非球面光学零件的超精密加工技术

浅谈非球面光学零件的超精密加工技术

成清校１，宋健１，王鹏超２，路兰卿１

（１．北京航天试验技术研究所，北京１０００７４；２．西安航天动力试验技术研究所，西安７１０１００）

摘要：对国内外非球面光学零件的超精密加工技术、设备以及发展状况进行了分析和总结，指出了我国与国外先进水平的差距，并对我国非球面超精密加工技术的发展提出了建议。关键词：非球面；光学零件；超精密加工中图分类号：ＴＧ５０６

文献标识码：Ｂ

文章编号：１６７２－５４５Ｘ（２０１２）１１－０１０４－０３

非球面光学零件常用的有椭球面镜、抛物面镜、面光学零件。该技术主要用于加工中小尺寸、中等批

双曲面镜等，其是一种非常重要的光学零件。相对于量的红外晶体和软金属材料的光学零件，其特点是球面镜而言，非球面镜具有许多优点，其可以消除球生产效率高、成本低、重复性好、适合批量生产。面镜片在光传递过程中产生的彗差、球差、像散、场１．２超精密磨削和抛光技术曲及畸变等诸多不利因素，减少光能损失，具有高品超精密磨削和抛光能进一步提高光学零件的表质的光学特征，可以获得高品质的图像效果。另外，面精度，尤其是对于采用玻璃、陶瓷等硬脆材料制造其能以一个或几个非球面零件代替多个球面零件，的非球面零件。其中，延性磨削方式可以使材料以从而简化仪器结构，减轻仪器总质量，降低成本。“塑性”流动方式去除，加工表面不产生脆性断裂现

非球面光学产品的应用前景非常广阔，在国防、象［２］。延性磨削方式可以保证未变形切削厚度小于脆航空航天领域，大型或超大型光学产品的开发是空性———塑性（或称延性）转换临界值。能满足这种磨间和国防技术的关键，体现着一个国家的科技水平削条件的方式称为延性磨削方式。

如：数码相机、电脑１．３计算机控制光学表面成形技术和经济实力。而在民用产品领域，

摄像头、条形码读出头、光纤通讯以及激光产品等，计算机控制光学表面成形技术（ｃｏｍｐｕｔｅｒｏｐｔｉｃａｌ也已经成为与人民生活息息相关的核心技术。因此，ｓｕｒｆｃｉｎｇ，ＣＣＯＳ）是利用一个比被加工器件小得多的抛非球面光学零件超精密加工技术的研究一直是制造光工具，根据光学表面面形检测的结果，由计算机控领域的热点。由于计算机控制抛制加工参数和加工路径完成加工。

光可以精确地控制研抛过程中的材料去除量，和传统研抛方法相比，大大提高了加工效率和成品率。１国外非球面零件的超精密加工技术

１．４光学玻璃模压成型技术

光学玻璃模压成型技术是一种高精度光学零件国外从２０世纪６０年代就开始了对非球面零件

加工技术，开发于２０世纪８０年代中期。其是把软化加工技术的研究，２０世纪８０年代以来出现了许多新

的玻璃放入高精度的模具中，在加温加压和无氧的的非球面超精密加工技术，主要有：计算机数控单点

条件下，一次性直接模压成型出达到使用要求的光金刚石车削技术（ＳＰＤＴ）、超精密磨削和抛光技术、计

学零件。光学玻璃模压成型法具有工序简单集中，节、光学玻璃模压算机控制光学表面成形技术（ＣＣＯＳ）

可以批量生产的特点，但是模具精度要求极省场地、成型技术、光学塑料成型技术以及非球面零件的特

高，加工成本很高。种加工技术等。

１．５光学塑料成型技术１．１计算机数控单点金刚石车削技术

光学塑料成型技术是目前制造塑料非球面光学计算机数控单点金刚石车削技术（ＳＰＤＴ）是在超

零件的先进技术，包括注射成型、压制成型和铸造成精密数控车床上，采用天然单晶金刚石刀具，在对机

型等技术。光学塑料注射成型技术主要用来生产直床和加工环境进行精确控制的条件下，直接利用天

径１００ｍｍ以下的非球面光学零件，也可制造微型透然金刚石刀具单点车削出符合光学品质要求的非球

２０１２－０８－０６收稿日期：

作者简介：成清校（１９８４—），男，工程师，工学硕士，主要研究方向为精密与超精密加工技术。

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镜阵列。

而模压和铸造主要应用于直径在１００ｍｍ以上的非球面光学零件。其具有总质量轻、成本低，光学零件和安装部件可以一体化，节省装配工作量，耐冲击等诸多优点。

１．６非球面镜的特种加工技术

非球面镜的特种加工方法包括离子束、电子束加工法等，这种方法以原子、分子级去除材料，加工精度高，但需要昂贵的真空设备和复杂的运动机构，加工成本较高，并且不能粗糙表面获得高精度抛光

表面，对前道工序的加工要求较高。此外，

还有应力盘抛光技术、磁流变抛光技术、等离子技术等。其利用主动变形技术，使抛光盘在对非球面光学表面进行抛光的过程中，通过计算机控制实时改变抛光盘的形状，使其符合理论非球面面形，进而将被加工球面向标准非球面修正。

磁流变抛光（ＭａｇｎｅｔｏｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌＦｉｎｉｓｈｉｎｇ，ＭＲＦ）技术是以磁流变抛光液在磁场作用下，在抛光区范围内形成具有一定硬度的“小磨头”对工件进行抛光［５］。小磨头”的形状和硬度可以由磁场实时控制。该方法是一种柔性抛光方法，不产生亚表面损伤层、加工效率高、表面粗糙度低、能够实现复杂表面的抛光加工。通过控制磁场分布形状和加工区域的驻留时间，可以实现确定量抛光。

等离子（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒｉｚａｔｉｏｎＭａｃｈｉｎｉｎｇ，ＣＶＭ）技术是一种利用原子化学反应，获得超精密表面的一种技术，其加工原理和等离子体刻蚀一样，在等离子体中，被激活的游离基和工件表面原子起反应，将之变成挥发性分子，并通过气体蒸发实现加工的，在高压力下所产生的等离子体，能够生成密度非常高的游离基，所以这种加工方法能达到与机械加工方法相匹敌的加工速度，加工工件的表面粗糙度可达０．１ｎｍ。

２非球面零件的超精密加工设备

超精密机床是实现非球面光学零件超精密加工的首要条件。目前，在超精密加工机床制造方面比较发达的国家有美国、日本、德国和英国。国际上生产超精密机床的厂家主要有：美国摩尔公司、普瑞泰克公司、泰勒霍普森公司，日本的东芝机械、不二越公司、丰田工机、发那科公司等，德国先代士劳公司、奥普特公司是生产超精密数控铣磨抛设备的著名厂家［５］。

另外，许多公司己将超精密车削、磨削、研磨以及抛光加工集成为一体，并且研制出超精密复合加工系统，可以使非球面零件的加工更加灵活。表１给出了目前国际上典型的、具有代表性的超精密加工机床及其性能指标。

《装备制造技术》２０１２年第１１期

表１

几种典型的超精密机床技术性能指标

厂家、型号加工尺寸工件直ｄ／ｍｍ

机床精度

加工表面粗糙度Ｒａ／ｎｍ

机床类型美国Ｕｎｉｏｎ－Ｃａｒｂｉｄｅ公司

单位前空格形状精度：１号车床

３８０±０．６３μｍ

２５非球面车削美国ＬＬＮＬ实验室测量分辨率０．６３５ｎｍＬＯＤＴＭ

２１００加工精度０．０２５μｍ７．６大型立式车床美国ＬＬＮＬ实验室主轴回转精度和直线ＤＴＭ－３

１６２５运动精度≤５０ｎｍ４．２切削英国ＲａｎｋＰｎｅｕｍｏ公司Ｎａｎｏｆｏｒｍ６００

６００加工形状精度≤０．１μｍ１０非球面磨削美国ＲａｎｋＰｎｅｕｍｏ公司加工形状精度ＭＳＧ－３２５

３５００非球面复合加０．２５～０．５μｍ１０￣２５

工机床英国Ｃｒａｎｆｉｅｌｄ大学ＯＡＧＭ－２５００２５００加工形状精度１μｍ非球面磨削日本丰田工机加工工件的截形精度ＡＨＮ６０－３Ｄ

６００三维截形磨削、为０．３５μｍ

１６车削日本丰田工机ＡＨＮ１０１００

加工形状精度０．０５μｍ２５车削、磨削荷兰ＰＨＩＬＰＨＳ公司ＣＯＬＡＴＨ

加工形状精度０．５μｍ２０非球面塑料透镜切削美国普瑞泰克公司Ｎａｎｏｆｏｒｍ７００

７００

加工形状精度０．１μｍ

１０非球面磨削

目前，美国超精密机床的水平最高，尤其是ＬＬＮＬ实验室于１９８３￣１９８４年研制成功的ＤＴＭ－３和ＬＯＤＴＭ大型金刚石超精密车床是目前为止世界公认的最高水平的大型超精密机床；英国是较早从事超精密加工技术研究的国家之一，其Ｃｒａｎｆｉｅｌｄ大学ＣＵＰＥ精密加工研究所是迄今第二个能制造大型超精密机床的机构；日本超精密加工技术的研究相对美、英来说虽起步较晚，但发展很快，其多功能和高效专用超精密机床发展较好，促进了日本微电子和家电工业的发展［５］。

３我国非球面零件的超精密加工技现状

我国对超精密加工技术的研究起步较晚，比国外整整落后２０年。现在已有一些大学和科研单位开展非球面零件的超精密加工技术的研究工作，例如，哈尔滨工业大学、北京航空精密机械研究所、国防科技大学、北京机床研究所、中科院长春光机所等单位都在从事超精密机床的研制，均取得了一定的成果。

哈尔滨工业大学于２００６年研制出了大平面超精密铣床，并已用于激光核聚变关键零件铁电磷酸二氢钾晶体的超精密加工［５］。

北京航空精密机械研究所在超精密切削加工及其装备方面取得了显著成果，于２００３年研制出了Ｎａｎｏｓｙｓ－３００非球面超精密复合加工系统，加工出样件的面形精度达到０．２２８μｍ，表面粗糙度Ｒａ８．７ｎｍ［７］。

北京机床研究所于２００５年研制的ＮＡＭ－８００型数控车床是新一代纳米级加工机床。该车床的反馈系统分辨率为２．５ｎｍ，机械进给系统可实现５ｎｍ的微小移动，主轴的回转精度为０．０３ｍ，溜板移动直线度为０．１５ｍ／２００ｍｍ，最大可加工直径为φ８００ｍｍ，粗糙度Ｒａ＜０．００８ｍ，面型精度＜０．３ｍ／φ１００ｍｍ。

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“EquipmentManufacturingTechnologyNo.11，2012

另外，大连理工大学在软磨料砂轮超精密磨削技术方面取得了多项成果，对多种硬脆材料如蓝宝

ＫＤＰ晶体等进行了超精密表面光整加石、单晶硅、

工，其加工的单晶硅片表面粗糙度可达Ｒａ０．７ｎｍ。北京航天试验技术研究所在超低温球阀球体的精密加工方面取得了一定进展，对超精密研磨的工艺、磨料等进行了研究，采用超精密研磨方法加工的球体表面粗糙度达到了Ｒａ０．０１μｍ。

在ＣＣＯＳ技术方面，长春光机所研制了ＦＳＧＪ－Ⅰ、ＦＳＧＪ－Ⅱ、ＦＳＧＪ－Ⅲ等数控非球面加工中心，并利用ＦＳＧＪ－Ⅱ将一块６００ｍｍ×３００ｍｍ的ＳｉＣ离轴非球面反射镜加工到面形精度ＲＭＳ１３ｎｍ；国防科技大学于２００２年研制的集铣磨成型、研磨抛光、接触式检测于一体的光学非球面复合加工机床ＡＯＣＭＴ，将φ５００ｍｍ／ｆ３抛物面反射镜面形精度加工到了ＲＭＳ９．４ｎｍ［５］。

在ＭＲＦ技术方面，国防科技大学于２００６年研制了可加工１ｍ口径的ＭＲＦ设备ＫＤＭＲＦ－１０００，加工的一块φ２００ｍｍ／ｆ１．６的光学玻璃抛物面镜，获得

哈尔滨工业大学孙希威等［８］了ＲＭＳ０．００９λ的精度［５］；

利用ＭＲＦ加工了Ｒ４１．３ｍｍ、φ２０ｍｍ的Ｋ９光学玻璃球面，获得了表面粗糙度Ｒａ８．４ｎｍ、面形精度ＰＶ５７．９ｎｍ的表面。

国防科技大学还对ＩＢＦ技术进行了研究，于２００６年研制成具备非球面加工能力的ＩＢＦ设备ＫＤ－ＩＦＳ－５００，可加工的最大工件为φ５００ｍｍ，加工的平

球面和非球面的面形精度均达到纳米量级［９］。面、

此外，苏州大学对液体射流抛光（ＦＩＰ）技术进行了研究，利用ＦＪＰ技术将一块φ９０ｍｍ的非球面镜面形精度加工到了０．３６λ，表面粗糙度达到Ｒａ２．２５ｎｍ。哈尔滨工业大学对等离子抛光（ＣＶＭ）技术进行了研究，中国科学院成都光电所和南京天文光学技术研究所对应力盘抛光（ＳＬＰ）技术进行了研究［５］。

以上这些成果的取得，表明我国已经逐渐掌握了非球面光学零件的超精密加工技术，缩短了与世界发达国家的差距。但是我们也必须看到，国内非球面超精密加工技术的研究还是以大学和科研院所为

主，真正的商品化应用实例还不多，而国外的技术产业化比较好，多为大学与公司合作的形式，能够迅速将技术转化为生产力。另外，我国在超精密加工设备上自主开发能力薄弱、产品自动化水平低、可靠性

精度保持性差。差、

４结束语

对国内外非球面光学零件超精密加工技术、设备以及发展情况进行了分析和总结，在肯定国内非球面超精密加工技术取得巨大发展的同时，也指出了我们与国外先进水平仍有巨大差距。

非球面光学零件的超精密加工技术涉及面宽，经费投入量大，根据我国现有国情，建议我们建立以企业为主体，产学研相结合的技术体系，重点开展超

磨削和抛光技术的基础理论，超精密机床精密切削、

的关键技术、精度在线检测和误差补偿以及超精密加工材料等的研究。

参考文献：

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ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＮｏｎ－ＳｐｈｅｒｉｃａｌＯｐｔｉｃａｌＥｌｅｍｅｎｔｉｎＵｌｔｒａ－ＰｒｅｃｉｓｉｏｎＭａｃｈｉｎｉｎｇ

ＣＨＥＮＧＱｉｎｇ－ｘｉａｏ１，ＳＯＮＧＪｉａｎ１，ＷＡＮＧＰｅｎｇ－ｃｈａｏ２，ＬＵＬａｎ－ｑｉｎｇ１

（１．ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅＴｅｓｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００７４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｘｉ’ａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅＰｏｗｅｒＴｅｓｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ７１０１００，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｔｈｅｕｌｔｒａ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｎｏｎ－ｓｐｈｅｒｉｃａｌｏｐｔｉｃａｌｅｌｅｍｅｎｔｓ，

ｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄ，ｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔｔｈｅｇａｐｂｅｔｗｅｅｎＣｈｉｎａａｎｄｆｏｒｅｉｇｎａｄｖａｎｃｅｄｌｅｖｅｌ，ａｎｄｉｔｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｓｏｍｅｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓｆｏｒｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｕｌｔｒａ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｎｏｎ－ｓｐｈｅｒｉｃａｌｏｐｔｉｃａｌｅｌｅｍｅｎｔｓｉｎＣｈｉｎａ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎｏｎ－ｓｐｈｅｒｉｃａｌ；ｏｐｔｉｃａｌｅｌｅｍｅｎｔ；ｕｌｔｒａ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｍａｃｈｉｎｉｎｇ

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