圓弧角拋光加工技術(shù)研究

王光偉，龔云輝，王元康，周旭環(huán)，黃婭芳，董汝昆，郭春榮

(北方夜視科技研究院集團(tuán)有限公司 光學(xué)公司，云南 昆明 650217)

微光夜視儀是在夜間或低照度條件下，利用星光、月光和大氣輝光，通過(guò)像增強(qiáng)器，將人眼不易看見的極微弱星光和紅外輻射等進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和圖像增強(qiáng)，使之變成人眼容易看到的圖像，以實(shí)現(xiàn)夜間觀察和探測(cè)[1]。高品質(zhì)的微光夜視裝備是夜間作戰(zhàn)的眼睛和窗口，是打贏一場(chǎng)高新技術(shù)局部戰(zhàn)爭(zhēng)的堅(jiān)強(qiáng)后盾和有力保障之一[2-5]。微光夜視儀主要由物鏡、像增強(qiáng)器、目鏡等3部分組成，其中實(shí)現(xiàn)微光夜視功能的核心部件是微光像增強(qiáng)器，它是一種真空光電成像器件。光纖倒像器作為像增強(qiáng)器上的光學(xué)輸入、輸出窗口，是影響其成像品質(zhì)的核心器件[6-8]。

1 光纖倒像器概述

光纖倒像器是一種可以將輸入圖像反轉(zhuǎn)180°，使輸出圖像產(chǎn)生倒立的光纖光學(xué)器件[9]。其內(nèi)部光纖構(gòu)造同光纖面板一樣，是由數(shù)千萬(wàn)根直徑為4～6 μm的光導(dǎo)纖維嚴(yán)格地規(guī)則排列經(jīng)過(guò)加熱、加壓融合制備而成。其中每一根纖維均是由高折射率的纖芯玻璃和外層低折射率的包層玻璃構(gòu)成。當(dāng)光射入光纖倒像器時(shí)，在纖芯與皮層界面產(chǎn)生全反射，使入射光從輸入端傳送到輸出端[10]。目前主要用來(lái)代替微光夜視儀中的中繼透鏡系統(tǒng)，是二代、超二代和三代微光像增強(qiáng)器的關(guān)鍵元件，也被廣泛應(yīng)用于需要倒像的裝置中。光纖倒像器于20世紀(jì)首先由美國(guó)研制成功，其后一直由它向世界各國(guó)生產(chǎn)微光夜視儀的廠家供貨。目前，國(guó)際市場(chǎng)上對(duì)倒像器的需求量很大，每年需要光纖倒像器24萬(wàn)件，并以每年20%的速度增長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)的山西長(zhǎng)城微光器材股份有限公司與荷蘭DEP公司合作，于1995年成功研制出光纖倒像器[11]，是世界范圍僅有的3家可批量生產(chǎn)倒像器的企業(yè)之一(另外2家為美國(guó)肖特公司和美國(guó)INCOM公司)。目前，該產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如下：光纖單絲直徑達(dá)到4 μm，分辨率提高到128 LP/mm以上；降低了畸變，使切變≤35 mm，蛇變≤50 mm。可見國(guó)內(nèi)的夜視技術(shù)和器件在熱像領(lǐng)域和微光領(lǐng)域都取得了可喜的成就，但是隨著微光成像、射像成像、微光電視和大面積數(shù)字成像等高科技的發(fā)展，對(duì)作為光電成像技術(shù)中的新型光電子成像元器件之一的光纖倒像器提出了更高的技術(shù)和質(zhì)量要求，這就需要持續(xù)系統(tǒng)、全面、深入地分析和研究光纖倒像器的生產(chǎn)技術(shù)和工藝改進(jìn)，以適應(yīng)不斷發(fā)展的微光技術(shù)對(duì)光纖產(chǎn)品的需求，為制造高質(zhì)量的硬光纖器件提供可靠的保障[12]。

由于光纖倒像器材料與常見的光學(xué)元件材料不同，常見的光學(xué)元件材料為光學(xué)玻璃，在透過(guò)率、色散、光學(xué)均勻性、折射率等方面具有特定要求，盡管光學(xué)玻璃品種繁多、成分復(fù)雜、性能各異，但在加工中所采用的加工工藝大同小異。而光纖倒像器材料為光纖，該材料硬度較光學(xué)玻璃低，加工過(guò)程中易裂，表面易起水印。對(duì)于某些光纖倒像器而言，還存在較為特殊的形狀，如本文研究的光纖倒像器不僅存在臺(tái)階，而且臺(tái)階面(柱面)與平面的過(guò)渡位置存在圓弧角，該圓弧角需要精磨、拋光，這成為該光學(xué)元件加工的技術(shù)瓶頸，本文正是針對(duì)圓弧角加工開展相關(guān)技術(shù)研究。通過(guò)設(shè)備改造、工藝技術(shù)創(chuàng)新等改進(jìn)措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖倒像器圓弧角的加工，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足圖樣要求，為先進(jìn)光學(xué)領(lǐng)域中光纖倒像器的加工創(chuàng)造有利的技術(shù)條件。

2 光纖倒像器加工工藝

以某夜視系統(tǒng)(公司內(nèi)部計(jì)劃號(hào)SY2020-031)的光纖倒像器(陽(yáng)極面板)的加工工藝為例進(jìn)行闡述，該光學(xué)元件(光纖倒像器實(shí)物實(shí)拍圖如圖1所示，光纖倒像器光學(xué)元件圖樣如圖2所示)上下2個(gè)端面皆為平面，上端面需要切臺(tái)階(下文中，臺(tái)階面稱為小面，非臺(tái)階面稱為大面)，在小面邊緣位置與柱面過(guò)渡位置有1個(gè)R=0.5 mm的圓弧角，其余具體外形尺寸各具有特定要求。具體技術(shù)指標(biāo)要求如下：切變細(xì)磨后再進(jìn)行拋光才能滿足該項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求；對(duì)于該產(chǎn)品而言，如臺(tái)階深度、臺(tái)階面直徑(小面外圓直徑)、零件總厚度、大面直徑等，可以通過(guò)成型設(shè)備進(jìn)行加工，并不存在加工技術(shù)上的難點(diǎn)；對(duì)于大面、小面，應(yīng)滿足面型精度光圈N=5、局部光圈ΔN=0.5、表面疵病B=IV、表面粗糙度為Ra0.012 μm等指標(biāo)要求，采用普通的平面精磨、拋光設(shè)備及常規(guī)的平面加工工藝即能可滿足相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求。而對(duì)于R=0.5 mm圓弧角(以下簡(jiǎn)稱R0.5圓弧角)的加工，采用普通的加工設(shè)備及常規(guī)的加工工藝無(wú)法滿足相關(guān)技術(shù)要求，因此，對(duì)于R0.5圓弧角的加工成為整個(gè)光纖倒像器加工中的瓶頸問題。對(duì)于該產(chǎn)品R0.5圓弧角的加工，考慮到二次裝夾易造成幾何精度偏差增大，因此本工藝只進(jìn)行一次裝夾固定的方式進(jìn)行精磨、拋光加工，所采用的加工設(shè)備為改造過(guò)的定心磨邊機(jī)。

圖1 光纖倒像器實(shí)物圖

圖2 光纖倒像器光學(xué)元件圖樣

2.1 光纖倒像器圓弧角R精磨工藝

精磨又稱為細(xì)磨。它是介于粗磨與拋光2個(gè)工序之間的重要工序。精磨主要目的有兩個(gè)：一是使光學(xué)元件表面凸凹程度變小，以達(dá)到能被拋光去除的程度，如以離散磨料加工情況下，表面粗糙度在12 μm以下，以固著磨料工具(如金剛石磨輪)加工情況下，表面粗糙度在8 μm以下；二是使光學(xué)元件面型精度(如圈N、局部光圈ΔN)達(dá)到一定要求，從而為拋光工序做好準(zhǔn)備。

本文研究的光纖倒像器，由于圓弧角R0.5較小，因此無(wú)法將零件進(jìn)行粗磨，而是直接進(jìn)行精磨，做作拋光處理。在精磨加工過(guò)程中，對(duì)于技術(shù)指標(biāo)控制方面，光纖倒像器除表面粗糙度與常規(guī)光學(xué)元件要求相當(dāng)外，其余有所區(qū)別，比如常規(guī)光學(xué)元件需要控制面型精度(如圈N、局部光圈ΔN)，而光纖倒像器圓弧角R0.5只需要控制外形尺寸公差(R=0.5 mm±0.1 mm)，不需要控制面型精度等指標(biāo)。

本文由于是針對(duì)光學(xué)元件圓弧角精磨加工，不適于采用離散磨料方式加工，只能考慮采用固著磨料工具加工。精磨主要控制兩個(gè)方面指標(biāo)：一是為了使光纖倒像器直角邊成型為R=(0.5±0.1) mm圓弧角；二是使圓弧角表面粗糙度≤Ra0.8 μm，滿足拋光加工要求。

對(duì)于光纖倒像器圓弧角R0.5的精磨加工，首先應(yīng)根據(jù)光纖倒像器尺寸規(guī)格、定心磨邊設(shè)備、工件軸接頭尺寸設(shè)計(jì)相應(yīng)的收管夾具(見圖3)。

a) 裝夾零件前

b) 裝夾零件后圖3 光纖倒像器收管夾具圖

由于該光纖倒像器圓弧角R0.5不同于常規(guī)光學(xué)元件的球面或平面，因此不能采用常規(guī)的球面或平面精磨設(shè)備加工，常規(guī)精磨設(shè)備也不具備加工圓弧角的功能，只能采用手工加工。選用定心磨邊設(shè)備，在精磨加工中僅僅只是起到裝夾定位作用，另一個(gè)最主要的原因是為拋光的需要，因?yàn)閽伖庵荒茉谠撛O(shè)備上進(jìn)行，這是其他設(shè)備不能替代的。

要了解定心磨邊設(shè)備特性，先簡(jiǎn)單介紹光學(xué)元件中心偏差。所謂中心偏差就是光學(xué)元件(主要是透鏡)外圓的幾何軸(透鏡外圓的對(duì)稱軸)與光軸(透鏡兩球面的曲率中心線)在透鏡曲率中心處的偏差程度。定心就是使透鏡的光軸與幾何軸重合或在一定公差范圍內(nèi)；磨邊就是將定心后的透鏡進(jìn)行對(duì)稱磨外圓，使透鏡在裝配過(guò)程中實(shí)現(xiàn)外圓與光軸的共軸性。

定心磨邊設(shè)備具有如下加工特性。

1)對(duì)透鏡外圓進(jìn)行平行磨削。平行磨削是磨輪的軸線與透鏡軸線平行，磨輪以最大的線速度磨削零件，是一種最常見的磨邊方式。運(yùn)動(dòng)方式：磨輪軸旋轉(zhuǎn)，工件軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)可以伸縮式來(lái)回進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

2)對(duì)透鏡外圓進(jìn)行傾斜磨削。有些光學(xué)透鏡根據(jù)系統(tǒng)裝配要求，如需要對(duì)零件外圓面進(jìn)行切臺(tái)階、磨斜角等，因此工件軸可以偏轉(zhuǎn)一定的角度，對(duì)于一般磨邊設(shè)備，角度偏轉(zhuǎn)范圍為0°～45°，運(yùn)動(dòng)方式為磨輪軸旋轉(zhuǎn)，工件軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)可以伸縮式來(lái)回進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

鑒于本研究所需加工的光纖倒像器圓弧角R的特征，再結(jié)合定心磨邊設(shè)備所具備的功能情況，因此選擇在定心磨邊設(shè)備上加工該元件。至于選擇在定心磨邊設(shè)備上進(jìn)行精磨圓弧角R，主要是為該光學(xué)元件下一步拋光工序考慮，這樣零件只需經(jīng)過(guò)一次裝夾，避免重復(fù)裝夾帶來(lái)的相關(guān)精度指標(biāo)超差。

根據(jù)光纖倒像器外徑及圓弧角R尺寸要求設(shè)計(jì)相應(yīng)的精磨磨具(見圖4和圖5)。

圖4 光纖倒像器圓弧角精磨磨具

圖5 光纖倒像器圓弧角精磨磨具圖樣

加工方式：裝夾光纖倒像器的工件軸旋轉(zhuǎn)，精磨磨具對(duì)準(zhǔn)光纖倒像器的小面邊緣位置，確保接觸后固定精磨磨具，精磨磨具圓弧角R位置電鍍區(qū)域的金剛砂磨削光纖倒像器的小面邊緣，使邊緣位置成型為R=0.5 mm的幾何形狀。

為達(dá)到較為理想的表面粗糙度，對(duì)精磨磨具電鍍金剛砂的粒度具有嚴(yán)格要求，粒度太大，精磨出來(lái)的光學(xué)元件表面粗糙度太大，難以滿足拋光要求；粒度太小，表面粗糙度小，但磨削力低，甚至難以達(dá)到對(duì)零件進(jìn)行有效磨削，因此對(duì)于本研究，經(jīng)過(guò)反復(fù)工藝試制可知，采用粒度為1500#較為理想。其余參數(shù)控制方面：工件軸轉(zhuǎn)速一般為80～100 r/min，轉(zhuǎn)速過(guò)低或過(guò)高，對(duì)光纖倒像器圓弧角R位置的表面粗糙度都具有非常明顯的影響。單件加工時(shí)間為10～15 s。時(shí)間控制也很關(guān)鍵，若加工時(shí)間不夠，光纖倒像器圓弧角R不能滿足要求，時(shí)間超了會(huì)出現(xiàn)光纖倒像器圓弧角R超差情況，當(dāng)然，對(duì)于二者的控制還應(yīng)視具體加工情況而論，不是一成不變的，因?yàn)榫ツゾ呒庸ち慵?shù)量多了，磨具電鍍層本身也存在一定的磨損消耗情況，模具消耗的多了，磨削力下降，加工時(shí)間就需要延長(zhǎng)，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際操作情況而定。

精磨光纖倒像器圓弧角R過(guò)程中除了轉(zhuǎn)速和時(shí)間需要控制外，對(duì)于精磨以后的零件，應(yīng)采用干凈的毛刷或擦布對(duì)零件圓弧角R位置、圓柱面、平面等位置進(jìn)行擦拭，清除干凈零件表面上殘留的電鍍磨具脫落的金剛砂，避免在下一步的拋光過(guò)程中劃傷零件表面，因此應(yīng)確保零件精磨完成后表面無(wú)殘留物。

2.2 光纖倒像器圓弧角R拋光工藝

拋光是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，由于學(xué)者研究角度不同，目前對(duì)拋光本質(zhì)還未形成一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，綜合起來(lái)，拋光機(jī)理存在物理、化學(xué)相結(jié)合的多種理論。

對(duì)于光學(xué)元件的拋光，通常有兩個(gè)目的：一是將精磨加工后留在光學(xué)元件表面的破壞層全部去除，變成潔白無(wú)瑕的表面；二是光學(xué)元件加工成圖樣所要求的面型精度，也就是達(dá)到圖樣規(guī)定的光圈。對(duì)于本研究而言，光纖倒像器圓弧角R0.5位置在圖樣中并沒有光圈指標(biāo)要求，而是對(duì)圓弧角的光潔度及圓弧角公差提出要求。

從光纖倒像器光學(xué)元件圖樣(見圖2)中可以看出，對(duì)該光學(xué)元件圓弧角R0.5的拋光，按常規(guī)光學(xué)元件拋光工藝，制作帶有內(nèi)圓弧角R0.5這么微小的拋光模顯然行不通，因?yàn)槟壳白畋〉膾伖廨o料都具有0.5 mm的厚度，就算在拋光磨具上貼一層拋光輔料并加工出R0.5的圓弧角，如此微小的角度，稍有磨損，拋光磨具的半徑R0.5即可發(fā)生變化，半徑一旦變大，拋光模具就會(huì)損傷甚至破壞平面的光潔度及面型精度(平面有面型精度要求)。

為解決該光纖倒像器圓弧角R拋光方面存在的難題，專門設(shè)計(jì)并制作出專用環(huán)形拋光磨具(見圖6)。

a) 基體圖

b) 貼上毛氈后圖6 環(huán)形拋光模具

拋光加工原理：將定心磨邊設(shè)備工件軸偏轉(zhuǎn)45°角，使光纖倒像器圓弧角R位置接觸磨輪軸上的環(huán)形拋光模具毛氈面，并適量壓在環(huán)形拋光模具圓柱面(毛氈面)上(壓力可根據(jù)操作者經(jīng)驗(yàn)調(diào)整)。開啟設(shè)備，磨輪軸旋轉(zhuǎn)，工件軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)做來(lái)回伸縮式進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中手工對(duì)毛氈面添加拋光液，依靠毛氈固有的彈力對(duì)光纖倒像器圓弧角R位置進(jìn)行拋光(見圖7)。通過(guò)大量的加工實(shí)踐，采用此法加工工藝穩(wěn)定可控，單件加工時(shí)間為3～5 min；對(duì)于毛氈的更換，通常情況下，采用厚度為3 mm的毛氈，加工150～200件零件更換一次；采用厚度5 mm的毛氈，加工200～300件零件更換一次。

圖7 加工實(shí)拍圖片

采用磨邊設(shè)備加工光纖倒像器圓弧角，除了采用上述專門設(shè)計(jì)的拋光磨具外，還需要滿足另外一個(gè)條件：對(duì)磨邊設(shè)備進(jìn)行一定的改造，應(yīng)在設(shè)備上安裝變速調(diào)制器裝置，使設(shè)備做到磨輪軸(主軸)轉(zhuǎn)速可調(diào)可控。通常磨邊磨輪軸轉(zhuǎn)速為1 500～2 000 r/min，而且設(shè)備轉(zhuǎn)速是固定的，如此高的轉(zhuǎn)速對(duì)拋光加工而言顯然不可行，首先是拋光模具上的毛氈易脫落，其次是拋光液添加上去很快就被甩落，因此只有安裝調(diào)速器后將主軸轉(zhuǎn)速調(diào)整至150～200 r/min，才能進(jìn)行有效拋光工作。

2.3 加工工藝技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)

該加工工藝技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)如下：1)采用定心磨邊設(shè)備作為精磨、拋光設(shè)備，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行一定的改造(安裝變速調(diào)制裝置)；2)采用帶有圓弧角R的電鍍磨輪作為精磨磨具；3)采用環(huán)形磨具的圓柱面作為拋光磨具工作面；4)加工方式獨(dú)特，在目前國(guó)內(nèi)所有加工方法中，具有一定的創(chuàng)新性。

3 光纖倒像器圓弧角R檢測(cè)

按照光學(xué)元件圖樣要求，對(duì)完工后的光纖倒像器圓弧角R檢測(cè)包括如下：圓弧角R(0.5±0.1) mm，采用角規(guī)進(jìn)行檢測(cè)；表面粗糙度Ra0.012 μm及光潔度B：4×0.025，采用5倍放大鏡檢測(cè)，具體按照光學(xué)元件表面質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判定。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹一種對(duì)光纖倒像器圓弧角R的加工技術(shù)，該技術(shù)為一種新型環(huán)形加工技術(shù)。通過(guò)大量加工實(shí)踐證明，采用該技術(shù)加工出來(lái)的光纖倒像器圓弧角滿足圖樣設(shè)計(jì)要求，批量加工時(shí)光學(xué)元件一致性很好，證明該技術(shù)能有效滿足對(duì)光學(xué)元件圓弧角的加工，具有加工周期短、效率高、工藝穩(wěn)定可控等優(yōu)點(diǎn)，在精磨、拋光加工中的各項(xiàng)工藝技術(shù)方面提供了技術(shù)支撐，同樣也為先進(jìn)光學(xué)領(lǐng)域中高精度零件的研制和生產(chǎn)創(chuàng)造了有利的技術(shù)條件。