CN102139465B - 一种非球曲面零件的高效超精密加工方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种非球曲面零件的高效超精密加工方法及装置，本发明利用工件弹性变形，采用平面加工方式对非球曲面零件进行超精密加工：根据预期零件工作表面轮廓，制作负形靠模充当工件夹具，并根据工件的材料、尺寸与加工参数对靠模面面形进行修整；将精密板状工件毛坯在弹性变形范围内用真空吸附方式紧密吸附于负形靠模表面；以平面研磨、抛光等技术对毛坯进行精密与超精密加工；最后从负形靠模上释放工件，工件弹性变形恢复，被加工表面即形成预期轮廓；在一个负形靠模上可以对目标面型进行重复复制，从而实现非球面工件的批量加工。该发明为非球曲面零件的高效、低成本、批量超精密加工提供新方法，具有重要的理论意义和广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种非球曲面零件的高效超精密加工方法及装置。
技术背景
非球曲面零件是国防、航空航天、天文等领域非常重要的一类零件，在民用光电产品上的应用也极为广泛，市场对非球曲面透镜的需求量正迅速增加。目前非球曲面零件加工的主流技术包括精密抛光技术以及面型复制技术，精密抛光技术是基于CNC或机器人的非球曲面抛光技术，如计算机控制光学表面成形技术(Computer controlled optical surfacing，CCOS)。CCOS是典型的非球曲面零件精密加工方法，其基本思想是利用一个比被加工元件小得多的抛光工具，根据光学表面面形检测的结果，由计算机控制加工参数和加工路径，完成加工。通过改变研磨/抛光工具，在此技术上又出现了气囊抛光、磁流变抛光、液体射流抛光等新的一些曲面加工方法。计算机控制小工具抛光技术的加工过程对局部误差的修正非常有效，但容易产生局部的中高频残差。为此出现了应力盘抛光(Stressed-lap polishing，SLP)方法，该方法采用大尺寸弹性盘为工具基盘，在周边可变应力的作用下，盘的面形可以实时地变形成所需要的面形，与非球曲面工件的局部面形相吻合，进行研磨抛光加工。面型复制技术是通过将模仁的面形复制到工件毛坯上来实现非球面的加工，主要包括塑料成型与玻璃模压两种技术；其中由于塑料的光学性能及抗变形性、抗高温性和抗湿性差等均较差，因此目前各大光学厂商与研究机构均在大力开发精密模压技术。玻璃模压(Glass Molding)技术开发自80年代中期，是将经过预加工的、具有光学表面质量的玻璃毛坯放入精密模具中，在无氧的条件下加温至材料转换温度Tg使毛坯软化，随后加压一次性直接模压成型出达到使用要求的光学零件的技术，广泛应用于大规模精密光学器件商业生产中。
以上所述的非球曲面加工方法，精密抛光以及工件的成形都需要一个复杂的数控***和高精度、高刚度的多轴联动机床***来保证加工精度，加工过程复杂，对加工设备有高度依赖性；且其加工设备或是在CNC或是在机器人的基础上发展而来，对主轴、导轨等都有很高的精度要求，同时在加工过程需要严格控制振动等对加工不利的因素，结构复杂，设备成本很高；而对于光学玻璃等硬脆材料，为了实现无脆性损伤的表面加工，需要在塑性域进行材料去除，切深一般要求亚微米级以及亚微米级以下，因此材料去除率低，无法满足精密光学元件大规模商业生产的需求。面型复制技术部分满足了精密光学元件大规模商业生产的需求，但由于在加工过程中存在玻璃材料的热熔与冷却，玻璃模压比传统冷加工冷却的要快，其折射系数会出现轻微的下降，因此对加工的每一块工件都要标定其折射率的改变；从加工效率考虑，更适合加工低转换温度的材料，因此对玻璃的种类有限制，且目前精密模压技术主要用于加工直径100mm以下的中小非球面。
随着市场需求的发展，在现代非球面商业生产，尤其是在手机摄像头、相机透镜生产中，产品批量数以万计，因此最急迫的问题就是如何降低成本、提高加工效率并保证产品的批量重复性，因此有必要提供一种低成本的非球曲面零件的高效超精密加工方法及装置。
发明内容
本发明的目的是提出一种非球曲面零件的高效超精密加工方法及装置，本非球曲面零件的高效超精密加工方法及装置在保证加工精度的同时，能极大地提高加工效率、显著降低加工成本。
本发明的技术解决方案如下：
一种非球面零件的高效超精密加工方法，其特征在于：利用弹性变形原理采用平面加工的方式加工自由曲面，包括以下步骤：
步骤1：将一个块状材料的一个面加工为与目标非球曲面的曲面形状相反的曲面面形，该块状材料形成一个与目标非球曲面对应的负形靠模；
负形靠模上具有曲面面形的一面为靠模面；在负形靠模上与靠模面相对的未进行加工的一面为平滑面；
在负形靠模的靠模面与平滑面之间至少打通一个通道作为产生负压时的气流通道；或者，负形靠模的材料选用多孔隙类材料；
步骤2：将一个双面平滑的平板工件与所述负形靠模的靠模面相接触；启动真空泵，真空泵通过气流通道在平板工件与负形靠模的靠模面之间产生负压，所述平板工件在该负压的作用下产生完全弹性变形，并与靠模面紧密贴合，所述平板工件变形后未与靠模面接触的面作为被加工表面，被加工面为曲面；
负形靠模的材料还有可能选用多孔陶瓷或者多孔金属等多孔隙类材料，使工件的吸附更加均匀；于是在加工步骤上会出现两种并行的情况。
步骤3：将被加工表面加工成为平面；
步骤4：将所述平板工件与负形靠模分离，平板工件产生恢复性弹性变形，所述平板工件原先与靠模面相接触的面变形为平面，所述被加工表面形成与目标非球面形相同的面形，加工完成；
重复上述步骤2-4，可实现工件的批量面型复制加工。
所述的负形靠模在吸附平板工件之前，需先根据平板工件的材料与尺寸对靠模面面形进行修正。
以平面加工方式对被加工表面进行研磨与抛光加工，直至被加工表面成为平面。
所述的负形靠模由刚性材料构成，所述的刚性材料包括但不限于硬质合金或模具钢；所述的平板工件由具备弹性变形能力的材料构成，所述具备弹性变形能力的材料包括但不限于光学玻璃和碳化硅。
一种非球面零件的高效超精密加工装置，负形靠模上具有一个靠模面，靠模面被加工成与目标非球曲面形相反的曲面；在负形靠模上与靠模面相对的未进行加工的一面为平滑面；在负形靠模上设有一条或多条用于连通靠模面与平滑面且作为产生负压时的气流通道，或者，负形靠模的材料选用多孔隙类材料；真空泵和用于施加载荷的加载设备设置在负形靠模的平滑面一侧，平板工件的一面在负压作用下与靠模面紧密贴合，平板工件的另一面为加工面，在加工面一侧设有研磨设备和抛光设备。
本发明的技术构思为：
在平面零件的加工过程中，工件与研磨/抛光工具的相对运动关系较为简单，无需复杂的成形运动，加工过程容易控制。因此为了克服当前非球曲面加工方法加工过程复杂、设备成本高的不足，本发明利用弹性材料的弹性变形机理将复杂的曲面加工转变为简单、易操作的平面加工。
当光学玻璃材料发生小变形时，可以认为光学玻璃材料符合各向同性及完全弹性两个基本假设。各向同性意为工件内的一点在各个方向上的力学性能是相同的；而完全弹性意为当工件所受外力不超过一定限度时，在所施加外力撤去后，其变形可完全消失。同时，光学玻璃材料也符合变形与载荷的独立与叠加原理，即研磨抛光工具引起的变形与施加的外力引起的变形相互独立，加工过程中研磨抛光工具对工件的作用不会影响施加的外力引起的工件变形。因此对于与平面偏离程度不大的非球曲面透镜，可以考虑按照如下方法进行加工，即先在一块刚性材料上使用研磨、抛光等非球曲面加工技术加工出欲加工非球曲面的面形，形成一个负形靠模充当工件夹具；接着将精密平板光学玻璃材料工件毛坯置于负形靠模的靠模面上，并在工件与靠模面之间产生负压，使工件产生小变形并与靠磨面紧密贴合；随后采用平面加工方式对工件进行精密研磨抛光加工；加工完成后释放负压，待工件的弹性变形完全消失后即可得到所需非球曲面透镜，这样即将复杂的非球曲面加工转换成为简易的平面加工。
有益效果：
本发明提出了一种利用工件弹性变形采用平面加工方式对非球曲面零件进行超精密加工的新方法：根据预期板状零件工作表面轮廓，制作负形靠模充当工件夹具，并根据工件的材料与尺寸对靠模面面形进行修整；将精密平板工件毛坯在弹性变形范围内用真空吸附方式紧密吸附于负形靠模表面；以平面研磨、抛光等技术对毛坯进行精密与超精密加工；加工完成后从负形靠模上释放工件，工件弹性变形恢复，被加工表面即形成预期轮廓。该方法使复杂的曲面加工转变为简单、易操作的平面加工，为非球曲面零件的高效、低成本、批量超精密加工提供新方法，具有重要的理论意义和广阔的应用前景。
本发明具有以下优点：
1、在保证高加工精度的同时获得较高的加工效率，实现高效的精密超精密加工；
2、简化加工工艺过程，实现低成本的非球面零件批量加工；采用原有的加工工艺，如果需要批量生产，需要对每一个非球曲面零件分别进行超精密加工，耗费的加工成本、仪器成本、人力成本和测试成本等都非常巨大，而采用本发明的工艺，只需精密加工一个模具(即负形靠模)，再用该模具批量生产出任意多个能达到高精密度要求的非球曲面零件，犹如一块底片能冲洗出无穷多张照片一样，不但极大的提高了生产效率，而且极大的降低了生产成本，并完全能保证产品的批量重复性，为超精密非球曲面零件的批量生产提供极大的技术指导和支持。
3、降低对加工设备的依赖性。
附图说明
图1为目标非球面形。
图2为加工修整完成的靠模以及工件毛坯。
图3为工件吸附于靠模上并产生弹性变形。
图4为对工件进行平面研磨。
图5为工件平面研磨完成。
图6为负压释放后工件与靠模分离。
图7为工件弹性回复后得到目标非球面形。
具体实施方式
以下将结合图和具体实施过程对本发明做进一步详细说明。
参照图1到图7，一种非球曲面零件的高效超精密加工方法，该加工方法包含以下步骤：
(1)、将一个双面平滑的刚性材料块的某一面加工为与目标非球曲面形1相反的经过修整的面形，构成一个负形靠模6；(2)、在所述负形靠模6的靠模面3与平滑面之间至少打通一个通道5作为产生负压时的气流通道；
(3)、将一个双面平滑的平板工件2与所述负形靠模6的靠模面3相接触；
(4)、启动真空泵并通过(2)中所述通道5在(3)中所述平板工件2与所述负形靠模6之间产生负压。所述平板工件2产生完全弹性变形，并与所述负形靠模的靠模面3紧密贴合。所述平板工件2变形后其未与所述负形靠模靠模面接触的面7作为被加工表面，被加工表面7的面形与目标非球曲面面形1相反；
(5)、对(4)中所述被加工表面7施加载荷9，通过研磨盘8以平面加工方式进行研磨与抛光加工，直至所述被加工表面7成为平面；
(6)、停止真空泵，释放(3)中所述平板工件2与所述负形靠模6之间的负压，所述平板工件2产生恢复性弹性变形。所述被加工表面7形成与目标非球曲面形1相同的面形，所述平板工件2与所述负形靠模靠模面3相接触的面变形至平面。
在所述步骤(1)中，所述的负形靠模6由硬质合金、模具钢等刚性材料构成；在所述步骤(3)中，所述的平板工件2由光学玻璃、碳化硅等可弹性变形材料构成。
由于光学玻璃没有固定的特征强度，其特征强度主要取决于表面裂纹的情况，因此所述的平板工件在吸附于负形靠模的靠模面之前，需先对其表面进行研磨与抛光加工，以消除所述平板工件表面的裂纹。
所述的负形靠模在吸附平板工件之前，需先根据平板工件的材料与尺寸对靠模面面形4进行修整至实际加工面形3。
实施例1：
针对BK7(K9)光学玻璃使用本发明提出的方法进行了变形加工试验，工件材料性能如下：杨氏模量E＝7480kg/mm2，泊松比v＝0.23。被加工面预期为离轴抛物面，基本参数如下：顶点曲率半径R0＝4870mm，焦距f＝2435mm，离轴距t＝160mm，通光口径D＝220mm，厚度h＝30mm。靠模气流通道数目为5个，通道口径10mm，所使用的真空发生器为深圳永创能科技有限公司的VA280型真空发生器，加工时真空度为-75kPa，磨料为氧化铈，磨料与水的比例为1∶4，加工设备为杭州智邦纳米公司出品的Nanopoli-100型精密抛光机，抛光压力为2.5kPa，工件转速为100rpm，抛光时间为1h，最后工件加工完成后实测焦距f’＝2436.5±1mm，离轴距t＝161±2mm。
Claims (5)
1.一种非球面零件的高效超精密加工方法，其特征在于：利用弹性变形原理采用平面加工的方式加工自由曲面，包括以下步骤：
步骤1：将一个块状材料的一个面加工为与目标非球曲面的曲面形状相反的曲面面形，该块状材料形成一个与目标非球曲面对应的负形靠模；
负形靠模上具有曲面面形的一面为靠模面；在负形靠模上与靠模面相对的未进行加工的一面为平滑面；
在负形靠模的靠模面与平滑面之间至少打通一个通道作为产生负压时的气流通道；或者，负形靠模的材料选用多孔隙类材料；
步骤2：将一个双面平滑的平板工件与所述负形靠模的靠模面相接触；启动真空泵，真空泵通过气流通道在平板工件与负形靠模的靠模面之间产生负压，所述平板工件在该负压的作用下产生完全弹性变形，并与靠模面紧密贴合，所述平板工件变形后未与靠模面接触的面作为被加工表面，被加工面为曲面；
步骤3：将被加工表面加工成为平面；
步骤4：将所述平板工件与负形靠模分离，平板工件产生恢复性弹性变形，所述平板工件原先与靠模面相接触的面变形为平面，所述被加工表面形成与目标非球面形相同的面形，加工完成。
2.如权利要求1所述的非球面零件的高效超精密加工方法，其特征在于：所述的负形靠模在吸附平板工件之前，需先根据平板工件的材料与尺寸对靠模面面形进行修正。
3.如权利要求1所述的非球面零件的高效超精密加工方法，其特征在于：步骤3的过程是：以平面加工方式对被加工表面进行研磨与抛光加工，直至被加工表面成为平面。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种非球面零件的高效超精密加工方法，其特征在于：所述的负形靠模由刚性材料构成，所述的刚性材料是硬质合金或模具钢；所述的平板工件由 具备弹性变形能力的材料构成，所述具备弹性变形能力的材料是光学玻璃或碳化硅。
5.一种非球面零件的高效超精密加工装置，其特征在于，负形靠模上具有一个靠模面，靠模面被加工成与目标非球曲面形相反的曲面；在负形靠模上与靠模面相对的未进行加工的一面为平滑面；在负形靠模上设有一条或多条用于连通靠模面与平滑面且作为产生负压时的气流通道，或者，负形靠模的材料选用多孔隙类材料；真空泵和用于施加载荷的加载设备设置在负形靠模的平滑面一侧，平板工件的一面在负压作用下与靠模面紧密贴合，平板工件的另一面为加工面，在加工面一侧设有研磨设备和抛光设备。
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