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柱面加工工艺

柱面加工工艺1（总28页）

目 录

第一章 绪 论………………………………………………1

样板的重要性…………………………………………………………1

非球面的发展…………………………………………………………1

第二章 柱面标准样板设计…………………………………3

柱面标准样板的尺寸选择……………………………………………3

柱面样板精度设计…………………………………………………4

柱面标准样板制造用模的设计……………………………………5

第三章 柱面标准样板的制造………………………………15

柱面样板制造…………………………………………………………15

柱面光圈检验………………………………………………18

实际加工过程中的注意事项及某些问题的解决方法…………………………………………………………………………25

第四章 样板的精度分析与检验……………………………26

误差测量……………………………………………………………26

矢高的制造误差…………………………………………………27

标准样板的光圈误差………………………………………………28

第五章光学冷加工工艺和设备现状及其发展

第六章国外光学加工技术的发展现状

结 论…………………………………………………………29

致 谢…………………………………………………………30

参考文献………………………………………………………31

摘  要

光学样板是光学零件制造过程中使用最广泛、最简便的一种精密测量工具。

因此，在光学零件生产技术准备阶段，必须先设计和制造一套标准样板和一定数量的工作样板。

光学样板按形状分为球面样板、平面样板和柱面样板。

近年来，柱面光学零件的需求量越来越大，因此，对柱面样板的设计，制造技术提出了更迫切的要求。

本文详细系统地阐述了R=的柱面标准样板的设计方法以及柱面样板加工磨具的设计，通过自己亲身实践，对柱面标准样板的制造工艺过程（下料，粗磨，精磨，抛光）和检测方法有了更深刻的了解和认识，并且对柱面标准样板的精度分析和检测方法做了初步介绍。

关键词：

粗磨 精磨 抛光 工艺 检测。

第一章  绪 论

光学样板的重要性

光学样板简称样板，是光学零件制造过程中使用最广泛、最简便的一种精密测量工具。

样板按用途分为标准样板和工作样板，前者用于复制工作样板，后者用于在生产中检验光学零件；按形状又分为球面样板、平面样板和柱面样板等。

样板在光学零件制造中占有重要地位，标准样板的精度好坏直接影响到工作样板的优劣，而工作样板的优劣又直接影响到光学零件的面形精度，乃至影响光学系统的成像质量。

因此在光学零件生产的技术准备阶段就必须先设计和制造一套标准样板和一定数量的工作样板。

1.  2非球面的发展

在光学系统中使用的非球面按其面形基本上可分为具有面形对称的曲面（如柱面、镯面）和由一定数学方程式给定的具有对称轴线的回转面（如椭球面、抛物面、双曲面）两类。

随着光学仪器的不断发展，对光学仪器提出更高的要求。

如成像质量好，光能损失少，仪器小型化，轻量化等。

在现代条件下，采用多件球面组成的光学系统就难以达到上述要求，而非球面光学零件在矫正相差上具有独特的特点。

虽然非球面在加工技术上存在许多困难，但早在16世纪，人们就对它有所认识和应用。

1931年斯密特发明了制造斯密特校正板的真空弯曲方法，使非球面在光学仪器上成功地得到了应用。

最早还是在天文仪器上应用，牛顿、卡塞格林、格里哥里等人对反射望远镜的主镜和副镜就采用了二次非球面，这些都是很有名的范例。

直到今天的天文仪器，还使用着这样的系统，只不过是后来人们将这些有名的光学系统更加完善了。

而今天非球面的应用比起那时就更加广泛了。

在照相系统中，采用了非球面来实现广角照明；在定向照明中使用抛物面反光镜；在摄影系统中，如电视投影仪器中利用非球面来校正球差；在放映系统采用柱面来实现宽银幕的放映；在光谱仪器和不可见光学系统中使用非球面更有特殊重要意义；在医疗器械（如医用手术灯）及日常生活中（消色散眼镜）也应用了非球面。

特别是随着电子计算机的发展，在光学系统中采用非球面的设计已不是困难的事，如何扩大非球面的应用，关键在怎样解决非球面的生产加工问题。

虽然16世纪就开始使用非球面，直到20世纪的今天也仍可以说加工方法还尚未完全解决。

目前，国内外不仅光学行业，与此有关的各个领域的人们都在重视和研究非球面的加工和检验问题，并已获得了一些成果。

非球面的制造工艺在不久的将来一定会有所突破，那时光学仪器也会有一个突飞猛进的发展。

本文以比较典型的非球面R=的柱面标准样板为例，对其设计、加工及检验技术进行了较为详细的研究。

第二章 柱面标准样板设计

柱面标准样板的尺寸选择

柱面标准样板的设计应以能满足使用要求和保证测量精度二原则来确定。

柱面工作样板的尺寸应比透镜每边大约～1毫米为宜。

厚度则根据曲率半径的大小适当确定。

一般为：

凸样板边缘厚度不小于    10～15毫米

凹样板中心后度不小于    12～18毫米

柱面标准样板的长和宽应略比工作样板大些，厚度与工作样板基本相同。

表面粗糙度，测量面粗糙度为14，观察面粗糙度为12，非工作面粗糙度5，表面疵病等级为方便用户V级。

本文设计的柱面标准样板的形状与尺寸如图所示，。

（a）

（b）

图设计的柱面标准样板图

具体尺寸如下：

柱面的R=

标准样板长156mm

凸样板：

D=52mm H=14mm

形式如图（a）

凹样板：

D=52mm H=19mm  h=11mm

     形式如图（b）

 柱面样板精度设计

柱面是可用光学样板来检验的非球面。

根据一般实践经验，柱面标准样板的精度等级分为A、B、C三个等级（见表2-2）。

表2-2 柱面标准样板精度等级（△R）

A  △R/R  ±%~±%

B  △R/R  ±%~±%

C  △R/R  ±%~±1%

R=的柱面标准样板精度等级定为A级，因此，根据国家标准，其曲率半径最大允差R=×%=

 柱面标准样板制造用模的设计

柱面标准样板制造工艺包括下料、粗磨、精磨、抛光。

本论文中R=柱面标准样板加工所必备的模具如下：

基模（如图所示）

图基模

材料：

钢20  数量：

  4

定位销

图 定位销

材 料：

钢20  数 量：

  8

粗磨模具

（1）  曲率半径凸磨模：

Rcm==（为粗磨中的磨削量）

     凹磨模：

Rcm=Rp +=

（2）矢高hcm

凸模 h²=²-31²=295

        h=

hcm=Rp-h=凹模h²=²-31²=411

     h=

     hcm=Rp-h=凹柱面粗磨模

a）凹柱面粗磨模

b）凸柱面粗磨模

图 粗磨球模

材料：

H20-40  数量：

1

精磨模

（1）曲率半径凸磨模：

Rp=

      凹磨模：

Rp=

（2）  矢高h

凸磨模：

h´²=²-31²=

h´=

h=凹磨模：

h´²=²-31²=

h´=

h= 凹柱面精磨模

b）凸柱面精磨模

图柱面样板精磨模

材料：

H20-40   数量：

1

粘结模

粘结模，即为平模。

如图  所示。

抛光模

（1）曲率半径

“＋”用于凹抛光模，“－”用于凸抛光模

  表示柏油层厚度，取柏油厚度=3mm

凹抛光模Rpm=+3=

凸抛光模Rpm==

（2）  矢高

凹抛光模：

h²=²-33²=

h=

Hpm=凸抛光模：

h²=²-31²=

h=12mm

Hpm==

   a）凹柱面抛光模

b）凸柱面抛光模

图抛光模

第三章 柱面标准样板的制造

样板制造

R=的柱面标准样板的制造与球面标准样板的制造相似，也是凸凹成对加工的。

其工艺过程包括下料、粗磨、精磨和抛光等主要工序。

下料

根据要求尺寸，将材料下成长方体，其长度和宽度应比要求尺寸大5毫米，厚度大1~2毫米。

所以块料长161毫米，宽为57毫米，凸样板的厚为16毫米，凹样板的厚为21毫米。

下料工艺与球面块料毛坯工艺相同。

如果采用型料毛坯，则可直接进行粗磨或精磨。

粗磨

（1）．粗磨长方形，用100号砂，使其尺寸达到要求。

长为158毫米，宽为54毫米。

（2）．粗磨总厚度：

按规定尺寸粗磨第一面和第二面，其平面度应在~毫米内，并倒角~×45°。

（3）.粗磨开半径：

加工柱面的机床系二维运动机构，既能前后左右同时运动。

凹样板在凹粗磨模具上用100号砂加工，凸样板则首先在平模上用100号砂磨出近似圆的形状，然后再粗磨模具上粗磨。

在加工过程中，应注意保证使二柱面的母线平行为止，其平行度偏差不得超过毫米。

如果粗磨后二母线不平行必须在继续磨直到平行为止。

对于凹柱面和半径较大的凸柱面，也可用QM300球面铣磨机加工。

（4）．在加工过程中，控制和测量母线是很重要的。

因为圆柱面是靠母线平行的作圆周运动所形成，控制它就好像用光圈控制曲率半径一样。

测量装置如图所示，该装置是在一块金属平板上开两条相互平行、深度相同的V形槽，槽内分别放两根半径都等于r的金属柱棒，做为放置柱面样板的支撑。

另外再在金属板上开一条与前两条V形槽相互平行的较大V形槽，槽内放一半径R较大的金属柱棒，做为放置柱面样板的基准档块。

支架上装置千分表，测量时将工件一面放在支承棒上，并使选为工艺基准的侧面与圆柱棒档块贴紧，然后沿帮州方向来回移动工件，从千分表便可读出母线的平行度差值。

图 柱面母线平行度检测

精磨

（1）．柱面精磨工艺与一般光学零件精磨相似。

精磨后凹柱面的曲率半径比理论值略小一些，凸柱面应略大一些，其相应的矢高差为~毫米左右，相当于光圈4~6道左右。

（2）．精磨检验

精磨中初步检验用刀口平尺检验母线，用球径仪检验柱面曲率半径，要求吻合。

当精磨砂眼较小时，可用球径仪测出柱面的曲率半径R。

（3）．样板对磨

在两块样板胶上平模，用280、320、W10号砂进行互磨，磨至曲率半径公差内且吻合为止。

当加工出的样板半径比要求的半径大时，将凹的放在上面并加大摆幅。

反之，凹的放在下面，并使左右摆幅加大。

其他条件如转速、压力等工艺因素的影响，与一般精磨相同。

样板对磨到矢高符合要求再进行抛光。

一边互磨一边测矢高h，若误差较大，如差百分之几，即可调节摇臂的摆幅来修正。

最后抛光测h值与理论值之差在±毫米以内即可，在修h的同时还要经常注意母线的变化，要反复检查，以免多磨。

加工平面

柱面样板一面为平面，一面为柱面，为了在加工过程中易于检查柱面误差，应先加工平面。

在平模上分别用100#，280#，320# 砂粗磨，当所磨得的砂眼大小相等，分布均匀后，用W10砂进行精磨,使光洁度达9。

注意换砂时要清洗干净，最后在平抛光模上用氧化铈抛光粉进行抛光。

使光洁度达14。

而对光圈及均匀度不作规定。

抛光柱面

（1）．制作抛光模

在抛光基模的表面敷一层厚约2~3毫米的抛光柏油，在抛光柏油未硬化前用样板本身进行压膜，压好的抛光模应均匀。

再在抛光柏油表面敷一层抛光粉，这样抛光时好用。

压好柏油模后，用小刀削去边缘多余的抛光柏油。

（2）．抛光

将精磨好（误差在~毫米）的两块柱面标准样板稍抛到有些发亮，取下检验光圈。

当两块互检光圈时，干涉带不得过细，母线误差不得超过4道圈，此时便可继续进行抛光。

如果干涉条文很细，即表示高低差得很多，则必须重新进行精磨。

对板互检时，局部误差属于哪一块，这可以利用两块样板作相对移动来判断。

若局部误差随移动的那块样板而动，则光圈的局部误差就属于那块移动的样板。

凹凸柱面的光圈检验

柱面光圈的判别

检查凸形柱面是可用平面样板，从平面样板上方观察时，光圈呈一麦穗状，沿母线方向表现出来。

光圈不规则，表现在“麦穗”的箭头粗大，严重者可呈现椭圆。

沿母线方向看到的光圈越直而细（如下图所示）、清晰易辨就越好。

（a）母线方向

（b）半径方向

图 母线与半径方向光圈辨别

检验凹面光圈用球面样板，光圈呈现形状如前，只是沿曲率半径方向成一直线表现出来（见图b）

柱面光圈高低的判别方法：

微微加压当箭头由中心向外移动时，即

表示光圈高（见图b）,如果箭头由两侧向内移动，则是光圈低（见图a）。

（a）  （b）     （a）        （b）

图柱面光圈高低的判别   图 母线光圈高低

a）  光圈低b）光圈高   a）低二母线光圈b）高二母线光圈

柱面母线光圈的几种情况及修改办法

在加工过程中，用平面样板测量母线时，其左半部分、右半部分、前、中、后三条母线的光圈成图所示形状时，则比较合适。

像这样的母线要完整的三条，每条中间不得有间断，方为均匀度好。

若母线不规则，如图所示。

此两种情况的解决办法，只能用修刮抛光模的办法来修改（见图）。

（a）          （b）

图母线光圈高

a）前部母线高  b）后部母线高

          （a）               （b）

图母线光圈高刮模图案

a）前部母线高刮模图案b）后部母线高刮模图案

当整个母线光圈低或高时，（见图），不仅要将摆幅加大，而要将抛光模刮成槽（见图）来配合校正。

（a）         （b）

图整个母线光圈低和高

a）整个母线光圈低b）整个母线光圈高

（a）        （b）

图整个母线高低刮模图案

a）母线光圈低刮模图案b）母线光圈高刮模图案

 母线光圈偏高和偏低（见图）时的修模图案只是沟槽要刮得稀疏些。

（a）          （b）

图母线光圈偏高和偏低

a）  母线光圈偏高b）母线光圈偏低

当母线光圈合适时，就可将修补好的矢高h的凹样板用来检验凸样板的整个光圈，即修正柱面的光圈。

柱面光圈经常出现的几种情况及修改方法

（1）柱面光圈偏高，母线光圈偏低（见图）由前述可以判断出：

柱面光圈偏高，是指凸样板而言，母线光圈低是指凹样板而言，因为凸样板的母线光圈已磨好了，凹样板的矢高h又是找好的，即凹样板的半径是正确的。

此时修改要注意：

如差的多，除锈抛光模外，还可将摆幅开小。

（a）  （b）

图柱面光圈偏高、母线光圈偏低与修改

a）光圈形状  b）刮模图案

（2）柱面光圈偏低，母线光圈偏高（见图）。

这种情况很明显母线光圈偏高是凹样板的毛病，柱面光圈偏低是凸样板的毛病。

若差的多时，除修改抛光模外，可将摇臂摆幅加大。

图母线光圈偏高、柱面光圈偏低与修改

a）光圈形状b）刮模图案

（3）柱面光圈的均匀度差

柱面光圈均匀度差如图所示，其修改方法可作为柱面光圈偏高，母线光圈低处理。

图柱面光圈均匀度差    图柱面、母线光圈均低

（4）柱面、母线光圈均低，如图所示，其修改办法：

将摇臂摆幅加大即可。

（5）凸柱面光圈低（见图），凹样板正常，在这种情况下，只需修改抛光模。

  图凸样板光圈低，凹样板光圈正常与修改

a）  光圈形状b）刮模图案

在通常情况下，是以凹样板对凸样板来进行柱面光圈的修正，达到3~4道光圈时，在进行凹样板的整个光圈修改。

在磨凹样板光圈时，要用凸样板去看凹样板，达±

1~2道光圈时，在复查凹样板h的变化，若有微小的变化，则作抛光修改，母线和光圈若无变化，则此对样板就认为抛光合格。

然后可进行倒角和制作标记。

上述是标准样板的制造工艺，而工作样板的制造工艺基本上与光学零件的工艺相同，只不过球面和柱面工作样板及零件的R相等，符号相反。

实际加工过程中的注意事项及某些问题的解决方法

精磨：

（1）  当添加W10磨料时，注意用量和浓度。

（2）  要注意机床的机械性能造成的误差，要使工件的前后、左右的

磨耗均匀。

（3）在精磨过程中，应注意检查精磨的母线与半径精磨损情况，及时发现及时修整。

（4）磨第二柱面时，除了要控制工件的中心厚度外，还要修正两端厚度的偏差，当两端（沿母线方向）厚度偏差较大时，应将机上的铁笔放入尺寸大的一端孔内进行精磨，直到修正为止。

抛光

（1）进行抛光加工时，严格注意环境清洁，各种抛光剂不可混用。

（2）每天开始抛光时，应在温水中预热抛光模，以免做无用功或产生局部误差。

（3）  温应恒定，一般保持在22-24℃。

（4）当光圈在一道圈之内时，受手的温度影响较大，一般应静置十几到几十分钟再观察。

（5）最后基本工作完工后，需要静置十几小时，若此时仍满足精度要求，则说明已加工完毕。

（6）矢高和光圈都有误差时的处理方法：

一般情况，抛光时，矢高都符合要求之后，若凸凹样板互检时，光圈不对，例如低N道光圈，则将凸凹样板均改高N/2道光圈，这样不影响矢高的变化。

若精磨和粗抛光后，矢高有偏差，而且光圈也不对，这时应该同时修改光圈和矢高。

一般来说，每改一道光圈，矢高要变，也就是说，凸面光圈改高一道，或凹面光圈改低一道，矢高均增加，反之亦然。

第四章 标准样板的精度分析与检验

精度是用误差表征的，控制标准光学样板的各种误差是保证其精度的前提。

因此，定量分析光学样板的各种误差，对确定精度要求是十分必要的。

标准样板的误差包括：

测量误差、矢高制造误差、光圈误差。

测量误差

曲率半径的测量采用接触式柱径仪，其测量原理见图。

图曲率半径测量原理图

已知测规半径r，通过测量矢高h，则R的计算公式为：

               （）

对（）式全微分得：

            （）

由此得出柱径仪的测量误差公式：

         （）

式中：

—柱径仪测规r的极限误差；

—柱径仪测量矢高的极限误差；

—半径的测量误差。

 矢高的制造误差

  由计算得到的名义矢高和制造测量矢高的偏差称作矢高的制造误差，用表示。

引起半径偏离名义值的误差，即半径偏差用表示。

样板的矢高制造误差和其引起的半径偏差之间的关系如下式：

         （）

标准样板的光圈误差

标准样板成对制造时，凹凸两块样板的曲率半径不可能完全一致，由此造成标准样板的光圈误差。

通常用凹凸样板吻和的光圈数NB表示这个误差。

为了便于分析比较各种误差的数量关系，将光圈误差换算成曲率半径的偏差，以表示。

对于式的h变量微分，令，，变换整理后得NB与的关系式为：

       （）

式中：

DB—标准样板直径；

   R—标准样板曲率半径；

   —检验光圈的单色光波长 。

上述几种误差为柱面标准样板的全部误差。

通过分析表明，上诉诸误差值，测量误差是最大的，可达允差的1/2以上；而标准样板的光圈误差引起的半径偏差和工作样板光圈误差引起的半径偏差是不容忽视的误差。

  我们通过分析随变化的曲线和随变化的曲线发现：

、与变化的趋势是一致的。

下面我们对不同曲率半径的样板的误差分配作一下讨论：

①  在R50mm-R500mm这一区间，各种误差所占允差的大致比例通过分析表明：

对A级精度的标准样板而言，这段范围测量误差一般占允差的1/2左右，标准样板光圈误差占允差的1/10甚至更小，这样分配是合理的。

②  在35mm

此时在采取措施注意减小测量误差的情况下，经过上边限制，样板精度基本上是可以保证的。

③  在R>750mm的范围，柱径仪测量标准样板已不合理。

第五章光学冷加工工艺和设备现状及其发展

我国光学仪器的加工技术，虽然有较长历史但形成批量生产并具有完整的工艺是在新中国成立后。

光学冷加工工艺在解放前虽然已有所采用，但缺乏完整性。

解放后经过光学行业各方面人士及职工的努力，方逐步形成了较完善的加工方法。

五十年代初期，光学行业的设备陈旧，工艺落后。

进入第一个五年计划后，加工工艺主要是采用“苏联”的工艺，设备也是由苏联引的和按“苏联”

图纸制造的专用设备，二十世纪六十年代初期，国内个别厂家由德国引进了先进设备（如铣磨机和光学对中心磨边机），受到这些设备的启示，国内在六十年代中期开始工艺科研和研制新设备。

首先进行的是研究粗磨机机械化和设计粗磨机，由于设备和工艺的改进，加工效率有很大的提高，但是后来受政治形势的影响，光学工艺的革新受到冲击，刚见成效的工艺革新，就此停止。

二十世纪七十年代中期，对光学冷加工技术改造和技术革新提出了“四化”目标，即毛坯型料化、粗磨机械化、精磨高速化、定心磨边自动化。

经过努力，这些目标全部在二十世纪八十年代初基本实现了。

光学工业实现了光学冷加工“四化”，为*****民生产光学仪器奠定了有力基础。

二十世纪八十年代针对当时民用光学仪器生产，又提出了光学零件制造的新四化，即抛光高速化，清洗超声化，辅助工序机械化和辅料商品化。

“新四化”，虽然受到了管理体制改变的影响，在研制设备和进行工艺科研的时间和深度不够理想，但全部实现了。

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二十世纪八十年代重点是对光学加工机理和工艺因素的研究和探讨，通过科研人员和课题组的努力，均取得了理想的科研成果。

在光学零件的定摆磨削和光学零件加工中不同牌号玻璃与不同结合剂的丸片之间的合理匹配都在光学加工方面有了突破，引起光学界的重视。

这些科研的成果对光学加工工业起了重要作用，为了我们进一步提高光学加工的科研水平，奠定了雄厚的基础，为新的创新开辟了道路。

二十世纪八十年代是我们光学技术和工艺科研硕果累累的时期。

不但在光学加工的基础理论方面，而在加工设备，加工工艺，加工模具，以及辅料等方面都取得了可喜成果。

如光学加工机理，光学零件加工工艺因素，光敏胶，PH值稳定剂，光学导电膜，易腐蚀玻璃保护膜；PJM-320平面精磨机，QJM220球面精磨机，QJP-100与QJP-40光学中球面与小球面精磨抛光机；光学零件复制法；光学零件超声清洗代替清擦，光学零件真空吹塑包装以及自聚焦透镜制造等等，真是不胜枚举。

这些科研成果，不但通过了部级鉴定，而且均获得子部级奖励或国家发明将。

进入九十年代后，在中国光学行业有了更大的进展，这是由于光学产品出口，光学工艺也随着有了更大的改变和进展。

我们采用了几十年的成盘加工工艺受到了冲击，而单件光学加工在光学批量生产中占据了统治地位。

本世纪初，我国光学制造业已取得了辉煌的成果，进入了发展的高峰，已形成了很强的生产能力。

据有数字统计的资料，我国光学制造能力已超过了五亿件/年，当然这不包括，一些小型民办企业的生产能力。

在亚洲也好，在世界上也好，中国光学冷加工的能力应当是名列前茅的，但我们的技术水平却是比较落后。

主要是表现在不能大批量生产高精度元器件，大部分企业不能长期稳定生产，不能制造高精度的特种光学零件。

造成此种现象的原因：

a.执行工艺规程不够b.没有专门工艺研究和工艺设备的研究开发单位c.没有行业法规d.没有软件贸易企业，没有“光学工程”的承包单位。

▲光学加工设备和光学工艺的发展是分不开的。

孔夫子说过“工欲善其事，必先利其器”。

这说明设备在工艺技术发展中的重要性。

我国光学加工设备和国际上光学设备的发展过程是一致的，即脚踏、机动、电动。

基本是两大系列，一是德国系列、二是日本系列。