第４０卷第５期 ２０１７年ｌ０月 长春理工大学学报《自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＣｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｖｏ１．４０ Ｎｏ．５ ０ｅｔ．２０１７ ＿＿＿ －．－－ Ｃｊ 同 精度柱面镜／ｍ－ｒ技术研究 张馨心，贾宗合，付秀华 （长春理工大学光电工程学院，长春１３００２２） 摘要：光学柱面镜在强激光系统和同步辐射光束中有着广泛的应用，对柱面镜的精度要求也越来越高。采用传统光学表 面成型技术与数控加工设备相结合的工艺方法对柱面镜进行加工。根据精磨时工件表面粗糙度与材料去除率随研磨时间的 变化规律，确定了最佳的研磨时间，并通过对研磨液在不同浓度、温度时材料去除率的研究，优化了抛光的工艺参数。通 过反复的加工和检测分析，得到满足光学系统要求的柱面镜，经过轮廓仪检测，柱面透镜能够达到ＰＶ＜０．１３５８ｇｍ。 关键词：柱面透镜；面形精度；柱面研磨；母线 中图分类号：ＴＨ７０６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—９８７０（２０１７）０５～００２１—０４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｃｙｌｈ，Ｌｅｎｓ ＺＨＡＮＧ Ｘｉｎｘｉｎ．ＪＩＡ Ｚｏｎｇｈｅ。ＦＵ Ｘｉｕｈｕａ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００２２） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｌｅｎｓ ｈａｓ ａ ｗｉｄｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｌａｓｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｙｎｃｈｒｏ—— ｔｒｏｎ ｒａｄｉａｔｉｏｎ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｌｅｎｓ ｗｉｌｌ ｎｅｅｄ ｔｏ ｂｅ ｈｉｇｈ．Ｔｈｅ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｌｅｎｓ ｉｓ ｍａｃｈｉｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｌｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ ＣＮＣ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｒｔｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｍｏｖａｌ ｒａｔｅ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌ，ｗｅ ｈａｖｅ ｎｏ ｄｏｕｂｔｓ ｗｈａｔ ｏｕｒ ｏｐｔｉｍａｌ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｔｉｍｅ ｉｓ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｗｅ ｂａｓｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｒｅｍｏｖａｌ ｒａｔｅ ｏｆ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｆｌｕｉｄ ｏｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｒｅｐｅａｔｅｄｌｙ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ａｎｄ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｗｅ ｇｅｔ ｔｈｅ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｌｅｎｓ ｔｈａｔ ｓａｔｉｓｆｉｅｓ ｔｈｅ ｒｅ－－ ｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ａｆｔｅｒ ｃｏｎｔｏｕｒｇｒａｐｈ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｌｅｎｓ ｉｓ ａｂｌｅ ｔｏ ｒｅａｃｈ Ｒｔ＜０．１３５８ｇｍ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａ１］ｅｒｌｓｅｓ；ｓｕｒｆａｃｅ ａｃｃｕｒａｃｙ；ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｇｒｉｎｄｉｎｇ；ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｌｉｎｅ 光学元件的用途在不断拓展，普通的球面和平 面镜不能满足光学成像的需求，柱面镜作为非球面 １柱面镜的技术参数与实验设备 透镜中的特例，其与子午、弧矢截面的交线分别为两 １．１柱面镜的技术参数 圆弧的交线与两平行的直线，两截面成像性质若分 柱面镜的技术参数如表ｌ所示。 别用球面系统来描述，则一个截面有光焦度，而另一 表１柱面镜的技术参数 截面是无光焦度的，因此具有特殊光学性能的柱面 元件与球面元件相比有着无可比拟的优势，更多的 应用在军用及民用的领域中。因此，近年来柱面元 件的加工制造技术也受到了越来越多的关注。 本文针对柱面镜工艺复杂、高精度难加工、检测 技术参数 尺寸（ｒａｍ） 指标 ７０ｘ４０ Ｒ＝ｌ２９．７５ｍｍ 加工顶点半径 样板检验 光圈数２，局部光圈：０．５ ＰＶ Ｏ．１６ｇｍ 难度大等特点，采用传统加工方法与数控多轴机床 加工相结合的方法，通过先进的光学检测设备进行 检测，从而获得高精度的柱面镜。 收稿日期：２０１７－０９－２５ 轮廓仪检验 干涉仪检验 半径公差要求 ＲＭＳ １／１０Ｘ Ｒ ±０．１ｍｍ 作者简介：张馨心（１９９２－），女，硕士研究生，Ｅ—ｍａｉｌ：６４５８８７７６７＠ｑｑ．ｃｏｎ ｒ通讯作者：付秀华（１９６３－），女，博士，教授，Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｏｐｔｌｃｓ＠１２６．ｃｏｒｎ ２２ 长春理工大学学报（自然科学版） １．２柱面镜加工原理 精度和表面粗糙度的工序 。目前常用的粗磨方法 刚石磨具的铣削工艺虽然机械化程度高，但在加工 三大基本ｌＴ序ｎ ：粗磨、精磨和抛光。在加工过程中 过程中无法达到传统的手工操作对柱面镜的精度控 需要对各步骤进行严格的控制，才能保证工件达到 制，传统工艺技术成熟，可以更好的控制柱面偏心误 面型高精度的要求。 差、柱面曲率半径和表面粗糙度 ，故本文选用传统 柱面镜的加工受到多个因素的影响，在加工的 工艺对柱面镜进行粗磨。 过程中，工件在单位时间内的去除量可以用Ｐｒｅｓｔｏｎ 采用ＤＩＦＦＳＹＳ Ｖｅｒｓｉｏｎ软件进行模拟仿真，得 方程 描述，即加工时材料的去除量与该接触点的 光学元件从毛坯到透明的光学表面，需要经过 分为传统的手工操作和金刚石磨具的铣削加工，金 压强、相对线速度以及停留时间成正比： ＝ 出 （１） 式中， 为工件去除量； 为磨粒与工件的相对速 度； 为磨粒与工件的相对压力； 为Ｐｒｅｓｔｏｎ常数。 在Ｐｒｅｓｔｏｎ方程中，将磨料本身的特性、工件本 身的特性、磨料与工件发生作用时的因数等归为常 数七，主要包含以下因素： （１）在加工过程中的磨料与工件的相互作用。 当把被加工区域近似缩小到一点时，可以认为磨粒 与工件的作用参数是常数。其中磨粒与工件撞击时 的角度对加工效果影响最大，当磨粒与加工表面垂 直或水平撞击时，加工效果最差。因此，Ｐｒｅｓｔｏｎ系 数Ｋ 可以表示为： Ｋ１＝Ｉ厂（ ） 式中，ｆ（Ｏ）是磨粒与工件碰撞角度 的函数。依据 上文分析，可以将ｆ（Ｏ）简化为常数，即： ｆ（Ｏ）＝｛ ＝喊ｏｏ＠ ９ｏｏ （２）磨粒与工件的特性，包括磨料颗粒的大小和 硬度以及被加工工件的硬度等。当磨料颗粒的硬度 远大于被加工工件的硬度时，工件表面为软性表面， 此时的磨削效果好；而当被加工工件的硬度大于磨 料颗粒硬度时，磨削效果差 。引人硬度比 ， 为磨粒硬度Ｈ，与被加工工件硬度 的比值， 即 Ｈｆ 因此Ｐｒｅｓｔｏｎ系数Ｋ２可以表示为Ｋｅ＝ＫａＤ（ ）＝ Ｈ ｆＤ （ｄｒ）——，式中Ｄ（ｄｆ）为磨粒直径函数，则ＰｒｅｓｔＯｎ 』ｌＰ 常数走＝Ｋ１Ｋｚ。 ２柱面镜加工工艺的研究 ２．１柱面镜的粗磨 粗磨是将毛坯加工成具有一定几何形状、尺寸 到柱面镜加工的起始数据，通过粗磨后柱面面型整 体呈现中心高，边缘低的倒Ｖ字形，与理想形状一 致，研磨后的实际精度为９．２３ｐｍ，满足要求，如图１ 所示。 ｛； 图１粗屠后面形图 ２．２柱面镜的精磨 精磨是为了保证柱面镜在抛光前的面型精度、 尺寸精度和表面粗糙度 ］，因此精磨对抛光的影响 是非常重要的。 本文选择ＡＳＭ１Ｏ０ＣＮＣ数控铣磨机对工件进 行精磨，采用双轴平行蝶形砂轮进行磨削加工，在加 工过程中研磨时间的把握十分重要，研磨时间过短， 工件表面的粗糙度无法得到保障，放置时间过长，降 低了工件的加工效率，同时加大了砂轮的损耗 。 在实验过程，对研磨时间为５０ｓ、１００ｓ、３００ｓ、５００ｓ、 １０００ｓ的实验结果测试并分析，如图２所示。 —６ 玻璃表面粗糙度—ａ一玻璃去除效率 图２工件表面粗糙度和去除效率与研磨时间关系图 由图可知：随着研磨时间的增加，表面粗糙度逐 渐变小，最后达到一定值；去除效率随着研磨时间逐 第５期 』『长锋心，等：高精度札 镜ＪＪ【ｌ『 技术研究 ２３ 渐降低。通过实验得到研磨时问为６００ｓ时，精磨效 果最佳，精磨的 Ｌ件表面精度为１．９１０１ｇｍ。观察铣 磨后零件无划痕，表面粗糙度达到要求，如图３所 不。 图３精磨后面。形图 ２．３抛光液的研究 抛光是得到光学表面最重要的步骤，在抛光过 程中，抛光液的选择是至关重要的，根据光学玻璃的 属性选择合适的抛光液，才能在抛光过程中达到事 半功倍的效果 ｊ。根据材料性质，本文选用法国 ＣＥＲ（）Ｘ １６６３氧化铈抛光粉，属于立方晶系的一 种，颗粒外形为多边形，棱角分明，抛光能力强而且 污染小。在抛光过程中要严格控制抛光液的温度和 浓度。 （１）抛光液温度 抛光液温度对抛光效率的影响十分重要，温度 过低会影响抛光液分子中的活化能，反之则使抛光 液挥发过快，同时过高的温度会对Ｔ件的面型造成 影响。抛光液在不同温度下的去除效率如 ４所 刀 ． ０（ ０（）（）５ 一／ 一皇０ＯＯ４ …一 … —０００３ 器 ０ ００２ ／ ＼ ｌ 、 ０ Ｏ０ｌ ０ ２Ｕ ｊＵ ） ４０ 抛光液温度／。Ｃ 图４抛光液在不同温度下去除率对比 纠４可知，抛光液在３ｏ（Ｉｔ：Ｉ＂去除效率达到峰 值，温度继续升高去除效率下降，所以抛光温度控制 ３５ （２）抛光液浓度 抛光液浓度影响１ 件的抛光效率，通过对５％、 ｌ０％、２０％浓度的抛光液进行实验分析，实验结果如 【殳１ ５所示。 抛光散耀发 图５抛光液在不同浓度去除率对比 由图５可知抛光液浓度为５％时，表面粗糙度较 高且去除效率低。当浓度为２０％时，去除效率升高 儿表面粗糙度下降，这是由于浓度升高时，抛光液中 的有效磨粒增多，抛光粉粒子与 ’厂件更多接触，抛光 效率提升并且粗糙度下降。但过高的浓度反而会对 抛光效率和表面粗糙度起反作用。 ２＿４柱面镜抛光工艺的研究 柱面镜加Ｔ存在Ｔ艺复杂、加Ｔ难、检测难度高 等问题。柱面镜的母线平行度偏差和面型的光圈数 是衡量柱面镜精度的重要参数。，也是加Ｔ过程中 最难控制的参数，传统抛光方法多采用散料磨粒研 磨或者金刚石铣磨的方法，在加Ｔ过程中难以保证 母线的平行度，本文在加工过程巾通过对抛光模、摆 幅与台面行程、外部压力等参数的调整，实现对母线 平行度偏差和光圈数的控制。 （１）抛光模的修正 抛光模的修改，主要是根据柱面镜母线、光圈的 误差，在抛光模适当的部位选择性修刮、开槽。沟槽 的深浅程度，主要根据母线、光圈误差的大小进行调 整 抛光盘设计示意图 抛光盘实物图 图６柱面镜抛光盘示意图 修改母线、光圈的过程中。抛光盘的胶层厚度 需 达到既耐用同时保证工艺要求，胶层过厚会导 致胶盘的弹性增大，通过实验，抛光胶层厚度最好控 制存 毫米左右比较合适。另外，在抛光过程巾，抛 光蕊经过小断地修刮、开槽，会使胶层逐渐地减溥， Ｌ， 度减到ｌ毫米以下，并且零件表面光洁度又显 长春理¨１ 大学学报（一然利学版） 嚣：下降叫 ，说 抛光擞的胶』 过薄，需要重新修止模 文通过列。ｊ匕学玻璃柱向镜加丁Ｔ艺进行研究， 大 经过抛光实验，卡６１据 ， 修ｌＥ规律设计了抛光 量Ｔ艺实验的糕础 研究并优化了柱面镜的加 Ｔ 。通过轮廓仪愉测， 断的反馈并多次改进ＪＪｌＩ 模的 ，如图６所刁 （２）摆 与行程对面 稠１ 线的影响 １－Ｉ 艺，抛光过 ｒｆ］¨Ｊ‘以随时修改抛光盘，加¨Ｉ 的 通过调节抛光机的摆幅大小与台面行程的尺寸 零件ＰＶ值干¨ＲＭＳ值较小，大大提高零件精度 从 而获得高精度的 精瞍和表面质 ｉ １，使其应川ｔ 埘 透镜的母线、光圈进行修ｉｉＥ。本文所用的ｌ 件 型是 而状， 什麻该摆放 磨盘上方，即一ｒ 件 光学系统巾，大大提高＿ｒ光学系统成像质量 随着 磨搬 ¨、ｆ， ｛增大摆幅，１ 什中心去除量增加， 减少摆幅，１＿件边缘去除 多，从而可以修正 柱而 镜的面 ．． ，ｌ 仲行程ＪＪＩ１｝＜＝后，ｒ件中心去除量多； ｛行程减短后，ｒ＿ｆ个边缘 除 多“ 。 ３测试结果 本史采川泰勒一霍普森Ｐ（；Ｉ－１２４０型号非球面 轮廓柃洲仪通过人Ｉ 手抛的 式埘工件进行预抛 光，然 通过控制 牛 力，使 件在预抛光完成后 面 收敛较怏 使川轮廓仪对最终面型测试，结果 ｛ｎｊ罔７所永、 图７最终面形图 己件最终而 精度Ｉ，Ｖ值为０．１３５８￣ｍ，半径值 为ｌ２９．７１０８ ）匕沽度为Ⅲ级，各项数据均达到元件 他用要求 零件下盘后ｆ涉仪检测值为０．５６５，ｌ， ＲＭＳ值为（）．０６９，ｌ同样满足使川要求。ＺＹＧ（）干涉 ｆ 如『殳】８所示 图８ ＺＹＧＯ激光干涉仪检测图 ４ 结论 杞面镜的心ｊＨ ｆ 一泛，但传统加＿１ 方法存存 ＪＪＩ１＿『 效率低、次 率高、 控制难度高等缺点，本 挂 元件的厂‘泛Ｊ、 川，挂面镜加ｒ成为各 父注的 核心技术之一．优化ｆ 艺流程、改善面形精度、缩姗 加］ 时间、提离＂ｋ Ｊ ：效率是柱而加１＿产、ｌ 所 发展 的， 】ｌ 参考文献 ｌ１］蔡立，耿素杰，付秀牛光学零件加１＿技术【Ｍ］．北京：兵 器 …版孔，２００６：７０－７４． ［１］刘冬梅，郑爽，付秀华．等．高精度小口径非球面加 艺研究［Ｊ】＿长春婵＿ｒ大学学报：Ａ然科学版，２０１３，３６ （Ｚ１）：２４ ２７ ［２］赵艇，付秀华，贾宗合 晶硅柱面反射镜的加Ｉ 检 测＿’Ｉ］．长春理ｒ 大学学报：向然科学版，２０１３，３６（Ｚ２）： ９８－１００． ［３］ 李同，董中，张景和，等．大型非球曲 超精密复合加 机床［Ｊ］．纳米技术与精密Ｔ程，２００６，４（１）：７５—７８ ［４］张学军，张厶峰，余景池，等．ＦＳＧＪ １非球面自动加Ｉ 及在线检测系统［Ｊ］．光学精密Ｔ程，１９９７，４（２）：７１ ７７ ［５］谢影，付秀华，贤宗合，等．高次非球面做品玻璃元件的 抛光工艺研究［ Ｉ＿．长春理工大学学报：自然科学版． ２（）ｌ２．３５（４）：３４－３７ ［６ｊ 张彦超，付秀华，贸宗合，等．非球面制造ｌｆ１的加 吴 修正补偿ｌＪ Ｊ．Ｋ存 ｌ 夫学学报：自然科学版，２０１５．３８ （１）：ｌ３—１６＋２０． ［７］付秀华．叶斯彳吁．贾宗合，等非球面反馈补偿铣磨抛光 及１ 艺参数优化ｌＪｊ．长备理工大学学报：自然科学版， ２０１３．３６（Ｚ２）：９－ｌ２ ［８ Ｊ刘建河， 黎｝』ｉｊ．…符 料高速研磨的天键技术研究 ［Ｊ］．长存理ｒ火学学报：自然科学版，２０１２，３５（４）： ８４ ９０． １９ Ｊ Ｓｒｅｅｎｉｖａｓａｎ Ｖ，Ｖｅ Ｒａｍｅｓｈ Ｓ，Ｇｅｏｒｇｅ Ｒｏｎｎｉｅ，ｅｌ ａｌ Ｆｒｏｓｔｅｄ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｌｅｎｓ ｉｎｄｕｃｅｄ ａｒｌｅｆａｃｔ ｏｎ Ｉ ｔｕｒｎ ｐｈｒｅｙ ａｕｔｏｍａｔｅｄ ｐｅｒｉｍｅｔｒｙ［Ｊ］．Ｃｌｉｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｘｐ； Ｉｒ ｍｅｎｔａｌ（）ｐｉｏｍｅｔｒｙ，２（）（）Ｇ，８９（１）：２６ ２９． ［１０］Ｐａｕｌ Ｒ．Ｙ｛｝｛ｔｅｒ，Ｊｒ（）ｐｌｏ—ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ ｄｅｓｉｇｎ． ｔｈｉｒｄ ｅｄｉｉｔｏｎ［Ｍ １． ｌ＇ａｙｌｏｒ ａｎｄ Ｆｒａｎｃｉｓ．２（）０５：７０～㈨ ｌ １ １ Ｊ Ａｂｏｕｅｌａｔｌａ（）１ｊ，Ｍａｄｌ Ｊ Ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ Ｉ）ｒｅｄｉｃ ｌｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｕｔｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｔｏｏｌ ｖｉｌ：）ｒａ—— ｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｕｒｎｉｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ［Ｊ］Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．２００１．１１８（６ ：２６９—２７７．