光学冷加工的基础介绍

光学冷加工的基础介绍摘要：本文介绍了光学冷加工的含义、特点并简单介绍了相关的一些产品，机器及其图形，本文详细论述了光学冷加工的加工过程（以球面透镜的加工为例）以及当前我国光学冷加工所存在的问题和提出了发展对策，并指出光学冷加工工艺对社会的重要性。关键词：光学冷加工，球形透镜，毛坯加工，抛光。Abstract:ThisarticledescribesthemeaningandthecharacteristicsoftheopticalcoldProcessing,introducinganumberofrelatedproducts,machineryandgraphics,briefly.Thepaperalsodiscussestheprocesscoldopticsindetails(sphericallensprocessingasanexample)，andreferstothequestionsinourcountry’sopticalcoldProcessing,Includingthemethodofdevelopment,theimportanceoftheopticalcoldProcessingtechnologyisalsopointedout.一、光学冷加工的含义光学仪器制造已是一门古老的工程技术，照相机、望远镜及其显微镜等各种光学仪器中的光学零件(透镜，棱镜等)在加工过程中，不产生高温及高温反映或高温现象而又可以达到通过高温热加工的加工效果就称为“光学冷加工”。下面是几种光学冷加工的产品：二、光学冷加工的特点1、光学冷加工与一般的机械加工有根本的区别，这些差别是由被加工材料的性能特殊及零件要求特别高的精度和光洁度所决定的.由于零件是以玻璃为原材料，它具有很高的硬度和脆性，因此，必须用比玻璃还硬的金刚砂或金刚钻来加工玻璃。2、光学冷加工的另一特点就是夹持方式。在金属加工中，工件主要是用卡盘等机械夹具来夹固的，而在光学冷加工的细磨抛光等主要工序中，却不能采用这种夹具。一方面：由于玻璃的脆性而不允许采用这种方法，另一方面：由于光学零件要求相当高的精度，如果采用机械夹紧方法，常会使零件在夹紧时产生变形，即使在加工过程中加工得非常完美，但在松开夹具后，又由于零件恢复变形而破坏了所要求的精度。所以，光学零件在细磨、抛光前须用粘结物粘贴在金属模盘上而组成“镜盘”。由于光学零件要求极高的表面精度和光洁度，因此，在设计一个光学车间时，除了考虑一般的条件外，还应特别注意环境的防尘及恒温。光学加工的特点很多，在此不多赘述，有些特点将在下述加工过程中加以介绍．三、光学冷加工的加工过程以球面透镜的加工为例，球面透镜式样如图下：透镜、平面镜，尤其是棱镜的形状多样，它们的加工工艺不能完全介绍，在此，以球面透镜的加工为例．透镜通常是圆形的，由两个球面的折射面所组成。其加工过程，基本由以下三部分组成，即:毛坯加工、成形加工、昀终加工。光学冷加工主要工艺流程如下图1.毛坯加工：挑选玻璃压制毛坯开料滚圆定心磨边粗磨细磨抛光镀膜胶合毛坯加工成形加工昀终加工目前由玻璃厂供应给光学车间的玻璃基本有两类，一类是块状玻璃，一类是压型毛坯。在应用块状玻璃时，为了获得所要求的毛坯形状，必须经过开料、滚圆等工序。开料:用镶有金刚钻的锯片在开料机上把大块玻璃切割成具有一定厚度的薄片，并依次将薄片切割成一定宽度的长条及方形的小薄块。滚圆:由于透镜毛坯要求是圆形的，在批量生产，还须把这些小方块的正方形面互相胶合起来进行“倒角”和“滚圆”。所谓“倒角’，就是把胶合的正方形柱体在研磨机的平面铁模上，用金刚砂和水的混合液把四边形磨成八边形、十六边形，并逐渐滚成圆柱体，其后半道工序就称为“滚圆”。把滚圆后的柱体稍微加热使固胶熔化，可得到许多所要求的圆形毛坯。2.零件的成形加工将毛坯加工到符合图纸要求的外形尺寸及表面光洁度，是光学冷加工中的主要部分，又包括:粗磨、细磨、抛光、定心磨边等工序。粗磨:光学零件的粗磨是从毛坯上磨去余量，使其接近图纸所要求的形状、尺寸，为下道工序—细磨做准备。粗磨过程过去是手工操作，加工时，手持玻璃毛坯，并加一定的压力与模子接触，一边在玻璃与铁模间不断加入水与金刚砂的混合液，一边不断地将零件转动，并在模子表面作往复移动，通过磨料对玻璃表面的磨削来完成零件的粗磨。随着加工技术的发展，对透镜的研磨进行了改革，在专用的透镜铣磨机上，用杯状的金刚石砂轮来铣磨透镜。图1为透镜铣磨原理图，透镜被真空吸盘或弹簧夹具夹持在工件轴上作低速转动，金刚石砂轮固定在工具轴上，作反方向的高速旋转，并沿着轴向进给，通过砂轮对玻璃的磨削而形成球面。图中a)为加工凸透镜的情况，b)为加工凹透镜的情况。由图可见，通过工件轴与工具轴的夹角a的调整，可加工出不同曲率半径R的球面透镜。加工到给定的余量后机床能自动停车，它不仅使粗磨工序实现了机械化，而且使加工效率提高了20—30倍。在完成对透镜第一个表面的粗磨后，用同样的方法对另一个面进行相应的加工。然后进入下一工序的进程-细磨细磨:粗磨后的零件是比较粗糙的，它的几何形状与图纸要求还有一定距离，必须经过细磨、抛光后才能达到外形尺寸和表面光洁度的要求。粗略地讲，细磨与粗磨的区别在于细磨时所用磨料的粒度要比粗磨时细(在实际操作时，由粗磨，细磨，分别都得更换好几次不同粒度的磨料)。为了使加工能经济合理，在细磨时常把一定数量的零件用粘结胶粘贴在铁模上进行成盘加工。是采用由两个传动环节组成的机械装置，其下环节为主轴旋转机构，上环节为拨杆运动机构。加工时，有时把镜盘放在下环节的主轴上，模具放在镜盘上，由拨杆拨动而完成一个复杂的机械运动，有时则相反，视具体情况而定。此外，把镜盘细磨后经过清洗就直接进行下道工序的加工—抛光，然后把抛光了的表面镀保护层，镜盘，清洗后再进行另一面的细磨、抛光。抛光:经过细磨的零件已基本达到规定的外形尺寸，虽然其表面已经很细，也相当平滑，但还是比较粗糙的，光线还是不能理想地通过各折射面。抛光的作用就是对这些极微小的不平滑表面进行加工，使零件成为透明。从运动的角度来看，抛光与细磨是相互的，因此，它们是采用同一类型的机器，但所用的磨料及模子有很大的变化。抛光时是用比玻璃还软的氧化钵或红粉等抛光剂来代替金刚砂磨料。模子的铸铁表面不直接与玻璃接触，而是浇有一层沥青、松香等就混合物，通常称为“抛光模”或“腊板”。在其表面开有沟槽，使在抛光时能贮存一定数量的抛光剂。抛光时将抛光模表面与镜盘的被加工表面互相吻合，并在两表面间不断地加抛光剂溶液，从而把玻璃表面抛亮。下面是几种磨抛机：：定心磨边:抛光后透镜的光轴(两个球面中心的连线)与透镜的几何轴(对透镜边缘等距的中心线)是偏离的，它的边缘厚度是不相等的。如果透镜的几何轴与其光轴偏离(简称为偏心)，则装配到镜筒后就会影响成像质量，因此，抛光后的零件须进行定心磨边。目前常用的定心方法有光学定心及机械定心两种，采用光学定心时，先把透镜粘在可旋转的中心接头上，借助光学装置来调整透镜在中心接头上的位置，使透镜的光轴与中心接头的回转轴一致，然后用金刚石砂轮把透镜的边缘磨到规定的外径，以获得光轴与机械轴一致的透镜，用这种对心方法，精度可达5微米左右。机械定心法是先把透镜夹在两个按相同方向旋转的中心接头中旋转，由透镜的离心力而使透镜自动定心，然后由中心接头将透镜压紧，用金刚石砂轮磨边。定心精度是由机床及中心接头轴线的重合精度而定，目前精度为10微米左右，适合于大批量、中等精度零件的生产。3.零件的昀终加工透镜在定心磨边后已达到图纸所要求的全部外形尺寸，但还不能说已达到了全部技术要求，往往对透镜、反光镜等还须进行镀膜、胶合等其它昀终加工。镀膜:光学仪器往往由许多透镜组成，由于玻璃表面对光线的散射及玻璃本身对光线的吸收，会使光线的亮度在通过光学系统后遭到损失，从而影响成象质量。因此在仪器的设计、制作中，除尽量减少光学零件数和用与玻璃的折射率相近的透明树脂把玻璃表面互相胶合起来以减少散射光外，还采用镀透光膜的方法来减少散射光。此外，尚有提高反光镜表面反射率的反光膜、半透明半反射的析光膜、抗蚀保护膜等。目前镀膜的方法很多，主要有化学镀膜和真空镀膜两类。胶合:除镀膜外，有些零件还要求把两块或三块透镜互相胶合。胶合时，先在专用装置上固定中心使得各透镜的光轴互相重合，然后用透明树脂胶合在一起。下面是两种胶合产品：上图2为胶合晶体。下图3为球面胶合透镜图2图3零件的检验:光学零件加工完毕后(包括镀膜工序在内)，在送交装配前，必须对光学表面进行工序检验。对抛光后的零件，主要是检查其表面光洁度，即根据零件的等级要求，检查其疵病的数量和尺寸，这里的疵病是指零件表面的麻点、划痕、开口、破口和气泡而言。关于膜层的检验，除了光学特性要求外，对它的化学稳定性、机械强度及热稳定性等都有相应的技术要求。通过检验，认为是合格的零件，就可送交下道工序进行装校。四、所存在的问题光学加工实力及存在问题我们将在下面分析一下我国光学加工行业的实力和存在问题。光学加工手段，随着光电行业的发展，进入二十一世纪后，有较大发展和充实。光学加工工业存在的主要问题如下：a.光电事业有了很大发展，研制出不少具有世界先进水平的产品。产品虽然研制出来，但是投入批量生产却很难。其主要原因是产品设计和工艺设计脱钩，配合不当。我们在工艺上的研究还很浅，在光学加工方面还没有形成一个完整的工艺体系。b.生产手段是对生产力影响的重要因素。制造水平低是和设备有关的。光学加工设备的数量不均衡是一个原因，而更重要的是很多设备加工效率低，精度差，有30%以上的设备上仿苏设备和国产设备，国产设备原型机多为日本和韩国设备，其中一部分设备根本没有投入生产。而从现有的设备和检测仪器看：不能满足发展的需求。c.多年来，我国光学行业沿袭着一种不正常的观念。即：重视产品设计和研究的技术人员，而从事工艺设计和制造技术人员却得不到足够的重视。这样，从事工艺科研的人员减少，从而影响了加工水平的提高。d.近年来，很多光学厂进行了改造，但在光学加工技术引进和技术改造方面的项目还不多，同时，国有企业在这方面的投入很不够，没有一定的投资强度，就不可能形成强有力的生产基础，达到预期的产出目的。五、历史的回顾我国光学仪器的加工技术，虽然有较长历史但形成批量生产并具有完整的工艺是在新中国成立后。光学冷加工工艺在解放前虽然已有所采用，但缺乏完整性。解放后经过光学行业各方面人士及职工的努力，方逐步形成了较完善的加工方法。五十年代初期，光学行业的设备陈旧，工艺落后。进入第一个五年计划后，加工工艺主要是采用“苏联”的工艺，设备也是由苏联引的和按“苏联”图纸制造的专用设备，二十世纪六十年代初期，国内个别厂家由德国引进了先进设备（如铣磨机和光学对中心磨边机），受到这些设备的启示，国内在六十年代中期开始工艺科研和研制新设备。首先进行的是研究粗磨机机械化和设计粗磨机，由于设备和工艺的改进，加工效率有很大的提高，但是后来受政治形势的影响，光学工艺的革新受到冲击，刚见成效的工艺革新，就此停止。二十世纪七十年代中期，对光学冷加工技术改造和技术革新提出了“四化”目标，即毛坯型料化、粗磨机械化、精磨高速化、定心磨边自动化。经过努力，这些目标全部在二十世纪八十年代初基本实现了。光学工业实现了光学冷加工“四化”，为军转民生产光学仪器奠定了有力基础。二十世纪八十年代针对当时民用光学仪器生产，又提出了光学零件制造的新四化，即抛光高速化，清洗超声化，辅助工序机械化和辅料商品化。“新四化”，虽然受到了管理体制改变的影响，在研制设备和进行工艺科研的时间和深度不够理想，但全部实现了。二十世纪八十年代重点是对光学加工机理和工艺因素的研究和探讨，通过科研人员和课题组的努力，均取得了理想的科研成果。在光学零件的定摆磨削和光学零件加工中不同牌号玻璃与不同结合剂的丸片之间的合理匹配都在光学加工方面有了突破，引起光学界的重视。这些科研的成果对光学加工工业起了重要作用，为了我们进一步提高光学加工的科研水平，奠定了雄厚的基础，为新的创新开辟了道路。二十世纪八