光学零件加工技术邬建生二 00 四年元月（整理）目录一、统研磨抛光与高速研磨抛光特点二、准球心法和传统法比较三、切削工序的要求四、粗磨工序的要求五、如何保持粗磨皿表曲率半径的精度六、修磨皿的技巧七、影响抛光的因素八、抛光剂（研磨粉）的影响九、研磨皮及选择十、传统加工要求十一、计算公式十二、光圈识别与修整措施十三、机床的选择十四、机床的调整十五、超声清洗原理十六、品质异常分析步骤十七、工艺规程的设计光学零件的加工，分为热加工、冷加工和特种加工，热加工目前多采用于光学零件的坯料备制；冷加工是以散粒磨料或固着磨料进行锯切、粗磨、精磨、抛光和定心磨边。

特种加工仅改变抛光表面的性能，而不改变光学零件的形状和尺寸，它包括镀膜、刻度、照相和胶合等。

冷加工各工序的主要任务是：粗磨（切削）工序：是使零件具有基本准确的几何形状和尺寸。

精磨（粗磨）工序：是使零件加工到规定的尺寸和要求，作好抛光准备。

抛光（精磨）工序：是使零件表面光亮并达到要求的光学精度。

定心工序：是相对于光轴加工透镜的外圆。

胶合工序：是将不同的光学零件胶合在一起，使其达到光轴重合或按一定方向转折。

球面光学零件现行加工技术三大基本工序为：1、范成法原理的铣磨（切削）2、压力转移原理的高速粗磨3、压力转移原理的高速抛光。

范成法原理的铣磨（切削），虽然加工效率较高，但其影响误差的因素较多，达到较高精度和较粗糙度较困难。

压力转移原理的准球心高速粗磨和高速抛光，零件受力较均匀，加工效率也较高，但必须预先准确修整磨（模）具的面形，才能保证零件的面形精度。

准确修整面形精度需要操作者的经验和技巧，而且需反复修整。

一、传统研磨与高速研磨特点1. 传统研磨传统研磨也叫古典研磨，它是一种历史悠久的加工方法其主要特点是：（1）采用普通研磨机床或手工操作；（2）要求人员技术水平较高；（3）研磨材料多采用散砂（研磨砂）抛光沥青（4）抛光剂是用氧化铈或氧化铁；（5）压力用加荷重方法实现虽然这种方法效率低 , 但加工精度较高所以，目前仍被采用。

2. 高速研磨抛光一般是指准球心法（或称弧线摆动法）。

其主要特点是：（1）采用高速、高压和更有效的利用抛光模，大大提高了抛光效率（2 ）压力头围绕球心做弧线摆动，工作压力始终指向球心，也是靠球模成型的。

3. 范成法准球心法对机床的精度要求较低 , 加工方法和传统法相近，易于实现，用的较广；范成法对机床精度及调整要求较高，目前很少采用。

二、准球心法和传统法较1. 准球心法抛光模（或镜盘）绕镜盘（或抛光模）的曲率中心作弧线摆动，而压力方向始终对准球心，因此镜盘所承受的是恒压，给均匀抛光创造了条件。

2. 传统法是平面摆动，重压块垂直加压，其压力随摆角而变化，因而容易造成不均匀抛光。

加压采用弹簧或气压方式，力比较恒定 .平稳。

而传统研磨抛光法用重压块加压，体积大，振动大。

三、球面研磨对镜盘的考虑1. 镜盘张角不宜过大，以便于光圈稳定，在多行的镜盘中，张角不宜大于140 °；对于三块镜片一盘，若超过 140°影响也不大。

2. 弹性上盘能承受高速研磨中的高速高压，但镜盘必须装得正。

刚性上盘1.胶球模轴向定位基准要符合，切削、粗磨厚度控制的基准面以及高速研磨中准球心所需要的基准面（假如镜盘装在主轴上）2.承座（定位孔）轴线与球面法线重合、深度一致；3. 曲率半径与被粘结面曲率半径要合理4. 承座（定位孔）与胶球模轴向基准面间的相对尺寸一致，并有消气孔5. 粘结胶程度足够；粘结面积足够；粘结温度合适。

三、对切削工序的要求一是切削出的球面面形要规则，曲率半径要达到工艺规定的公差范围；二是表面粗糙度要符合粗磨的要求；三是要去除一定的余量，保证将毛坯杂质层去除干净。

如果镜片抛光后合格率降低，检查切削面的面形精度也许会找出问题的症结。

1.切削设备精度工件轴全跳动：3um磨轮轴全跳动：3um工件轴母线精度 : 1um工件轴移动精度 : 3um工件、磨轮轴面等轴度： 1um对球面来讲，既不产生非球面度，同表面又不会产生超菊花纹和过深碎裂层。

四、粗磨工序的要求获得合理的粗磨表面结构对精磨过是极其重要的 ,它直接影响着精磨效率及其加工质量。

粗磨表面的性质可由宏观的和微观的表面不规则性来表示。

宏观不规则性是由磨削过程中磨具的偏差引起的 ,在精磨中通过选择合适的抛光模材料能大大减少这种宏观不规则性。

微观不规则性是由玻璃磨削的本质决定的。

1.表面结构对精磨过程的影响玻璃磨削后留下凹凸层和裂纹层，抛光工序的效率就取决于这两层的性质。

一般的错误概念是认为抛光时粗磨表面的凹凸层越小越好，这是忽略了粗磨表面的微观结构对抛光过程的作用。

抛光模，特别是热固性塑料模，在抛光过程中易于钝化而失去抛光能力。

而凹凸层有利于减少或消除这种钝化现象。

抛光过程基本上可分成两个阶段，第一阶段去除凹凸层，第二阶段去除裂纹层。

第一阶段开始时，抛光模和玻璃的凹凸层顶峰接触，压强很大，而凹谷为抛光液进入整个表面又提供了良好的条件，因此抛光十分迅速。

随着抛光过程的继续，接触面积增大，压强减小，抛光液的附着能力降低，使抛光过程减慢。

当抛光面达到裂纹层时，玻璃表面同抛光模表面全部接触，抛光过程趋于稳定缓慢，而抛光模开始钝化，抛光继续，钝化加剧，抛光效率进一步下降。

钝化程度随过程的持续时间而定，而持续时间直接决定于裂纹层的深度。

这个凹凸层厚度的最佳值主要由抛光模材料的性质，以及与这个材料配合使用的抛光剂而定，其他因素还有主轴转速、压力和抛光液的进入能力等。

采用不同的粗磨方法，或者在同一方法中随磨具的钝化程度、冷却的润滑状态不同，所得的裂纹层也不同。

实践证明，用钝化了的金刚石磨具加工的工件，虽然凹凸层较小，但裂纹层却很深。

因此，不光要考虑凹凸层对抛光的影响，同时也要把裂纹层的深度作为粗磨工序的重要指标来考虑。

五、如何保持粗磨皿表面曲率半径的精度？粗磨是用磨皿与镜片面接触的方式进行。

虽然，磨皿表面的曲率半径在开始使用时是修改得很好的，但是随着镜片的磨削，磨皿也在不断磨损，逐渐地就不一定能保证镜片的加工精度。

保持粗磨皿曲率半径不变或少变，就应采取：1.合理选择工治具凡是位于上面的治具总要比下面治具的尺寸小，这是因为上面治具要摆动的关系。

假如上面治具尺寸与下面治具的尺寸相同，上面治具的边缘磨削机会太少，上面治具有翘边的趋势。

假如上面治具尺寸比下面治具的尺寸小得太多，超过了规定的数据，上面治具在摆动过程中，其边缘不露出来，上面治具的边缘会磨损过甚，上面治具有塌边的趋势。

假如上面治具尺寸比下面治具的尺寸大，则在摆动时，下面治具的边缘露出的机会又会太少，下面治具的边缘磨损过甚，下面治具有塌边的趋势。

六、修磨皿的技巧在修凹的磨皿时，镜片光圈细（偏负），则应多磨削凹磨皿的中心部分。

若凸凹对修，应将凸在下，凹在上，摆幅要大，约为凹磨的 1/2 。

镜片光圈粗（偏正），则应多磨削凹的磨皿边缘部分。

若凸凹对修，应将凹在下，凸在上，摆幅要大，约为凸磨的 1/3 。

在修凸的磨皿时，镜片光圈细（偏负），则应多磨削凹的磨皿边缘部分。

若凸凹对修，应将凸在下，凹在上，摆幅要大，约为凹磨的 1/2 。

镜片光圈粗（偏正），则应多磨削凸磨皿的中心部分。

若凸凹对修，应将凹在下，凸在上，摆幅要大，约为凸磨的 1/3 。

10 °, 右摆 40°。

七、影响抛光的因素抛光的结果好坏受许多因素影响：工件的粗糙度空气的温度及相对湿度空气含尘量玻璃种类零件大小1.零件与治具大小比列2.抛光剂的性质3. 工作轴转速4. 摆动的频率、摆幅及摆幅中心位置5. 抛光面的温度、压力6. 抛光剂的输入量及温度八、抛光剂（研磨粉）的影响研磨粉对不同类型的光学材料 ,或光学材料相同但表面质量要求不同的光学零件有着不同的影响。

研磨粉的不同制法和不同的工艺处理，以及它的物理性能，对研磨效率有很大的影响，不同制法的氧化铁其结晶结构不同，其研磨能力不同；不同制法的氧化铈，其研磨效率不同 , 相同制法而得的研磨粉，经过烧制工艺处理后 ,其研磨能力比未经过烧制工艺处理的高。

研磨粉颗粒的硬度应与玻璃的硬度、研磨皮的硬度、研磨压力等相适应。

硬度太大会在玻璃表面产生擦痕，硬度太低会将低研磨效率。

（1）研磨液的浓度对于氧化铁（红粉）研磨液，采用氧化铁与水的重量之比为1： 3 ~ 1：4。

对于氧化铈（黄粉、白粉）研磨液，采用氧化铈与水的重量之比为 1：5 或稍稀。

研磨液的浓度与理想值不符，将导致研磨效率的降低。

当浓度过高时，研磨效率反而降低，因为水量不足，导致热量难以散发。

过多的研磨粉堆积在玻璃表面上，研磨压力不能有效地挥作用。

当浓度过低时，则表面温度下降，同时减少微小切削作用。

（2）研磨液的供给量在一定工艺条件下，使研磨效率最高所需的研磨液用量，为研磨液的适中量。

研磨时保持适中的研磨液供给量。

抛光液参数液温低易起划痕，过高易使抛光层变形，一般控制在 30~38 C之间，流量为 900~1000L/min ， PH 值为 3~9 。

研磨液供给量太小，不利于机械磨削和散热；研磨液供给量过大时，则表面温度下降，不利与化学作用，同时使吻合度变差。

（ 3）研磨液的 PH 值不同类型的光学玻璃对研磨液的 PH 值要求不同的。

一般情况下氧化铁研磨液为中性（ PH=7 ）；化铈研磨液略偏酸（ PH=6~6.5 ）为好用。

光学研磨中，添加在研磨液中能够改变研磨工艺性能的物质，称为添加剂。

使玻璃稳定，减少对腐蚀的敏感，从而进一步改善光学表面质量的，称为稳定剂。

添加剂对氧化铁研磨液，能提高研磨效率和改善光学表面质量的添加剂：硝酸锌［Zn（NO3）2］、硫酸锌［ZNS04］、氯化镍［NICL3］、氯化铁［FECL3］等。

对于氧化铈研磨液，能提高研磨率和改善光学表面质量的添加剂：硝酸铈铵［（NH4）2CE（NO3）6］、硫酸锌［ZNS04］。

添加剂的加入量不是任意的，每一种添加剂对于不同品位的抛光粉，不同类型的光学玻璃都有其理想的加入量。

影响表面光洁度的因素镜片边缘有砂眼一种是因为细磨后光圈高（正），当中间已抛亮时，边缘尚有砂眼，另外，当镜片发生“走动”时，也会引起边缘有砂眼。

镜片中间有砂眼另一种是因为细磨后光圈低得太多，边缘已抛亮中间尚未抛到，镜片“走动”也会有可能造成镜片中间有砂眼。

镜片表面有粗砂眼则往往是细磨不充分所造成。

抛光过程中有时会在镜片表面产生油斑似的东西，这与玻璃的化学稳定性、抛光粉的性能、抛光模得到吻合情况有关，可以在抛光粉悬浮液中加少量硫酸锌加以消除（约每升6克）。

在用原器（样板）检验镜片表面光圈时，如果没有仔细地将原器（样板）和镜片表面擦干净，也容易使镜片表面受到损伤。

九、研磨皮及选择抛光模：聚氨酯（聚氨基甲酸乙酯），按使用的原料不同，分为聚醚型和聚酯型。