衡后再修模否则，会引起抛光模的面形变化；
使用后应浸泡在抛光液中，否则，由于水份蒸发，造成面形变化，再次使用时会降低抛光模镜片的吻合性。
聚氨酯抛光模必须与光学玻璃的牌号、氧化铈磨粉的规格,相互匹配好。
抛光模的选择
1.太厚，则硬度太小，容易变形、加工的零件易塌边；
2.太薄，又使抛光模与镜片的吻合性不好，零件表面易产生划伤。
抛光胶的选择
抛光胶的硬度对抛光工作能否顺利进行是十分重要的，当单位面积的压力大及转速快、室温高时，抛光胶选用硬些；
相反，则选用软些的。
抛光直径大的镜盘所用抛光胶应选择软一些。
抛光胶硬度是否合适，可根据抛光一段时间后，抛光模层表面情况确定。
在掠射光下，当抛光模层表面有些微微的发亮，胶层颜色同抛光粉相近，则硬度较合适；
当抛光模层表面发毛时，则胶层太硬；
当抛光模层表面发亮呈油光的沥青色时，则胶层太软。
另一种方式：
用小刀在抛光模层表面划出浅槽后的变化情况，当抛光胶太软时，浅槽很快被磨平。
每圈张贴数计算：
an=A+（n-1）r
an：
为第n次圈上的工件数
A：
为最内第一圈的工件数，它一般是3件或4件、1件
R:
为常数6，即每圈件数（6≈2π）
N:
为第几圈
例：
a9=3+（9-1）*6
=3+8*6
=3+48
=51
张贴9圈，在第9圈上可贴51个镜片
整体张贴数计算：
Sn=n1+r/2n（n-1）→Sn=3D²
/4d²
:
为治具的直径
为零件直径加2㎜
Sn为各圈零件的总数
S9=9*3+6/2*9*（9-1）→3*144²
/4*（6+2）²
=27+27*8=3*20736/4*64
=27+216=62208/256
=243pcs=243pcs
镜片直径为6㎜;
治具直径为144㎜;
张贴9圈合计243pcs
张贴量计算；
d>
1·
179R只能单件
1.035R≤d≤1·
179R可三件
d＜1.035R可四件
D/R比越小越易用多件。
0.7＜d/R＜0.78六件，中一外五
0.66＜d/R＜0.7七件，中一外六
0.6＜d/R＜0.66十一件，内三外八
0.55＜d/R＜0.6十三件，内四外九
当用α。
=arcSin（b/2R）表示时半张角都在30°
以上,
b表示零件口径的一半α。
半张角
R表示零件被加工面的曲率半径
此时根据经验进行凸、凹面的磨皿口径对比量、磨皿偏转角度、磨皿与零件的相对转速、磨削压力等参数进行设定。
深度
△H=R±
√R²
-（D/2）²
（+凹-凸）
凹型参照值大于设计值△H取负相反取正
凸型参照值大于设计值△H取正相反取负
R为曲率半径、D为直径、
计算开发新机种之曲率半径、边厚差等都可以参考
△H为球冠的高度或深度
双凸TC-△H1-△H2
一凹一凸TC+△H1-△H2
双凹TC+△H1+△H2
（△H1为R1面深度）（△H2为R2面深度）（TC为中心厚度）
原器值（光圈条数）与图面设计值计算：
R△=N*0.00055*（2R/D）²
N：
光圈条数
标准设计值（曲率半径）
D:
原器为有效口径（镜片为毛坯直径、定心为成品有效径）
R△：
公差值
切削角度公式：
Sina=D/（2*（R±
r））»
D=2Sina（R±
r）
砥石的直径
零件的曲率半径
a:
砥石的倾斜角
一般倾斜角可选取35°
～43°
之间
r：
砥石的端面圆弧半径
平面磨皿口径（直径）与镜盘口径（直径）的关系（磨皿在下）为Dm=（1.1～1.3）Dj；
当Dm/Dj的数值越大，单位时间内的磨削量越大，反之则小。
当Dm/Dj和其他工艺因素恒定时，摆幅越大，单位时间内的磨削量越大。
为保证均匀磨削，必须使Dm/Dj与摆幅很好匹配，即Dm/Dj大时，摆幅要大，反之相反。
粗磨皿覆盖比计算：
P=Z×
（Ø
/2）²
×
π/（2πRH）»
P=ZØ
²
/（8RH）
Ø
：
钻石直径
H：
球冠高度
R：
钻石曲率半径
十二、光圈的识别
光圈的形成：
抛光后工件的面形精度通常是用光学样板来检验，样板和工件接触时曲率半径大小的差异，反应为两接触面间空气隙的大小。
当两接触表面存在微小的空气隙时，光线通过该两表面进行反射或透射，两束反射光相干涉的结果形成干涉条纹，称之谓光圈。
1.在抛光加工中,正确地判断光圈的粗细程度及局部误差的性质,对于修改工件面形误差是非常重要的。
2.粗光圈:
样板与工件中心接触，条纹从中心向边缘扩散。
3.细光圈:
样板与工件边缘接触，条纹从边缘向中间收缩。
光圈（失高）检查方法
光圈的检查可以用：
千分表、贴皿、原器来检测，不管用哪一种方式，后道工序一定要与第一道工序一致。
原则是：
前道要符合后道要求，应在0.03㎜以内。
用千分表
切削——粗磨——精磨（抛光）
-10～-6-5～0
用贴皿
切削—水迹—粗磨———精磨（抛光）
-10～-6（2/3）-5～0
修整措施
使用聚氨酯抛光模面形常出现的问题
（1）光圈椭圆与局部不规
（2）光圈花，干涉条纹带锯齿状
（3）光圈中心高或低
光圈椭圆与局部不规
在抛光模修得比较规则的前提下，主要是治具与非抛光面吻合性不好，或治具夹持零件过紧，或是零件不圆。
在抛光过程中，研磨杆摆动到抛光模中间或边缘，治具旋转速度应相差不多，如果相差很多，甚至有停滞现象，光圈会出现椭圆。
光圈“花”，干涉条纹带锯齿状
主要是抛光模面形不规则，在修正时用力过重。
在室温很冷的情况下，抛光需加温至30℃左右。
光圈中心高或低
研磨杆摆动偏中心，光圈中心会变高；
研磨杆摆动偏边缘，光圈中心会变低。
零件光圈有很细的塌边（边缘R值）
那是聚氨酯抛光模的弱点，聚氨酯抛光模有一定的弹性，零件受压后，压到的部分与压不到的部分聚氨酯抛光模的弹性不一样，压不到的部分聚氨酯抛光模高出压到的部分，促成零件塌边。
光圈修整措施
在改光圈的过程中，最重要的是先要知道所用的抛光模的特征和造成光圈不好的原因及其变化规律。
这样就可根据光圈的不同情况，进行修整抛光模和调整摆幅、位移、转速等。
例如：
在抛光凸镜片时，若抛光皮弹性太强（软），就容易出现中间部分凹下去和边缘塌边。
这是因为镜片和抛光模之间摩擦力的合力着力点和顶点着力点之间有一定距离，由于力矩作用，使抛光模发生径向流动。
如果抛光模
在上方，流动方向是向心的，结果使中间部分凸起，在镜片中间磨成一个凹穴。
镜片边缘塌边，是当抛光时摆动到镜片边缘，抛光模表面与镜片边缘接触部分，因受压力产生较大变形，而镜片露出部分没有变形，并高于变形部分，因此，当再摆向中心时，镜片边缘碰到未变形的凸出部分而产生多磨，结果形成塌边。
修改的方法首先是更换合适的抛光皮，抛光模直径比镜片直径小一些（抛光模在上），同时在抛光摸中心开槽和边缘修刮，摆幅中等，摆速稍慢。
但有时相同的面形却有不一样得到情况。
如同样是中间凹穴，边缘塌边的面形，有时可能由于改低得很多的光圈时，边缘磨削量太大即所谓改得“太急”了，结果形成边缘塌边和中间尚未“起来”。
这时修改的方法可以将抛光模重新贴或少许刮一刮边缘，摆幅和位移不要太大（镜片在下）。
另一种镜面是中心和边缘凸起，“中腰”凹下去，形成所谓“山”字形。
当中间凸起的抛光模在上，并对镜片有位移时，是造成“山”字形面形的原因之一。
此时，修抛光模应该结合位移和摆幅大小一起考虑。
当位移调整为零且摆幅不大时，可以适当地修抛光模中腰部分。
当镜片在下，抛光模在上时，中腰的凹陷有时还与抛光模直径太小有关。
这时抛光模边缘速度较大部分经常与镜片中腰接触，造成中腰多磨损。
修改光圈的办法是换一个相对尺寸合适的抛光模和将摆幅增大一些。
从以上分析来看，同样的不规则情况而造成的原因可能不一样。
因此，要区别不同情况，采取不同措施，特别是要根据光圈变化情况，判断出抛光模的面形，这样，改光圈就能取得主动权。
传统研磨抛光机床种类很多，形式各异。
如S12、M8、UDA6、S6、S4及修皿机两台、（技研）脚踏修皿机。
球心研磨机床，如LP330、SSP6、MF2、光进及仿光进机台。
传统研磨抛光机床，转速不高于1800转/分,一般转速为700~900转/分；
球心研磨机床，转速为1800~3000转/分。
加工平面镜盘时的机床选择，一般机床的加工范围为主，较少的考虑到平面镜盘的大小。
而加工球面镜盘时的机床选择，要考虑到机床的加工范围、球面镜盘的大小。
因大球面镜盘需有较慢的转速、摆速，较大的摆幅和较大的功率，而小镜盘则相反。
故加工大小不同的球面镜盘就应选择相应的机床。
对于镜片失高为0.85R时或半球，可取偏角15°
摆幅40°
～50°
即左摆5°
～10°
、右摆35°
～40°
比较合适。
准球心机床：
（1）根据工件球面半径，配上相应高度的接头（或治具），使球心与摆架的摆心重合。
若不准球心摆动，会使压力不均匀，使光圈难以控制。
一是摆架的偏角;
二是摆架的摆幅。
这两个因素的选择对光圈影响很大。
（2）松开偏心盘（摆动部位）的螺帽，调节摆架的摆幅，合适后拧紧螺帽。
（3）改变摆架的摆动位置时，松开摆架各辅助锁紧手柄（螺帽），调整摆架到需要的角度后，再紧固手柄（螺帽）。
正确地调节摆幅
是控制光圈的重要因素之一。
对于半球或超半球的镜片，一般可取偏角15°
摆幅50°
即左摆10°
工艺过程
1.检查弧线摆动时的准球心程度，抛光液在缸内不得少于缸体积的3/4；
2.调节好抛光液温，检查是否畅通无阻；
3.按开关，观察机床运行情况，调节抛光时间和抛光液的流量，开空车1分钟；
4.调节好主轴转速、摆臂摆幅、摆速，压力，在抛光过程中按质量情况可再进行修正。
同时应按需要修、刮抛光模及视批量大小更换抛光液，以使抛光液保持清洁。
机床的调整
（4）装上工件及模具，调节研磨杆的长度，使之达到需要的压力。
传统研磨抛光机床：
（1）以机床主轴为原点将研磨杆向主轴外侧（靠近操作者）和向内侧移动时，都可以达到加大其与主轴的距离。
但向主轴外侧移动研磨杆，上架摆动的弧线距离加大，光圈变化速度比向内侧移动时快些。
（2）从法向分力的角度考虑，改变高光圈时宜轻，改变低光圈时宜重。
机床调整是否正确是影响光圈不稳定的主要因素。
机床调整包括：
转速、压力、镜与工具的相对转速、相对位移等方面。
摆幅的大小（针对上摆机床）
摆幅越大，上面治具的中部与下面治具的边缘会磨损较多，所以，摆幅的大小应当合适。
对于球模来说，上面治具摆动的角度约为下面治具张角的0.4～0.55范围内。
研磨杆的前后调整
研磨杆的前后调整是指上面治具的中心偏离下面治具的中心，向着垂直于摆幅方向的位移，此位移量对于球面为0～0.4。
主轴转速与上摆转速之比
主轴转得越快，下面治具的边缘磨削较多，上摆转速越快，上面治具的中心与下面治具的中心部分磨削较多。
对于球面为1~2.5倍。
超声波清洗光学零件的原理主要是：
超声场的空化作用与清洗液的化学作用。
光学零件的表面污染包括：
空气中集聚的灰尘，由于静电吸附而不易除去，更多的是固体粒子被油膜粘附在表面上，粒子与油膜可能为有机物质，也可能为无机物质；
有时零件表面还出现由于局部发热而形成的炭化膜层；
有时零件还出现氧化膜层。
将污染的光学零件放入超声波清洗液中，液体中的超声振动，交变的压强产生交变的压缩与疏松振动运动，即空化现象。
清洗效应有三种：
1.强超声波对污染表面的直接效应是通过将动量由运动液体直接转移给污垢介质粒子，使粒子产生振动，附着力不强的粒子脱离表面，这是超声波空化现象的清洗效应之一。
2.污染的微粒作为空化现象的核粒而促使空化中心的形成，压强迅速变化而产生充满气体或蒸汽的空穴，而这些空穴的
3.最终崩溃而产生了强烈的冲击波，其压强增大了几个数量级，能使污染表面上固体粒子破裂而分离，这是空化现象的清洗效应之二。
4.粘附于零件表面的油膜能在超声波空化现象的作用下微细地扩散于液体中，形成乳浊液，这是空化现象的清洗效应之三。
至于清洗液溶解污染介质的能力显然也起着重要的作用。
在实际清洗过程
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