透镜的抛光学习.pptx

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1、抛光的目的消除精磨的破坏层，达到规定的表面要求；精修面形，达到图纸要求的光圈数N N和局部误差；为后续特种工艺创造条件。第1页/共108页第一节 玻璃的抛光机理机械磨削抛光表面的起伏现象；当磨料很细时，精磨也能将玻璃抛光；抛光玻璃重量明显减轻；抛光效率与抛光剂颗粒大小有关系；抛光效率与速度、压力有关系。第2页/共108页化学作用水对玻璃的作用；抛光模材料的化学作用；抛光剂的化学作用；抛光液PHPH值的影响；添加剂的化学作用；玻璃的化学作用。第3页/共108页表面流动理论玻璃表面分子的流动而掩盖了划痕；抛光表面刻痕的腐蚀再现现象;抛去玻璃的重量与抛去玻璃的厚度不对应；软化点高的玻璃，抛光效率低。

2、第4页/共108页 第二节 光圈的识别与度量(光学零件的样板检验)第5页/共108页光圈是照相物镜的孔径光阑，用以调节进入照相机光通量的大小，通常用F数来表示。F数=镜头的焦距/镜头口径。F数越小，光圈越大。第6页/共108页面形如何检验？第7页/共108页方案之1 1：球径仪测量曲率半径第8页/共108页方案之2:2:轮廓仪测量面形第9页/共108页 光学零件的表面精度是与光学样板比较而鉴别出来的光圈检验。第10页/共108页一、光学样板检验原理等厚干涉第11页/共108页（一）曲率半径偏差(用N N来表示)低光圈 被检光学表面与标准样板在边缘部位接触时产生的光圈。高光圈 被检光学表面与标准

3、样板在中心部位接触时产生的光圈。第12页/共108页光圈数与曲率半径偏差的关系第13页/共108页（二）像散偏差(用1 1N N来表示)表明被检光学表面在相互垂直方向上的曲率半径对参考光学表面的曲率半径的偏差不相等。第14页/共108页（三）局部偏差(用2 2N N来表示)被检光学表面局部区域相对于参考光学表面的偏差。中心低中心高塌边翘边第15页/共108页二、光圈的识别规定1 1：当样板与工件在中心接触，出现的是高光圈；如果两者在边缘接触，出现的是低光圈。规定2 2：低光圈为负，高光圈为正。第16页/共108页（一）高低光圈的识别1 1、周边加压法低光圈：条纹从边缘向中心移动；高光圈：条纹从

4、中心向边缘移动。第17页/共108页2 2、一侧加压法低光圈：条纹弯曲的凹向背着加压点；高光圈：条纹弯曲的凹向朝着加压点。第18页/共108页3 3、色序法低光圈：中心到边缘色序为“蓝、红、黄”；高光圈：中心到边缘色序为“黄、红、蓝”。第19页/共108页（二）像散光圈的识别N1N1时光圈呈椭圆形；N N1 1时光圈在两垂直方向上弯曲程度不同。第20页/共108页（三）局部光圈的识别中心低：条纹局部的弯曲凹向背向加压点第21页/共108页中心高：条纹局部的弯曲凹向朝着加压点。第22页/共108页塌边：条纹边缘部位塌向加压点；第23页/共108页翘边：条纹边缘部位翘离加压点。第24页/共108页

5、三、光圈的度量（一）光圈数的度量（二）像散光圈的度量（三）局部光圈的度量第25页/共108页（一）光圈数的度量N N 1 1时：有效检验范围内，直径方向上最多条纹数的一半；N N1 1时：通过直径方向上干涉条纹的弯曲量与条纹间距的比值。第26页/共108页N N 1 1的情况第27页/共108页N N1 1的情况第28页/共108页（二）像散光圈1 1N N的度量以两个相互垂直方向上光圈数的最大代数差的绝对值来度量。第29页/共108页椭圆形像散光圈第30页/共108页马鞍形像散光圈第31页/共108页柱形像散光圈第32页/共108页N N1 1的像散光圈第33页/共108页（三）局部光圈2

6、2N N的度量 以局部不规则干涉条纹对理想平滑干涉条纹的偏离量与条纹间距比值来表示。中心局部偏差边缘局部偏差中心与边缘均有局部偏差弓形光圈的度量第34页/共108页1.1.中心局部偏差第35页/共108页2.2.边缘局部偏差第36页/共108页3.3.中心与边缘均有局部偏差第37页/共108页4.4.弓形光圈的度量按照最小原则确定局部光圈数，再给光圈定性第38页/共108页 例例 检验透镜的检验透镜的面形时，看到以面形时，看到以下光圈：下光圈：1 1、试分析光圈的、试分析光圈的性质（包括高低，性质（包括高低，中心和边缘情况）中心和边缘情况）。2 2、计算光圈数和、计算光圈数和局部光圈的值。局部

7、光圈的值。第39页/共108页5.无规律性光圈的度量规定光圈数 N N 以半径范围内存在条纹最大数来度量。第40页/共108页（四）光圈检验的其他问题光圈数与光源波长的关系第41页/共108页小样板检验大零件（）图纸上对工件提出的光圈要求用小样板检验所允许的光圈数零件的直径样板的直径面形偏差归属的判断（相对移动法）第42页/共108页第三节 高速抛光工艺一、准球心法高速抛光工艺第43页/共108页1、准球心法高速抛光机床的特点上环节的摆架带动抛光模或镜盘作弧线摆动，摆动轴线通过下环节的曲率中心，且压力的方向始终指向镜盘的曲率中心，在加工中为恒定值。主轴转速高、抛光压力大、抛光液自动循环。采用塑

8、料抛光模。自动加压和抛光液自动供给。第44页/共108页项目平面摆动抛光准球心抛光速度较高高压力小（弹簧压力和工件轴自重）大（气压）摆动方式平面摆绕球心摆加工精度高高效率较高高第45页/共108页古典法抛光准球心法抛光第46页/共108页2、准球心法抛光的优势生产效率高均匀抛光使用范围用于中等尺寸、中等精度光学零件的批量生产对室温要求不严格减轻劳动强度机床体积小，操作简单，易于掌握第47页/共108页3、对高速抛光模的要求微孔结构；耐热性强；耐磨性好；弹性、塑性、柔韧性；硬度。第48页/共108页4、抛光模材料热固性树脂（合成高分子材料）固着磨料抛光模热塑性树脂（天然高分子材料）目前常用抛光材

9、料：柏油混合抛光模、古马龙混合抛光模、环氧树脂抛光模、聚氨酯塑料切片第49页/共108页5 5、工艺因素对准球心法高速抛光的影响准球心问题：球心调整误差2mm抛光速度和压力：线性关系对精磨的要求：较大的凹凸层和较小的裂纹层深度抛光液：粒度均匀一致；浓度10%-15%；温度3038；PH值呈中性或偏酸性。抛光温度：30-38第50页/共108页二、固着磨料高速抛光工艺1、特点：不需要加抛光液，只需自动加冷却液抛光模面形稳定性好抛光效率高改善了卫生环境加工余量小2、抛光模：由抛光片按余弦磨损或均匀磨损排列而成结合剂和抛光粉两部分组成第51页/共108页3 3、工艺因数的讨论1）速度和压力2）对精磨

10、的要求3）对抛光液的要求4）抛光时间曲率半径曲率半径/mm/mm10120120最大线速度最大线速度/(m/s)/(m/s)1 12 22 26 63 37 75 51010压力压力/10/104 4PaPa1.51.53 31 13 30.70.72 20.50.51.51.5曲率半径曲率半径/mm/mm10120120加工时间加工时间/min/min2 23 32 25 53 37 75 58 8第52页/共108页4、抛光的加工余量加工余量与表面粗糙度有关：原始表面粗糙度原始表面粗糙度原始表面粗糙度原始表面粗糙度R Ra a(m)(m)加工余量（加工余量（加工余量（加工余量（m m m

11、m）小于小于小于小于0.010.010.003-0.0050.003-0.005大于大于大于大于0.010.010.005-0.010.005-0.01第53页/共108页5、抛光模的修改第54页/共108页6、常见疵病及产生原因1）划痕抛光片混料不匀或有异物；抛光片与玻璃不匹配；抛光片钝化；冷却液不清洁；冷却液温度偏低；精磨遗留的划痕；光圈匹配不当；镜盘与抛光模径向跳动大。第55页/共108页2）麻点抛光片抛光作用差；超精磨面质量差；抛光时间不够；光圈匹配不当第56页/共108页3）光圈不稳定抛光片耐磨性差；排列不合适；镜盘与磨盘的摆幅不合适；覆盖比太小或压力太大；冷却液温度太高；超精磨面的

12、光圈误差太大。4）光圈不规则抛光模不规则；抛光时间不够，未能消除超精磨遗留的局部误差；压力太大。第57页/共108页第四节 古典法抛光工艺古典法抛光：用于加工品种多、批量小的零件、加工精度高。高速抛光：用于大批量、中低精度零件的加工。第58页/共108页古典法抛光和高速抛光的比较抛光设备不同抛光模不同胶盘方法不同抛光液的供给不同加工精度不同古典法：N=0.1-1；Ra=0.4-1nm高速抛光：N=3-5；Ra=10nm对操作人员的要求不同第59页/共108页一、机床（研磨-抛光机）四轴抛光机第60页/共108页第61页/共108页二、抛光模组成抛光模层（抛光柏油、古马龙树脂、柏油和羊毛混合毛毡

13、等）基体第62页/共108页要求:平面抛光模应略为凸形（光学零件抛光后一般要求低光圈）。球面抛光模的半径也要考虑低光圈的要求。Rpjt=Rb（凹抛光模取正；凸抛光模取负号）第63页/共108页第64页/共108页三、工艺因数对古典法抛光的影响精磨的影响抛光对精磨表面结构的要求是：较大的凹凸层深度和较小的裂纹层深度，同时凹凸层深度以不大于裂纹层深度为限度。抛光模的几何形状一般情况下，样板检验的抛光模光圈高低与工件相反。第65页/共108页抛光模材料和基体的影响材料硬度适中；基体曲率合适。抛光剂的影响抛光粉的硬度与玻璃硬度、抛光模硬度、抛光压力相适应抛光剂的浓度抛光液的PH值抛光液供给量第66页/

14、共108页粘结材料和粘结模的影响速度和压力的影响温度的影响温度对抛光模的影响温度对粘结胶的影响温度对工件的影响第67页/共108页 因素 水平A A磨头转速磨头转速(r/min)(r/min)B B工轴转速工轴转速 (r/min)(r/min)C C磨削压力磨削压力()D D吃刀深度吃刀深度(mm)(mm)110008400.42200016600.633000301000.8最佳工艺条件存在于以下组合中:A1B1C1D1;A1B1C1D2;A1B1C1D3;A1B1C2D1;A1B1C2D2;A1B1C2D3;A1B1C3D1;例：多因素多水平问题的处理方法正交实验设计第68页/共108页正

15、交实验 Factor LevelA A磨头转速磨头转速r/minr/minB B工轴转速工轴转速 r/minr/minC C磨削压力磨削压力D D吃刀深度吃刀深度mmmm11000(A1)8(B1)100(C3)0.6(D2)22000(A2)8(B1)40(C1)0.4(D1)33000(A3)8(B1)60(C2)0.8(D3)41000(A1)16(B2)60(C2)0.4(D1)52000(A2)16(B2)100(C3)0.8(D3)63000(A3)16(B2)40(C1)0.6(D2)71000(A1)30(B3)40(C1)0.8(D3)82000(A2)30(B3)60(C2

16、)0.6(D2)93000(A3)30(B3)100(C3)0.4(D1)第69页/共108页正交实验 A A磨头转速磨头转速(r/min(r/minB B工轴转速工轴转速 (r/min(r/minC C磨削压力磨削压力()D D吃刀深度吃刀深度(mm)(mm)（nmnm）11000(A1)1000(A1)8(B1)8(B1)100(C3)100(C3)0.6(D2)0.6(D2)45.245.222000(A2)2000(A2)8(B1)8(B1)40(C1)40(C1)0.4(D1)0.4(D1)63.363.333000(A3)3000(A3)8(B1)8(B1)60(C2)60(C2)

17、0.8(D3)0.8(D3)58.658.641000(A1)1000(A1)16(B2)16(B2)60(C2)60(C2)0.4(D1)0.4(D1)51.451.452000(A2)2000(A2)16(B2)16(B2)100(C3)100(C3)0.8(D3)0.8(D3)63.863.863000(A3)3000(A3)16(B2)16(B2)40(C1)40(C1)0.6(D2)0.6(D2)61.861.871000(A1)1000(A1)30(B3)30(B3)40(C1)40(C1)0.8(D3)0.8(D3)63.763.782000(A2)2000(A2)30(B3)3

18、0(B3)60(C2)60(C2)0.6(D2)0.6(D2)64.864.893000(A3)3000(A3)30(B3)30(B3)100(C3)100(C3)0.4(D1)0.4(D1)75.375.3Level 1:=45.2+51.4+63.7=160.3Level 2:=63.3+63.8+64.8=191.9Level 3:=58.6+61.8+75.3=195.7第70页/共108页实验结果水平水平粗糙度粗糙度磨头转速磨头转速 工轴转速工轴转速 磨削压力磨削压力 吃刀深度吃刀深度1 12 23 3160.3160.3167.1167.1188.8188.8190190191.9

19、191.9177177174.8174.8171.8171.8195.7195.7203.8203.8184.3184.3186.1186.1级差级差35.435.436.736.7141418.218.2第71页/共108页第72页/共108页四、光圈的修正实际生产中，由于各种工艺因数的影响，使得加工的工件面形超出了规定的要求。因此在抛光过程中，要修改光圈。第73页/共108页五、古典法抛光常见疵病及产生原因1.划痕抛光粉粒度不均匀或混有大颗粒的机械杂质；抛光模不干净或太硬；抛光模与镜盘吻合不好；抛光模使用时间太久，表面起硬壳；擦布不干净；清洗时擦伤；精磨遗留的划痕未抛掉；检查光圈时擦伤；工

20、房环境不整洁。第74页/共108页2.麻点抛光时间不够；精磨时间不充分；零件走动；精磨面形误差大，尤其是偏高，易形成边缘抛光不充分。第75页/共108页3.印迹玻璃化学稳定性不好；水珠、抛光液等未及时擦净。4.光圈变形粘结力不合适；光圈未稳定即下盘。第76页/共108页六、零件的下盘1、加热下盘法：适用于松香、蜂蜡（或石蜡）混合胶粘结的镜片；2、冷冻下盘法：平面镜的浮胶法，透镜或棱镜的弹性胶法；3、局部加热法下盘：光胶零件，用酒精灯加热零件局部使之脱开；4、敲击下盘：石膏盘、弹性上盘、浮胶、光胶等。第77页/共108页第五节 超光滑表面抛光技术第78页/共108页超光滑表面 超光滑表面通常是指

21、表面粗糙度小于1nm(rms)的表面，或表面晶格结构完好，无缺陷的表面，与之相对应的加工技术称为超光滑表面加工技术。第79页/共108页超光滑表面的主要应用1.以强激光、短波光学等为代表的工程光学领域。高能量激光器的发展和应用，要求谐振腔具有光滑表面（激光聚变系统）；紫外光学系统、X射线光学系统等，对表面粗糙度要求越来越高。2.以磁记录头等器件为主的电子工业领域。第80页/共108页3.空间光学天文卫星、X光望远镜、激光陀螺4.集成电路基板集成电路的硅片和CCD基片要求表面的物理完整性5.大容量光盘光盘容量的扩大要求盘基具有极小的粗糙度第81页/共108页超光滑表面加工技术机理1.以机械磨削去

22、除为主的超光滑表面加工技术。2.采用化学方法进行表面去除，实现无破坏层超光滑表面加工。3.以物理“碰撞”方法将工件以原子量级去除量去除，实现超光滑表面加工。第82页/共108页1.浴法抛光即水中抛光（Bowl-Feed Polishing）方法，简称BFP方法。浴法抛光加工超光滑表面可分为两个阶段：（1）获取较高面形；（2）获得超光滑表面。改好面形停止搅拌抛光液清澈续抛10-15分改好面形清洗液槽清水抛光第83页/共108页特点：工件和抛光模的温升小，工件热变形和抛光模的热塑性流动极小。可以采用纯沥青做抛光模。抛光时使用非常细的抛光粉和很小的压力，最后阶段可以用稀释的抛光液或清水进行抛光。适用

23、于玻璃和晶体，抛光石英玻璃表面粗糙度为0.27nm（古典法为0.96nm），抛光硅片为0.6nm.第84页/共108页几种材料浴法抛光的结果材料材料磨料磨料粗糙度粗糙度/埃埃F4Al2O3(Sol 200A)10BK-76Duran50硼硅酸玻璃硼硅酸玻璃5.3Herasil熔石英熔石英5.5Homosil熔石英熔石英3.3晶体石英晶体石英4.4Zerodur M2.5第85页/共108页2.聚四氟乙烯抛光特点：抗老化、耐磨损、可长时间保持面形；可用传统抛光和浴法抛光。其核心在于抛光盘的制作：基底的准备抛光层制作抛光盘修整第86页/共108页材料材料磨料及抛光方式磨料及抛光方式粗糙度粗糙度/埃

24、埃F4F4CeO2，传统抛光4.1Al2O3(超级-Sol 200A)，浴法抛光7.6BK-7BK-7光学玻璃光学玻璃CeO2，传统抛光6.9Al2O3(特殊超级-Sol)，浴法抛光0.9Duran50Duran50硼硅酸玻璃硼硅酸玻璃CeO2，传统抛光7Al2O3(特殊超级-Sol)，浴法抛光1.6HerasilHerasil熔石英熔石英CeO2，传统抛光4.3Al2O3(超级-Sol 200A)，浴法抛光3.4HomosilHomosil熔石英熔石英CeO2，传统抛光4Al2O3(特殊超级-Sol)，浴法抛光3.2晶体石英晶体石英Al2O3(特殊超级-Sol)，浴法抛光2.3Zerodur

25、 MZerodur MCeO2，传统抛光4.3Al2O3(特殊超级-Sol)，浴法抛光2.4氧化镁氧化镁SiO2，浴法抛光1.8TiO2，浴法抛光1.2氟化钙氟化钙SiO2，浴法抛光1.1铌酸锂铌酸锂SiO2，浴法抛光1.1硅硅SiO2，浴法抛光0.7Al2O3(特殊超级-Sol)，浴法抛光3.0第87页/共108页3.浮法抛光以锡盘为抛光盘，浴法加工，主轴转速快，是目前超光滑表面加工技术中，表面粗糙度最小的方法，可小于0.2（rms）。锡抛光盘的制作是浮法抛光的关键，工件需要预先抛光到一定程度。第88页/共108页特点：使用比普通抛光时用的柏油或树脂更硬的材料（锡）做抛光模；在抛光模和被抛光

26、面之间保持有厚度为数倍于磨料颗粒尺寸的液体层；工件与抛光模之间的相对速度很大，达到1.52.5m/s。第89页/共108页4.磁流变抛光磁流变抛光技术实质上是一种计算机控制小磨头抛光抛光技术，其磨头是由磁流变抛光液在磁场作用下形成的“柔性”磨头，其形状和硬度可以由磁场实时控制。磁流变抛光液在磁场作用下形成的“柔性”磨头，其形状和硬度可以有磁场实时控制。通过对工件各个带区在抛光区滞留时间的控制便可控制去除量，进而修改整个面形。第90页/共108页第91页/共108页磁流变抛光的关键环节：磁流变抛光液。要求无磁场时流动性好，有磁场时流变性好，硬度变的很大而且响应快。对磁性抛光头的各种参数要能准确控

27、制。第92页/共108页5.等离子体辅助抛光等离子体辅助抛光（PACE）是一种利用化学反应来去除表面材料而实现抛光的方法。抛光机理：也是一种计算机控制小磨头抛光抛光技术，此时的抛光头是由气体在RF激励作用下产生的活性等离子体组成。活性等离子体与工件表面物质发生化学反应，生成易挥发的混合气体，从而将工件表面材料去除。第93页/共108页几种材料及其抛光气体和化学反应式材料材料 抛光气体抛光气体反应方程式反应方程式石英石英CF4SiO2+CF4-SiF4+CO2SiCNF3SiC+NF3-SiFx+CFyBeCl2Be+Cl2-BeCl2第94页/共108页PACE抛光的特点工件不受机械压力，无相

28、应的机械变形和损伤无亚表面损伤无污染、工件边缘无畸变材料去除率控制精度高应用范围广，加工球面和非球面难易程度相当。第95页/共108页6.离子束抛光离子束抛光用被加速的离子与工件表面原子核直接产生弹性碰撞，将能量直接传给工件材料的原子，使其逸出表面从而将材料去除。第96页/共108页离子束抛光的特点：离子抛光去除材料的最小单位是原子，所以理论上可以获得高的加工精度。可以加工球面、平面和非球面；可以加工的材料多，玻璃、石英、陶瓷、晶体、半导体材料、不锈钢等。表面不出现变形和产生应力及裂纹等缺陷。设备复杂、价格昂贵，需要采用电子计算机、高精度干涉仪、高真空装置等设备。第97页/共108页离子束抛光

29、流程初抛光干涉仪检验测出面形误差矩阵确定离子束位置和停留时间离子束加工结束第98页/共108页7.磨料弹性溅射抛光（弹性发射加工）基本思想：用细颗粒磨料与工件表面进行碰撞，如果其应力场的大小比材料原先存在的缺陷之间的距离还要小的话，就能产生晶格数量级的弹性破坏，以至不会留下产生弹性变形的表层。第99页/共108页特点：与浮法抛光的差别在于采用比较软的聚氨脂转动球作为抛光模。与浮法抛光的相似之处是：在球抛光模与工件表面保持液体层，此层的厚度要比磨料颗粒尺寸大得多；工件和抛光模的相对速度很大，大3m/s；工件和抛光模的压力非常大，达到500kPa，大约高出浮法抛光3个数量级。第100页/共108页

30、超光滑表面粗糙度的测量1.接触式测量可测平面、凸面、凹面、非球面触针为金刚石探头分辨能力为几个纳米移动头中装有两个干涉仪第101页/共108页2.非接触式测量一、干涉法由显微镜、干涉仪、成像传感器、中间接口和微计算机等构成。采用迈克尔逊干涉仪（美国WYKO公司）采用诺马斯基干涉仪（美国ZYGO公司）第102页/共108页二、临界角法变位测量原理：当试样表面位于物镜的焦点位置时，通过物镜的反射光成为平行光束入射到临界角棱镜上；如试样表面位置发生变化，通过物镜的光线成为发散或会聚光入射到临界角棱镜上。采用光电器件可以感知到这种变化。第103页/共108页三、用扫描隧道显微镜（STM）测量表面粗糙度式中，Jt为隧道电流；z为探针与试样表面的距离；为电压；h为普朗克常数；m为电子质量；是功函数；e为电子电荷。第104页/共108页作业:1.计算图示零件的光圈数N和局部光圈2N。第105页/共108页2.欲加工一直径为52mm、曲率半径R=291mm的平凸透镜。抛光凸面后，用波长632.8nm激光检验时看到如图所示光圈。当周边加压时，条纹从边缘向中心移动。求加工零件实际的曲率是多少？第106页/共108页3.采用一侧加压法用样板检验光学零件表面时，在相互垂直的两个方向上光圈如图所示。计算光圈数N和象散光圈1N。2.481.810A第107页/共108页感谢您的观看！第108页/共108页