桂林光隆光学科技有限公司 广西桂林 541004
摘要：在现代光学透镜表面加工中，加工过程分为粗磨、精加工和抛光，在平面磨床、镜片铣床、精加工、抛光等特殊设备上分别进行。由于这些光学加工机床的行程、工作台等结构参数的限制，可以加工的零件的尺寸是有限的。研究了光学玻璃的研磨方法。
关键词：光学玻璃；磨削加工；方法
前 言：在高速精密磨削中，工件由磨床组成，即工件的几何精度由磨床的几何精度保证。零件的几何精度可能会随着磨料磨损的不同而变化。在研磨过程中，金刚石颗粒和粘结剂具有较高的强度，金刚石颗粒不易脱落。在精细研磨过程中，研磨表面的粘结剂要么是由于金刚石本身的自旋性质而机械地自锐，要么是由于一种优良的制冷剂而化学地自锐。特别是，用于机械和化学切割的精密铜基破碎机在低粗糙度表面很难精炼。钝化磨料的使用无疑降低了精整机的效率和质量。通过消除磨机的被动精加工方式，提高磨机的效率和质量是当务之急。
1 传统加工工艺存在的问题
由于光学玻璃的硬度和脆性，传统的加工工艺常用于高精度光学玻璃零件。但该工艺适用于大型普通表面的磨削和抛光，难以满足基体钻孔、掘进和精加工的高精度要求。体积为（83±0.05）mm×（52±0.02）mm×（10±0.02）mm；的玻璃基板；8个公差为±0.05 mm的圆孔；前缘1.3 mm宽的4个凹槽公差为±0.01 mm，窄槽横向粗糙度低，对称性好。如果使用传统的处理方法，会出现以下问题。
1.1 钻孔的精美问题
在光学元件的制造中，钻孔是常用的。在打孔过程中，存在圆锥度、中心偏转、边缘破碎、破片等问题。这种钻孔方法可以满足精度不高的孔的加工要求，但传统方法不能满足精度高、轴向定位误差大的孔的加工要求。与此同时，钻孔的质量也取决于操作者的能力，因为传统的钻孔方法是由工人操作的。
1.2 切槽问题
由于玻璃的硬脆特性，崩边是不可避免的。然而，玻璃基板的切边现象直接影响到工件后续涂层的平整度，从而影响成品的测量精度。因此，有必要将边缘塌陷控制在最小值。如果不注意工艺，边缘塌陷现象会导致玻璃基板报废。
1.3 切割精度
由于对精确测量的要求，一对玻璃基板对涂层表面的重合性有很高的要求，误差不超过丝米水平。传统的抛光工艺不仅周期长、成本高，而且难以保证涂层表面处理的准确性。
2 光学玻璃精密加工技术
光学玻璃超精密加工的技术难点在于，光学玻璃是一种典型的坚硬脆性材料，其特点是脆性高，断裂强度低。传统的处理方法很难达到高表面质量。光学玻璃的高精度加工一般采用以下几种方法进行：
2.1 在线电化学在线SS敷料（ELID）
光学零件不仅加工精度高，而且表面无变质层。在这样的加工要求下，硬脆材料的延性磨削就发生了。当每个磨粒去除的材料体积小到塑性流动而不发生脆性断裂即裂纹时，实现了韧性模式的“无损伤”磨削。自1987年以来，日本学者开始研究铸铁纤维结合剂金刚石砂轮等具有高强度金属结合剂的超硬磨料，并发展了电熔tic磨削法（ELID）。利用ELID在线修整金刚石砂轮磨削硅片、陶瓷等硬脆材料，可以获得纳米加工表面，实现硬脆材料的超精密磨削。目前已成功应用于球面、非球面透镜及模具的超精密加工。采用ELID磨削技术在超精密非球面加工机上加工BK7光学玻璃的非球面透镜。
表面粗糙度为20nm，表面精度优于0.2μM；对于lasfn30和Ge的非球面，表面粗糙度为0.2～0.3μM，表面粗糙度为30nm。ELID磨削技术作为一种实用的非球面光学零件制造技术，可以将零件的最终抛光量降至最低。用ELID磨削光学玻璃时，脉冲频率的大小也很重要。在其他参数不变的情况下，脉冲频率越高加工的工件表面质量越好，但频率过高则表面质量下降；频率过低，表面质量会显著降低。为了在磨削过程中保持良好的刃口状态，必须使氧化膜薄而致密。选择较小的电压可以提高加工质量。
2.2 激光加工
激光加工是一种更适合于单件、小批量加工的现代精密加工方法。其独特的优点是无接触、无切削力、热冲击小、加工环境整洁。在生产和试验中，利用激光的高能量密度，使玻璃局部瞬间熔化甚至汽化，进行刻印、内外刻印、钻孔和切割，或利用热应力使材料内部产生裂纹，使裂纹沿规定方向扩展，达到切割的目的。理论上，激光可以将任何材料研磨到所需的尺寸。在本研究中，使用两束CO2激光进行处理。一种用于对光学玻璃工件进行预热以降低温度梯度，另一种用于加工工件。预热激光束在加工激光束的前面，两束激光束之间有固定的距离。加工所用工件为碳酸钙玻璃，试验分为预热和非预热两种情况。结果表明，采用单光束CO2激光（即不预热）时，工件表面温度变化迅速。虽然采用单束和双束CO2激光使工件表面达到合适的加工温度，但两束CO2激光产生的热应力为23.6mpa，远低于单束CO2激光产生的34.7mpa的热应力。同时，单次激光加工所产生的最大拉应力远大于两束激光的最大拉应力。因此，采用双光束激光加工不仅可以提高加工质量，而且可以有效降低试样表面的热应力。
2.3 超声磨削
超声磨削是将超声技术与磨削技术相结合的一种复合加工方法。超声磨削包括超声抛光和超声珩磨。超声磨削具有加工效率高、表面质量好、刀具磨损小、成本低等优点。表面粗糙度随超声振幅、切削深度和刀具横向进给量的增加而增大，随超声频率、粒度和刀具转速的增加而减小。超声磨削的材料去除率很高，约为常规磨削的2-2.5倍。而且刀具磨损很小，仅为常规磨削的1/5-1/10。随着磨料粒度的增大，加工表面质量和刃口塌陷直径均随磨料粒度的增大而增大。但不存在热变形、内应力变形等加工缺陷。超声波抛光属于超精密加工的范畴。可作为超精密加工的最终加工工序，保证被加工工件的尺寸精度和表面质量。广泛用于加工各种硬脆材料，以及平面和复杂曲面。与普通珩磨相比，超声珩磨的磨削槽不仅宽而平，而且槽顶平整，没有断续现象。常规珩磨的延性域临界磨削深度小于1.5μm，而超声珩磨的临界磨削深度可达3μm，在较高转速下获得的粗糙度值比常规珩磨高1-2个等级。
2.4 精密铣削及超声铣削
硬脆材料光学玻璃的铣削加工，使其表面达到高精度是不可能的，但通过合理的设计方法是不可能实现的。在铣削加工过程中，当刀具倾斜一定角度时，可以大大提高表面质量。当刀具倾斜一定角度时，通过选择合适的工艺参数，可以使铣削过程保持在延性状态。结果表明，加工表面无裂纹，表面粗糙度Ra控制在60nm以下。超声铣削是近年来发展起来的一种新的加工方法，特别适用于硬脆材料复杂型腔的加工。超声铣削加工是在计算机的控制下，利用简单的成形刀具和数控程序，在X-Y平面上实现二维轮廓加工。同时，实现了z轴方向的逐层送料，将复杂曲面的成形过程转化为逐层的去除加工。在刀具三种运动的综合作用下，磨粒不断锤击、冲击、抛光和划伤工件表面，完成加工。通过铣削力实验，发现超声铣削的铣削力远低于普通铣削。在加工过程中，铣削参数和进给量对铣削力影响较大，对切削深度影响较小。与传统超声加工相比，超声铣削大大简化了超声加工过程的控制，不仅提高了整个系统的加工柔性，而且降低了加工成本。该加工方法适用于中小型腔、薄曲面、复杂曲面和组合曲面的加工。超声加工可使加工时间缩短5倍，因此超声铣削是加工光学玻璃的最佳选择之一。由于玻璃对切削力的变化很敏感，为了获得良好的加工表面，必须尽量保持磨削系统的稳定性。然后将研磨得到的准光学表面抛光成光学表面。在讨论了有限的技术方面，在将这种技术应用于生产实践之前还有许多工作要做。
参考文献：
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