淺談非球面光學零件的超精密加工技術

成清校，宋 健，王鵬超，路蘭卿

（1.北京航天試驗技術研究所，北京 100074；2.西安航天動力試驗技術研究所，西安 710100）

非球面光學零件常用的有橢球面鏡、拋物面鏡、雙曲面鏡等，其是一種非常重要的光學零件。相對于球面鏡而言，非球面鏡具有許多優點，其可以消除球面鏡片在光傳遞過程中產生的彗差、球差、像散、場曲及畸變等諸多不利因素，減少光能損失，具有高品質的光學特征，可以獲得高品質的圖像效果。另外，其能以一個或幾個非球面零件代替多個球面零件，從而簡化儀器結構，減輕儀器總質量，降低成本。

非球面光學產品的應用前景非常廣闊，在國防、航空航天領域，大型或超大型光學產品的開發是空間和國防技術的關鍵，體現著一個國家的科技水平和經濟實力。而在民用產品領域，如：數碼相機、電腦攝像頭、條形碼讀出頭、光纖通訊以及激光產品等，也已經成為與人民生活息息相關的核心技術。因此，非球面光學零件超精密加工技術的研究一直是制造領域的熱點。

1 國外非球面零件的超精密加工技術

國外從20世紀60年代就開始了對非球面零件加工技術的研究，20世紀80年代以來出現了許多新的非球面超精密加工技術，主要有：計算機數控單點金剛石車削技術（SPDT）、超精密磨削和拋光技術、計算機控制光學表面成形技術（CCOS）、光學玻璃模壓成型技術、光學塑料成型技術以及非球面零件的特種加工技術等。

1.1 計算機數控單點金剛石車削技術

計算機數控單點金剛石車削技術（SPDT）是在超精密數控車床上，采用天然單晶金剛石刀具，在對機床和加工環境進行精確控制的條件下，直接利用天然金剛石刀具單點車削出符合光學品質要求的非球面光學零件。該技術主要用于加工中小尺寸、中等批量的紅外晶體和軟金屬材料的光學零件，其特點是生產效率高、成本低、重復性好、適合批量生產。

1.2 超精密磨削和拋光技術

超精密磨削和拋光能進一步提高光學零件的表面精度，尤其是對于采用玻璃、陶瓷等硬脆材料制造的非球面零件。其中，延性磨削方式可以使材料以“塑性”流動方式去除，加工表面不產生脆性斷裂現象[2]。延性磨削方式可以保證未變形切削厚度小于脆性——塑性（或稱延性）轉換臨界值。能滿足這種磨削條件的方式稱為延性磨削方式。

1.3 計算機控制光學表面成形技術

計算機控制光學表面成形技術（computer optical surfcing，CCOS）是利用一個比被加工器件小得多的拋光工具，根據光學表面面形檢測的結果，由計算機控制加工參數和加工路徑完成加工。由于計算機控制拋光可以精確地控制研拋過程中的材料去除量，和傳統研拋方法相比，大大提高了加工效率和成品率。

1.4 光學玻璃模壓成型技術

光學玻璃模壓成型技術是一種高精度光學零件加工技術，開發于20世紀80年代中期。其是把軟化的玻璃放入高精度的模具中，在加溫加壓和無氧的條件下，一次性直接模壓成型出達到使用要求的光學零件。光學玻璃模壓成型法具有工序簡單集中，節省場地、可以批量生產的特點，但是模具精度要求極高，加工成本很高。

1.5 光學塑料成型技術

光學塑料成型技術是目前制造塑料非球面光學零件的先進技術，包括注射成型、壓制成型和鑄造成型等技術。光學塑料注射成型技術主要用來生產直徑100 mm以下的非球面光學零件，也可制造微型透鏡陣列。而模壓和鑄造主要應用于直徑在100 mm以上的非球面光學零件。其具有總質量輕、成本低，光學零件和安裝部件可以一體化，節省裝配工作量，耐沖擊等諸多優點。

1.6 非球面鏡的特種加工技術

非球面鏡的特種加工方法包括離子束、電子束加工法等，這種方法以原子、分子級去除材料，加工精度高，但需要昂貴的真空設備和復雜的運動機構，加工成本較高，并且不能粗糙表面獲得高精度拋光表面，對前道工序的加工要求較高。此外，還有應力盤拋光技術、磁流變拋光技術、等離子技術等。其利用主動變形技術，使拋光盤在對非球面光學表面進行拋光的過程中，通過計算機控制實時改變拋光盤的形狀，使其符合理論非球面面形，進而將被加工球面向標準非球面修正。

磁流變拋光（Magnetorheological Finishing，MRF）技術是以磁流變拋光液在磁場作用下，在拋光區范圍內形成具有一定硬度的“小磨頭”對工件進行拋光[5]。“小磨頭”的形狀和硬度可以由磁場實時控制。該方法是一種柔性拋光方法，不產生亞表面損傷層、加工效率高、表面粗糙度低、能夠實現復雜表面的拋光加工。通過控制磁場分布形狀和加工區域的駐留時間，可以實現確定量拋光。

等離子（Chemical Vaporization Machining，CVM）技術是一種利用原子化學反應，獲得超精密表面的一種技術，其加工原理和等離子體刻蝕一樣，在等離子體中，被激活的游離基和工件表面原子起反應，將之變成揮發性分子，并通過氣體蒸發實現加工的，在高壓力下所產生的等離子體，能夠生成密度非常高的游離基，所以這種加工方法能達到與機械加工方法相匹敵的加工速度，加工工件的表面粗糙度可達0.1 nm。

2 非球面零件的超精密加工設備

超精密機床是實現非球面光學零件超精密加工的首要條件。目前，在超精密加工機床制造方面比較發達的國家有美國、日本、德國和英國。國際上生產超精密機床的廠家主要有：美國摩爾公司、普瑞泰克公司、泰勒霍普森公司，日本的東芝機械、不二越公司、豐田工機、發那科公司等，德國先代士勞公司、奧普特公司是生產超精密數控銑磨拋設備的著名廠家[5]。

另外，許多公司己將超精密車削、磨削、研磨以及拋光加工集成為一體，并且研制出超精密復合加工系統，可以使非球面零件的加工更加靈活。表1給出了目前國際上典型的、具有代表性的超精密加工機床及其性能指標。

表1 幾種典型的超精密機床技術性能指標

目前，美國超精密機床的水平最高，尤其是LLNL實驗室于1983～1984年研制成功的DTM-3和LODTM大型金剛石超精密車床是目前為止世界公認的最高水平的大型超精密機床；英國是較早從事超精密加工技術研究的國家之一，其Cranfield大學CUPE精密加工研究所是迄今第二個能制造大型超精密機床的機構；日本超精密加工技術的研究相對美、英來說雖起步較晚，但發展很快，其多功能和高效專用超精密機床發展較好，促進了日本微電子和家電工業的發展[5]。

3 我國非球面零件的超精密加工技現狀

我國對超精密加工技術的研究起步較晚，比國外整整落后20年。現在已有一些大學和科研單位開展非球面零件的超精密加工技術的研究工作，例如，哈爾濱工業大學、北京航空精密機械研究所、國防科技大學、北京機床研究所、中科院長春光機所等單位都在從事超精密機床的研制，均取得了一定的成果。

哈爾濱工業大學于2006年研制出了大平面超精密銑床，并已用于激光核聚變關鍵零件鐵電磷酸二氫鉀晶體的超精密加工[5]。

北京航空精密機械研究所在超精密切削加工及其裝備方面取得了顯著成果，于2003年研制出了Nanosys-300非球面超精密復合加工系統，加工出樣件的面形精度達到0.228μm，表面粗糙度Ra8.7nm[7]。

北京機床研究所于2005年研制的NAM-800型數控車床是新一代納米級加工機床。該車床的反饋系統分辨率為2.5 nm，機械進給系統可實現5 nm的微小移動，主軸的回轉精度為0.03 m，溜板移動直線度為0.15 m/200 mm，最大可加工直徑為φ800 mm，粗糙度Ra<0.008 m，面型精度<0.3 m/φ100 mm。

另外，大連理工大學在軟磨料砂輪超精密磨削技術方面取得了多項成果，對多種硬脆材料如藍寶石、單晶硅、KDP晶體等進行了超精密表面光整加工，其加工的單晶硅片表面粗糙度可達Ra0.7 nm。北京航天試驗技術研究所在超低溫球閥球體的精密加工方面取得了一定進展，對超精密研磨的工藝、磨料等進行了研究，采用超精密研磨方法加工的球體表面粗糙度達到了Ra0.01μm。

在CCOS技術方面，長春光機所研制了FSGJ-Ⅰ、FSGJ-Ⅱ、FSGJ-Ⅲ等數控非球面加工中心，并利用FSGJ-Ⅱ將一塊600 mm×300 mm的SiC離軸非球面反射鏡加工到面形精度RMS13nm；國防科技大學于2002年研制的集銑磨成型、研磨拋光、接觸式檢測于一體的光學非球面復合加工機床AOCMT，將φ500 mm/f3拋物面反射鏡面形精度加工到了RMS9.4 nm[5]。

在MRF技術方面，國防科技大學于2006年研制了可加工1 m口徑的MRF設備KDMRF-1000，加工的一塊φ200 mm/f1.6的光學玻璃拋物面鏡，獲得了RMS0.009λ的精度[5]；哈爾濱工業大學孫希威等[8]利用MRF加工了R41.3 mm、φ20 mm的K9光學玻璃球面，獲得了表面粗糙度Ra8.4 nm、面形精度PV57.9 nm的表面。

國防科技大學還對IBF技術進行了研究，于2006年研制成具備非球面加工能力的IBF設備KDIFS-500，可加工的最大工件為φ500 mm，加工的平面、球面和非球面的面形精度均達到納米量級[9]。

此外，蘇州大學對液體射流拋光（FIP）技術進行了研究，利用FJP技術將一塊φ90 mm的非球面鏡面形精度加工到了0.36λ，表面粗糙度達到Ra2.25 nm。哈爾濱工業大學對等離子拋光（CVM）技術進行了研究，中國科學院成都光電所和南京天文光學技術研究所對應力盤拋光（SLP）技術進行了研究[5]。

以上這些成果的取得，表明我國已經逐漸掌握了非球面光學零件的超精密加工技術，縮短了與世界發達國家的差距。但是我們也必須看到，國內非球面超精密加工技術的研究還是以大學和科研院所為主，真正的商品化應用實例還不多，而國外的技術產業化比較好，多為大學與公司合作的形式，能夠迅速將技術轉化為生產力。另外，我國在超精密加工設備上自主開發能力薄弱、產品自動化水平低、可靠性差、精度保持性差。

4 結束語

對國內外非球面光學零件超精密加工技術、設備以及發展情況進行了分析和總結，在肯定國內非球面超精密加工技術取得巨大發展的同時，也指出了我們與國外先進水平仍有巨大差距。

非球面光學零件的超精密加工技術涉及面寬，經費投入量大，根據我國現有國情，建議我們建立以企業為主體，產學研相結合的技術體系，重點開展超精密切削、磨削和拋光技術的基礎理論，超精密機床的關鍵技術、精度在線檢測和誤差補償以及超精密加工材料等的研究。

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[2]張坤領，林 彬，王曉峰.非球面加工現狀[J].組合機床與自動化加工技術，2007，（5）：1-5．

[3]OHMORIH,NAKAGAWA T．Mirror Surface grinding of silicon wafers with electrolytic in-process dressing[J]．Ann.CIRP,1990,39(1)：329-332．

[4]謝 晉.光學非球面的超精密加工技術及非接觸檢測[J].華南理工大學學報（自然科學版），2004，（2）：94-98．

[5]袁巨龍，張飛虎，戴一帆，等.超精密加工領域科學技術發展研究[J].機械工程學報，2010，26（15）：161-177．

[6]張 成.球面與非球面的區別[OL].中華機械網．http：//baikemachine365.com/arts/060411/22/105751.html.2006.

[7]王洪祥，宋興永，張龍江.非球面超精密加工機床的發展狀況[J].機械工程師，2005，5：14-15．

[8]孫希威，張飛虎，董 申，等.磁流變拋光去除模型及駐留時間算法研究[J].新技術新工藝，2006，（2）：73-75．

[9]戴一帆，周 林，謝旭輝，等.應用等離子束進行光學鏡面確定性修形的實現[J].光學學報，2008，28（6）：1131-1135．