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1、非球面加工工艺1第1页，本讲稿共21页材料去除法材料去除法是采用研磨、切削及能量束抛光等手段去除零是采用研磨、切削及能量束抛光等手段去除零件表面件表面 材料，使零件表面质量达到指标要求。该方法主要材料，使零件表面质量达到指标要求。该方法主要包括包括传统的研磨抛光法、单点金刚石车削和磨削、计算机传统的研磨抛光法、单点金刚石车削和磨削、计算机控制铣磨成形和研磨抛光控制铣磨成形和研磨抛光，根据抛光介质的不同又可分为，根据抛光介质的不同又可分为小工具、应力盘、离子束、等离子体辅助、磁流变和液体小工具、应力盘、离子束、等离子体辅助、磁流变和液体喷射抛光等。喷射抛光等。变形加工法变形加工法是用不同的方法是
2、材料产生应力变形而得到是用不同的方法是材料产生应力变形而得到所需非球面，主要包括所需非球面，主要包括应力变形、热沉降、热压成形和注应力变形、热沉降、热压成形和注射成形射成形等。等。附加材料法附加材料法是在光学元件的表面附加一层非均匀的材料，是在光学元件的表面附加一层非均匀的材料，使之形成所要求的非球面，主要有使之形成所要求的非球面，主要有真空沉积和复制成形法真空沉积和复制成形法等。等。非球面加工方法非球面加工方法非球面的非球面的加工方法加工方法按其特点按其特点可大致分可大致分成三类成三类：第2页，本讲稿共21页 二次非球面的光学性质二次非球面的光学性质数控研磨抛光技术数控研磨抛光技术 非球面的
3、评价指标（技术要求）非球面的评价指标（技术要求）研磨抛光非球面方式和设备研磨抛光非球面方式和设备 非球面研磨抛光工艺非球面研磨抛光工艺第3页，本讲稿共21页二次非球面的光学性质二次非球面的光学性质1.1.反射面反射面 二次非球面的反射面是由平面曲线围绕连接其几何焦点的轴二次非球面的反射面是由平面曲线围绕连接其几何焦点的轴线旋转而成的。线旋转而成的。假设点光源在几何焦点之一假设点光源在几何焦点之一F1F1处，则被非球面反射的所有光线都处，则被非球面反射的所有光线都严格交于第二个几何焦点严格交于第二个几何焦点F2F2，且，且F1F1和和F2F2是一对无像差点（即：光线是一对无像差点（即：光线以任何
4、角度入社时在该反射面上都不产生像差）以任何角度入社时在该反射面上都不产生像差）凹凹凹凹抛物抛物面镜面镜面镜面镜大型天文望远镜，在可见光以外的波段大型天文望远镜，在可见光以外的波段工作的物镜，探照灯反射镜等。工作的物镜，探照灯反射镜等。凹椭球面镜凹椭球面镜聚光镜，反射式物镜和望远镜的二次反射聚光镜，反射式物镜和望远镜的二次反射镜等。镜等。凹双曲线面镜凹双曲线面镜卡塞格林系统中的反射镜卡塞格林系统中的反射镜第4页，本讲稿共21页二次非球面的光学性质二次非球面的光学性质文字内容文字内容 偏心率偏心率e e基本几基本几何参数何参数子午曲线子午曲线顶点的曲顶点的曲率半径率半径R R0 0决定几何焦点决定
5、几何焦点相对于表面顶相对于表面顶点的位置点的位置.反射面反射面.折射面折射面第5页，本讲稿共21页实际非球面的评价指标实际非球面的评价指标表面轮廓度、光圈和局部光圈表示、表面轮廓度、光圈和局部光圈表示、Z Z值的允许偏差值的允许偏差D=DD=Di i-D-D0 0常用于消像差系统中的非球面检常用于消像差系统中的非球面检测测用来判断非球面的偏差用来判断非球面的偏差非球面系统像面上能分辨的最小线距离非球面系统像面上能分辨的最小线距离实际的非球面与理论曲面在实际的非球面与理论曲面在x x、y y方向上方向上的误差；特殊曲面的检测的误差；特殊曲面的检测第6页，本讲稿共21页实际非球面的评价指标实际非球
6、面的评价指标利用刀口仪的阴影图可定性判断非球面利用刀口仪的阴影图可定性判断非球面的面形精度的面形精度最大波相差最大波相差W Wmaxmax 非球面成像后实际波面相对于理想波面非球面成像后实际波面相对于理想波面的最大偏差数（用波长表示）的最大偏差数（用波长表示）陡度陡度S S限定长度内非球面面形与理论面形的偏限定长度内非球面面形与理论面形的偏离程度（是最大波相差的补充）离程度（是最大波相差的补充）哈特曼常数哈特曼常数T T中心误差、中心厚度、表面疵病允差和中心误差、中心厚度、表面疵病允差和表面粗糙度（和球面零件给定一样）表面粗糙度（和球面零件给定一样）第7页，本讲稿共21页非球面加工方法非球面加
7、工方法根据非球根据非球面光学零面光学零件的精度件的精度要求，非要求，非球面可大球面可大致为高精致为高精度、中等度、中等精度和低精度和低精度三类精度三类第8页，本讲稿共21页研磨抛光非球面方式和设备研磨抛光非球面方式和设备非球面研磨抛光方法是非球面加工最基本的方法（传非球面研磨抛光方法是非球面加工最基本的方法（传统的方法）：把零件研磨成最接近球面的形状统的方法）：把零件研磨成最接近球面的形状用机用机器或手工继续局部研磨或抛光，边加工边测量器或手工继续局部研磨或抛光，边加工边测量修磨出非修磨出非球面面形球面面形这种方法适用于大口径、非球面较小的非球面这种方法适用于大口径、非球面较小的非球面这种研磨
8、抛光修正法加工精度高，加工效率低，精这种研磨抛光修正法加工精度高，加工效率低，精度重复性差，只适用于单件或小批生产度重复性差，只适用于单件或小批生产数控研磨抛光技术数控研磨抛光技术第9页，本讲稿共21页数控研磨抛光技术数控研磨抛光技术粗磨修正成形粗磨修正成形精磨修正成形精磨修正成形抛光修正成形抛光修正成形全径口抛光修正成形全径口抛光修正成形研磨抛光研磨抛光修正方式修正方式 非球面表面和最接近比较球面在沿光轴方向上的最大非球面表面和最接近比较球面在沿光轴方向上的最大偏差值，偏差值，。研磨抛光法加工非球面除了考虑最大非球面外，还要研磨抛光法加工非球面除了考虑最大非球面外，还要和具体的设备相关，一般
9、专门非球面加工设备有仿形成和具体的设备相关，一般专门非球面加工设备有仿形成机床，采用这种设备加工非球面称为仿形成形法。机床，采用这种设备加工非球面称为仿形成形法。第10页，本讲稿共21页数控研磨抛光技术数控研磨抛光技术抛光非球面抛光非球面粗磨、粗磨、精磨精磨机机第11页，本讲稿共21页研磨抛光法关键点研磨抛光法关键点关键：研磨的起始球面确定关键：研磨的起始球面确定无论采用何种研磨抛光法加工非球面，通常都是先加无论采用何种研磨抛光法加工非球面，通常都是先加工出一个起始球面，它是通过非球面最接近工出一个起始球面，它是通过非球面最接近 比较球比较球面来确定的一个研磨起始球面，然后修磨此球面的各面来确
10、定的一个研磨起始球面，然后修磨此球面的各带成为一个非球面。带成为一个非球面。是非球面的最大非球面；实际加工工艺中还要考虑是非球面的最大非球面；实际加工工艺中还要考虑加工余量。加工余量。数控研磨抛光技术数控研磨抛光技术第12页，本讲稿共21页自动定中心自动定中心磨边磨边数控研磨抛光技术数控研磨抛光技术依零件图依零件图选择原材料选择原材料 非球面研磨抛光法工艺流程非球面研磨抛光法工艺流程切断（计算切断（计算切割余量）切割余量）滚圆、滚滚圆、滚边（倒角）边（倒角）起始球起始球面粗磨面粗磨非球面精非球面精磨和抛光磨和抛光检验面形检验面形精度、鉴别率、精度、鉴别率、面形误差面形误差清洗清洗外观检验外观检
11、验包装（入库包装（入库或下道工序）或下道工序）第13页，本讲稿共21页起始球面的粗磨起始球面的粗磨起始球面的粗磨起始球面的粗磨 起始球面曲率半径，毛坯准备、粗磨工艺、测量方法同球起始球面曲率半径，毛坯准备、粗磨工艺、测量方法同球面加工，粗磨完后留有适当的精磨余量面加工，粗磨完后留有适当的精磨余量非球面的精磨非球面的精磨非球面的精磨非球面的精磨 精磨是修改非球面的主要工序（采用手工和机器修精磨是修改非球面的主要工序（采用手工和机器修磨）磨）精磨方法精磨方法、精磨磨具精磨磨具、精磨检验精磨检验非球面抛光非球面抛光非球面抛光非球面抛光 抛光磨具抛光磨具、二次非球面的研磨抛光、二次非球面的研磨抛光要点
12、要点 非球面研磨加工工艺非球面研磨加工工艺非球面研磨加工工艺非球面研磨加工工艺 非球面的毛坯一般定制成球面透镜形状，通常情况：非球面的毛坯一般定制成球面透镜形状，通常情况：起始球面粗磨开始起始球面粗磨开始 修改起始球面，改成非球面修改起始球面，改成非球面 数控研磨抛光技术数控研磨抛光技术第14页，本讲稿共21页 精磨磨具精磨磨具数控研磨抛光技术数控研磨抛光技术 静磨磨具修改面形静磨磨具修改面形的原理，是基于磨具的原理，是基于磨具工作表面相对于非球工作表面相对于非球面不同带区有不同接面不同带区有不同接触面积，产生不均匀触面积，产生不均匀磨损。磨损。单块静磨磨单块静磨磨具具整盘静磨整盘静磨磨具磨具
13、精磨磨具的选择精磨磨具的选择要依据加工非球要依据加工非球面的类型、面度面的类型、面度大小和精度而定。大小和精度而定。第15页，本讲稿共21页 精磨前调整零件轴线与机床主轴轴线重合，对于面形精精磨前调整零件轴线与机床主轴轴线重合，对于面形精度越高的零件来说，同轴度要求越高度越高的零件来说，同轴度要求越高 精磨非球面时，一般先修磨非球面度最大、带宽最宽的精磨非球面时，一般先修磨非球面度最大、带宽最宽的部位，此时尽可能地减少磨和球面接近的部位部位，此时尽可能地减少磨和球面接近的部位可以保持可以保持曲面平滑曲面平滑数控研磨抛光技术数控研磨抛光技术 精磨注意事项精磨注意事项！第16页，本讲稿共21页 精
14、磨非球面时通常多采用金属样板、千分表球径计、线精磨非球面时通常多采用金属样板、千分表球径计、线条板法等进行检验。其具体方法的选择，通常依据非球面面条板法等进行检验。其具体方法的选择，通常依据非球面面形的精度要求和非球面度的大小而定。形的精度要求和非球面度的大小而定。.面形精度低、非球面度大的（如低精度和最大非球面度面形精度低、非球面度大的（如低精度和最大非球面度在零点几毫米以上的）：除采用金属样板粗步检验外，还需在零点几毫米以上的）：除采用金属样板粗步检验外，还需要用千分表球径计或线条样板进行检验要用千分表球径计或线条样板进行检验.非球面度较小的零件，静磨后仍为球面：用球面光学样非球面度较小的
15、零件，静磨后仍为球面：用球面光学样板或球径仪检验板或球径仪检验精磨检验精磨检验数控研磨抛光技术数控研磨抛光技术第17页，本讲稿共21页 非球面的抛光非球面的抛光（1 1）抛光磨具）抛光磨具整盘抛光磨具；局部抛光磨具整盘抛光磨具；局部抛光磨具数控研磨抛光技术数控研磨抛光技术(a)(a)常用抛光模具常用抛光模具 (b)(b)带充气腔抛光模具带充气腔抛光模具 (c)(c)带套箍抛光模具带套箍抛光模具.整盘抛光磨具整盘抛光磨具第18页，本讲稿共21页 气囊抛光磨具加工零件通常边缘较差，采用气囊抛光磨具加工零件通常边缘较差，采用气压抛光零件气压抛光零件夹具夹具，可以保证非球面零件的正确定位和提高面形的加
16、工精，可以保证非球面零件的正确定位和提高面形的加工精度度.局部抛光磨具局部抛光磨具气压抛光零件夹具气压抛光零件夹具 局部抛光模具局部抛光模具11抛光柏油；抛光柏油；22泡沫塑料或毛毡；泡沫塑料或毛毡；33模具座。模具座。数控研磨抛光技术数控研磨抛光技术第19页，本讲稿共21页 直接用来修改非球面面形的抛光磨具，外径一般和被加直接用来修改非球面面形的抛光磨具，外径一般和被加工零件外径相同，工作表面曲率半径为被加工球面的最接工零件外径相同，工作表面曲率半径为被加工球面的最接近球面曲率半径。近球面曲率半径。常见的表面形状：常见的表面形状：（2 2）修改面形的抛光磨具）修改面形的抛光磨具数控研磨抛光技术数控研磨抛光技术（3 3）二次非球面的研磨抛光要点）二次非球面的研磨抛光要点第20页，本讲稿共21页Thank you!古之立大事者，古之立大事者，不惟有超世之才不惟有超世之才,亦必有坚忍不拔之志亦必有坚忍不拔之志.第21页，本讲稿共21页