專利名稱：鍺單晶非球面光學(xué)元件的加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種光學(xué)元件的加工技術(shù)，主要用于對(duì)紅外光學(xué)材料——鍺單晶非球面光學(xué)元件的制作。
背景技術(shù)：
通過檢索，未發(fā)現(xiàn)與此相同或相似的技術(shù)報(bào)道，目前，對(duì)鍺單晶非球面光學(xué)元件的加工，主要采用傳統(tǒng)的拋光工藝技術(shù)，其主要工藝流程為 一般情況下，只對(duì)2次鍺單晶非球面光學(xué)元件的加工，對(duì)于高次非球面(10次以上)來說，勉強(qiáng)可以進(jìn)行加工，但制作出的元件存在著周期長(zhǎng)，成本高，精度難以保證的缺陷。
本發(fā)明的主要技術(shù)任務(wù)是根據(jù)傳統(tǒng)的拋光工藝加工鍺單晶非球面光學(xué)元件的不足，尋找一種新的方法來對(duì)鍺單晶非球面光學(xué)元件的加工，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率大幅度的提高，精度質(zhì)量得到保證，適應(yīng)紅外光學(xué)系統(tǒng)向短、小、精方向的發(fā)展，以滿足市場(chǎng)需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要技術(shù)方案采用計(jì)算機(jī)數(shù)控車床及金剛石圓弧刀具，對(duì)鍺單晶進(jìn)行切削加工。其工藝流程A、下料、B、粗磨、C、吸附夾具的設(shè)計(jì)制造、D、元件半精加工、E、元件精加工、F、檢測(cè)面型、G、精修面型。
所加工出的光學(xué)元件，無須再拋光，即可得到符合技術(shù)要求的光學(xué)級(jí)表面，即粗糙度Ra值優(yōu)于0.012微米，效率與原來傳統(tǒng)式拋光工藝無法相比，至少提高數(shù)十倍以上，元件合格率達(dá)百分之百，尤其是對(duì)于直徑Φ5-Φ120毫米的非球面光學(xué)元件加工，效率和質(zhì)量更顯著。
四

圖1，是本發(fā)明的工藝流程圖，也是本發(fā)明的主要技術(shù)方案圖。
圖2，是本發(fā)明的真空吸附彈性夾具圖。
圖3，是本發(fā)明的2次非球面光學(xué)元件加工實(shí)施例圖。
圖4，是本發(fā)明的10次非球面光學(xué)元件加工實(shí)施例圖。
圖5，是本發(fā)明的15次非球面光學(xué)元件加工實(shí)施例圖。
圖6，是本發(fā)明的20次非球面光學(xué)元件加工實(shí)施例圖。
五具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
對(duì)于2-20次鍺單晶非球面光學(xué)元件的加工，采用計(jì)算機(jī)數(shù)控車床及金剛石圓弧刀具對(duì)鍺單晶進(jìn)行切削加工，采用合理的工藝方法和檢測(cè)手段，得到符合技術(shù)要求的非球面光學(xué)元件。
參照?qǐng)D1，本發(fā)明按如下工藝流程進(jìn)行A、下料。用內(nèi)圓切片機(jī)對(duì)鍺單晶進(jìn)行切割下料。
B、粗磨。1、根據(jù)設(shè)計(jì)的非球面方程，計(jì)算出最佳匹配半徑SR，依據(jù)SR值，在元件上銑磨出非球面的初步形狀。2、銑磨出初步形狀的同時(shí)，要控制好元件有效半徑上某一點(diǎn)的圓周上兩面的等厚差，其厚度應(yīng)相等，其偏差小于0.05毫米。3、進(jìn)行磨邊和拖邊。
所需設(shè)備球面銑磨機(jī)、定心磨邊機(jī)及平面銑磨機(jī)。
C、吸附夾具的設(shè)計(jì)制造。粗磨完工后，根據(jù)元件的尺寸、形狀，設(shè)計(jì)制作出相應(yīng)的吸附式彈性夾具，基本結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，屬于彈性夾持方式。元件和夾具裝夾配合間隙小于0.01毫米。
所需設(shè)備數(shù)控金剛石車床、銑床。
D、元件半精加工。將粗磨完工后的毛坯元件，用彈性夾具在金剛石車床上裝夾好，快速去除余量，使非球面初步或粗成型。
所需設(shè)備數(shù)控金剛石車床。
工藝參數(shù)車床主軸轉(zhuǎn)速在2200-2600轉(zhuǎn)/分，切深0.01-0.04毫米，進(jìn)給量保持在6毫米/分左右。
E、元件精加工。半精加工完工后，在金剛石車床上進(jìn)行精加工，使非球面精確成型。
所需設(shè)備數(shù)控金剛石車床。
F、檢測(cè)面型。用接觸式精密輪廓分析儀按技術(shù)條件進(jìn)行尺寸、面型精度的工序檢測(cè)，如有不合格的，轉(zhuǎn)計(jì)算機(jī)補(bǔ)償修正工序進(jìn)行修正。
G、精修面型。將精確成型合格的非球面元件，在金剛石車床上進(jìn)一步加工出光學(xué)級(jí)表面。
所需設(shè)備數(shù)控金剛石車床。
工藝參數(shù)車床主軸轉(zhuǎn)速在2550-2700轉(zhuǎn)/分，切深0.003-0.01毫米，進(jìn)給量1-2毫米/分。
參照?qǐng)D2、本發(fā)明的吸附式彈性夾具結(jié)構(gòu)由吸面座1和夾緊套2組成。A面為被吸附面，B臺(tái)階孔為定位孔，與元件配合間隙小于0.01毫米。
實(shí)施例一、加工2次非球面元件，如圖3所示，材料鍺單晶，非球面頂點(diǎn)半徑R0＝146.22毫米，外徑Φ外＝106±0.02毫米，內(nèi)徑Φ＝98毫米，非球面有效內(nèi)半徑＝Φ/2＝98/2＝49毫米，厚度δ＝10.25±0.01毫米，2次非球面方程Y2＝2R0X-(K+1)X2，其中Y表示非球面上任意一點(diǎn)距非球面頂點(diǎn)的垂直距離，即稱弧高，X是非球面有效半徑49毫米上任意一點(diǎn)數(shù)據(jù)，K表示面型系數(shù)，K＝0.1038。
A、下料。用內(nèi)圓切片機(jī)對(duì)鍺單晶進(jìn)行切割下料。
B、粗磨。將未知數(shù)輸入方程，X在這里取了15個(gè)點(diǎn)，即3.266、6.533、9.800、13.066、16.333、19.600、22.866、26.133、29.400、32.666、35.933、39.200、42.466、45.733、49.000，通過15次以上的計(jì)算和綜合數(shù)據(jù)處理及相關(guān)的數(shù)學(xué)運(yùn)算，最后得出最佳匹配半徑SR＝191.09毫米。根據(jù)SR值先銑磨出非球面B面，以B面為基準(zhǔn)，按照R＝146.22±0.0002毫米銑磨出球面A面，同時(shí)用考表儀測(cè)量控制好兩面的等厚差，等厚差不超過0.05毫米，中心點(diǎn)厚度控制到10.48毫米左右即可，在銑磨A面后，不取下元件，一次銑磨外圓尺寸到Φ106毫米。
C、根據(jù)粗磨后的元件尺寸、形狀，按圖2基本結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)制作出相應(yīng)的吸附式彈性夾具。
D、元件半精加工。元件毛坯完工后，用夾具在金剛石車床上裝夾好，就可以進(jìn)行半精加工，要求加工出非球面A面和球面B面的面型。進(jìn)一步去除余量，中心點(diǎn)厚度控制到10.3毫米左右即可，保證元件兩面的厚度差小于0.01毫米，工藝參數(shù)主軸轉(zhuǎn)速2200轉(zhuǎn)/分，切深0.04毫米，進(jìn)給量6毫米/分。
E、元件精加工。半精加工完工后，進(jìn)入精加工，用金剛石車床先加工A面和A面邊緣的平面，以A面為基準(zhǔn)再加工B面，所加工尺寸及面型精度符合工序要求。
F、檢測(cè)面型。用接觸式精密輪廓分析儀，按技術(shù)條件進(jìn)行檢測(cè)，不合格的及時(shí)用計(jì)算機(jī)補(bǔ)償修正的方法很快得到修正。再轉(zhuǎn)下道工序。
G、精修面型。精加工完工合格后，就可以在金剛石車床上進(jìn)一步加工出光學(xué)級(jí)表面。工藝參數(shù)主軸轉(zhuǎn)速2600轉(zhuǎn)/分，切深0.003毫米，進(jìn)給量1.5毫米/分。
實(shí)施例二加工10次非球面元件，如圖4所示，材料鍺單晶，非球面頂點(diǎn)半徑R0＝82.8769毫米，外徑Φ外＝94±0.02毫米，非球面有效半徑＝Φ外/2＝94/2＝47毫米，內(nèi)徑Φ＝87毫米，厚度δ＝8.5±0.01毫米，非球面方程Y=CX2/1+[1-(1+K)C2X2]+AX4+BX6+DX8+EX10,]]>其中Y表示弧高，X表示非球面有效半徑47毫米以內(nèi)任意一點(diǎn)的數(shù)據(jù)，K＝-0.111468；A、B、D、E為高次項(xiàng)系數(shù)，分別為A＝0.000、B＝-2.242、D＝3.593、E＝1.995，C表示曲率，C＝1/R0＝1/82.876＝0.012066。
A、下料。用內(nèi)圓切片機(jī)切割下料。
B、粗磨。將未知數(shù)輸入方程，這里X在48毫米以內(nèi)取了15個(gè)點(diǎn)，即3.133、6.266、9.400、12.533、15.666、18.800、21.933、25.066、28.200、31.333、34.466、37.600、40.733、43.866、47.000，通過15次的計(jì)算和綜合數(shù)據(jù)處理，最后計(jì)算出最佳匹配半徑SR，SR＝83.68毫米。根據(jù)SR值，先銑出非球面A面，以A面為基準(zhǔn)，按R值109.71±0.0005毫米銑磨出B面，在銑磨過程中，用考表儀控制好兩面的等厚差，等厚差不超過0.05毫米，在此元件中，中心點(diǎn)厚度銑磨到8.74毫米左右即可，同時(shí)銑磨完B面后，不取下元件，銑磨外圓到尺寸Φ＝94毫米。
C、根據(jù)粗磨后的元件尺寸、形狀，按圖2基本結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)制作出相應(yīng)的吸附彈性夾具。
D、元件半精加工。元件毛坯完工后，在金剛石車床上，用夾具裝夾好后，進(jìn)行半精加工，要求加工出非球面A面和球面B面面形，除去余量，中心厚度尺寸控制在8.55毫米左右，保證元件兩面等厚差小于0.01毫米，工藝參數(shù)主軸轉(zhuǎn)速2400轉(zhuǎn)/分，切深0.03毫米，進(jìn)給量6毫米/分。
E、元件精加工。半精加工完工后，用金剛石車床進(jìn)行精加工，對(duì)于此類雙凸透鏡來說，先加工B面，然后以B面為基準(zhǔn)加工非球面A面，所加工尺寸面型精度符合工序要求。如B面有劃痕，可在車床上進(jìn)行處理。
F、檢測(cè)面型。用接觸式精密輪廓分析儀，按技術(shù)條件進(jìn)行檢測(cè)，不合格的及時(shí)用計(jì)算機(jī)補(bǔ)償修正的方法很快得到修正。
G、精修面型。精加工完工后，就在金剛石車床上進(jìn)一步加工出光學(xué)級(jí)表面。其工藝參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速2550轉(zhuǎn)/分，切深0.01毫米，進(jìn)給量2毫米/分。
實(shí)施例三，加工15次非球面元件，如圖5所示，材料鍺單晶，非球面頂點(diǎn)半徑R0＝182.096，外徑Φ外＝108±0.02毫米，非球面有效半徑＝Φ外/2＝108/2＝54毫米，內(nèi)徑Φ＝96毫米，厚度δ＝11.5±0.01毫米，非球面方程Y=CX2/1+[1-(1+K)C2X2]+AX3+BX5+CX7+EX9+FX11+GX13+HX15,]]>其中Y表示弧高，K＝3.9827，X為半徑54毫米以內(nèi)任意一點(diǎn)上的數(shù)據(jù)。A、B、D、E、F、G、H為高次項(xiàng)系數(shù)，A＝-7.408、B＝-1.334、D＝2.585、E＝-2.483、F＝1.221、G＝-2.989、H＝2.892、C＝1/R0＝1/182.096＝0.00549。
A、下料。用內(nèi)圓切片機(jī)對(duì)鍺單晶進(jìn)行切割下料。
B、粗磨。將未知數(shù)輸入方程，X這里取15個(gè)點(diǎn)即3.600、7.200、10.800、14.400、18.000、21.600、25.200、28.800、32.400、36.000、39.600、43.200、46.800、50.400、54.000、通過15次的計(jì)算和綜合數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出最佳匹配半徑SR＝163.86毫米。先按R＝135.52毫米銑磨B面，銑磨完工后，以它為定位基準(zhǔn)，根據(jù)SR值銑磨出非球面A面。其中用考表儀控制好兩面的等厚差不超過0.05毫米。中心厚度控制在11.96毫米左右，在銑磨A面的同時(shí)，銑磨外圓尺寸到Φ108毫米。
C、吸附夾具的設(shè)計(jì)制造。椐據(jù)粗磨后的元件尺寸、形狀，按圖2基本結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)制造出相應(yīng)的吸附彈性夾具。
D、元件半精加工。元件毛坯完工后，裝夾好，就可以進(jìn)行半精加工，在金剛石車床上加工出非球面A和平面B的面形，去除余量，中心厚度尺寸控制在11.55毫米左右，保證元件兩面等厚差小于0.01毫米，工藝參數(shù)主軸轉(zhuǎn)速2600轉(zhuǎn)/分，切深0.02毫米，進(jìn)給量6毫米/分。
E、元件精加工。半精加工完工后，進(jìn)行元件的精加工，在金剛石車床上先加工B面，以B面為基準(zhǔn)，加工A面，所加工尺寸和面型精度符合工序要求。如果B面上有劃痕，可在金剛石車床上進(jìn)行處理。
F、檢測(cè)面型。用接觸式精密輪廓分析儀，按技術(shù)條件檢測(cè)，不合格的及時(shí)用計(jì)算機(jī)補(bǔ)償修正的方法可很快得到修正，再進(jìn)行下道工序。
G、精修面型。精加工完工后，在金剛石車床上進(jìn)一步加工出光學(xué)級(jí)表面。工藝參數(shù)主軸轉(zhuǎn)速2700轉(zhuǎn)/分，切深0.01毫米，進(jìn)給量2毫米/分。
實(shí)施例四，加工20次非球面元件，如圖6所示，材料鍺單晶，其中A面為非球面，R0＝396.64毫米，外徑Φ＝26±0.02毫米，非球面有效半徑＝Φ/2＝26/2＝13毫米，中心厚度δ＝3±0.01毫米，20次非球面方程Y=CX2/1+[1-(1+K)C2X2]+AX4+BX6+DX8..+EX10+FX12+GX14+HX16+IX18+JX20,]]>其中K＝8.5352766、A＝-1.3177、B＝2.1784、D＝3.3527、E＝-2.2237、F＝1.4926、G＝-1.5539、H＝8.5284、I＝1.0783、J＝-4.8288，C＝1/R0＝1/396.64＝0.00252，Y表示弧高，X是非球面有效半徑13毫米以內(nèi)任意一點(diǎn)上的數(shù)據(jù)。
A、下料。用內(nèi)圓切片機(jī)切割下料。
B、粗磨。將未知數(shù)輸入方程，這里X取15個(gè)點(diǎn)0.866、1.733、2.600、3.466、4.333、5.200、6.066、6.933、7.800、8.666、9.533、10.400、11.266、12.133、13.000，通過15次的計(jì)算和綜合數(shù)據(jù)處理，最后計(jì)算出最佳匹配半徑SR＝109.30毫米，根據(jù)R＝245.5±0.0005毫米先銑磨出球面A面。又按SR值銑磨出非球面B面，銑B面時(shí)以A面為基準(zhǔn)，用考表控制好兩面的等厚差不超過0.03毫米。中心厚度控制到4.8毫米左右，在加工完B面的同時(shí)，銑磨外圓尺寸到Φ＝26毫米。
C、吸附夾具的設(shè)計(jì)制造。根據(jù)粗磨后的元件尺寸、形狀，按圖2基本結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)制造出相應(yīng)的吸附彈性夾具。
D、元件半精加工。元件毛坯完工后，在金剛石車床上用夾具裝夾好后，進(jìn)行半精加工，要求加工出球面A面和非球面B面面形，除去余量，中心厚度尺寸控制在3.05毫米左右，保證元件兩面等厚差小于0.01毫米，工藝參數(shù)主軸轉(zhuǎn)數(shù)2550轉(zhuǎn)/分，切深0.01毫米，進(jìn)給量6毫米/分。
E、元件精加工。半精加工完工后，在金剛石車床上裝夾好后進(jìn)行精加工，對(duì)于此類雙凸透鏡來說，先加工A面，然后以A面為基準(zhǔn)加工B面，所加工尺寸面型精度符合工序要求。如果A面上有劃痕，可在非球面B面加工完工后，可進(jìn)行一次處理，這道小工序仍在金剛石車床上進(jìn)行。
F、檢測(cè)面型。用接觸式精密輪廓分析儀，按技術(shù)條件進(jìn)行檢測(cè)，不合格的及時(shí)用計(jì)算機(jī)補(bǔ)償修正方法很快得到修正。再進(jìn)行下道工序。
G、精修面型。元件精加工完工后，就在金剛石車床上進(jìn)一步加工出光學(xué)級(jí)表面。其工藝參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速2600轉(zhuǎn)/分，切深0.008毫米，進(jìn)給量1毫米/分。
以上僅列舉2次、10次、15次及20次鍺單晶非球面光學(xué)元件的加工實(shí)例，均為批量生產(chǎn)，合格率在百分之百，完全達(dá)到本發(fā)明的目的。
權(quán)利要求
1.一種鍺單晶非球面光學(xué)元件的加工方法，含有工序A下料、B粗磨，其特征是用計(jì)算機(jī)數(shù)控車床及金剛石圓弧刀具對(duì)鍺單晶進(jìn)行切削加工，采用工藝流程C、吸附夾具的設(shè)計(jì)制造，粗磨完工后，根據(jù)毛坯元件的尺寸、形狀，設(shè)計(jì)制作出相應(yīng)的吸附式彈性夾具；D、元件半精加工，將粗磨完工后的毛坯元件，用彈性夾具在金剛石車床上裝夾好，快速去除余量，使非球面初步成型，工藝參數(shù)車床主軸轉(zhuǎn)數(shù)2200-2600轉(zhuǎn)/分，切深0.02-0.04毫米，進(jìn)給量6毫米/分左右；E、元件精加工，元件半精加工完工后，在金剛石車床上進(jìn)行精加工，使非球面精確成型；F、檢測(cè)面型，用接觸式精密輪廓分析儀按技術(shù)條件進(jìn)行尺寸、面型精度的工序檢測(cè)，如有不合格的，轉(zhuǎn)計(jì)算機(jī)補(bǔ)償修正工序進(jìn)行修正；G、精修面型，將精確成型合格的非球面元件，在金剛石車床上進(jìn)一步加工出光學(xué)級(jí)表面，工藝參數(shù)車床主軸轉(zhuǎn)速2550-2700轉(zhuǎn)/分，切深0.003-0.01毫米，進(jìn)給量1-2毫米/分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鍺單晶非球面光學(xué)元件的加工方法，其特征是吸附式彈性夾具結(jié)構(gòu)由吸面座(1)和夾緊套(2)組成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種非球面光學(xué)元件的加工技術(shù)，主要用于鍺單晶非球面光學(xué)元件的加工。其主要技術(shù)特征是用計(jì)算機(jī)數(shù)控車床及金剛石圓弧刀具對(duì)鍺單晶進(jìn)行切削加工，采用工藝流程A下料；B粗磨；C吸附夾具的設(shè)計(jì)制造；D元件半精加工；E元件精加工；F檢測(cè)面型；G精修面型等，以及選擇了合理的工藝參數(shù)。本發(fā)明從根本上克服了用傳統(tǒng)拋光工藝方法加工鍺單晶非球面光學(xué)元件存在效率低、成本高、尺寸和面型精度難以保證的缺陷。達(dá)到了能夠批量生產(chǎn)、質(zhì)量穩(wěn)定、效率顯著提高的預(yù)期效果。
文檔編號(hào)B23B31/08GK1785559SQ20041007960
公開日2006年6月14日 申請(qǐng)日期2004年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月6日
發(fā)明者木銳, 趙明, 張有彩, 張志文, 趙承波 申請(qǐng)人:云南北方光學(xué)電子集團(tuán)有限公司