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1、光学零件加工技术薛常喜光电工程学院,光学玻璃的熔炼过程是极其复杂的。（多种氧化物）首先要精心选料，按精确的配方，再按严格的工艺规程进行熔炼。熔炼后的玻璃要制成一定形状尺寸的玻璃块、玻璃砖，再经过退火和检验后方能使用。玻璃的成型和退火是光学玻璃生产中重要关键一环节。,第三章光学零件毛坯的生产,一.玻璃的成型的方法 把熔炼后的玻璃制成玻璃块、板、砖的过程，是玻璃的成型。1.浇注法成型玻璃块（出炉温度、精度）2.滚压法成型玻璃板3.槽沉法成型玻璃砖以上三种方法成型的玻璃，都要送到退火炉内进行退火,光学零件毛坯的生产第一节熔炼玻璃的成型和退火,二、精密退火1、什么是精密退火 玻璃成型后，要在一定温度范
2、围内进行均匀、缓慢的冷却，这一冷却过程称为退火。为达到光学均匀性，光学玻璃的退火规程比普通玻璃严格得多，故称精密退火。2、精密退火的目的 精密退火的目的是为了消除玻璃内应力和各部分的光学均匀性。光学均匀性指同一块玻璃内个各部分折射率变化的不均匀程度。,光学零件毛坯的生产第一节熔炼玻璃的成型和退火,内应力或光学均匀性，二者产生的原因均是由于熔炼后玻璃从熔融状态再成型时，冷却速度很大，降温速度快，使玻璃内部温度比外层高，因此产生。光学均匀性引起折射率不同，是逐渐变化的，不能用折 射仪测出，影响鉴别率 此外，残余应力的存在，会破坏玻璃的各向同性，产 生应力双折射和各部分折射率不同；应力大的玻璃在加
3、工过程中，当遇到温度变化或受外力作用时，容易炸裂，故必须精密退火，最大限度地消除内应力和光学均匀性。不同牌号的玻璃，其最佳退火温度范围亦不同，这一 温度范围称为该牌号玻璃的退火区域。,光学零件毛坯的生产第一节熔炼玻璃的成型和退火,3、退火温度区域冷却时，内应力的控制 当温度变化时，由于玻璃的导温系数小，故外层与内部之间会产生温度梯度T（变化速率）。温度由低到高，梯度为正，反之，为负。导温系数K：材料传递温度快慢的能力。导温系数小，当周围温度变化时，玻璃内外温度趋于一致所需要的时间就越长。,光学零件毛坯的生产第一节熔炼玻璃的成型和退火,三、浇注光学玻璃的退火 浇注光学玻璃的退火分为二个阶段1、快
4、速降温 从浇注温度经过迅速冷却到退火温度（或略高于退火温度），在此期间，由于温度仍较高，分子运动活跃，分子的运动和位置的调整是以抵消冷却引起的应力。故可快速降温。,光学零件毛坯的生产第一节熔炼玻璃的成型和退火,三、浇注光学玻璃的退火 浇注光学玻璃的退火分为二个阶段1、快速降温 从浇注温度经过迅速冷却到退火温度（或略高于退火温度），在此期间，由于温度仍较高，分子运动活跃，分子的运动和位置的调整是以抵消冷却引起的应力。故可快速降温。,光学零件毛坯的生产第一节熔炼玻璃的成型和退火,2、退火降温 退火降温指从退火温度到低于退火温度以下1000C1500C范围内的冷却。该区间分子活动能力大大降低，会产生
5、应力。退火温度上保温68小时，使炉内玻璃内外温度均衡一致，然后再按退火规定严格控制降温速度。前部分为快速降温，后部分为退火降温,光学零件毛坯的生产第一节熔炼玻璃的成型和退火,目前，光学零件的毛坯有三种：.块料：古典式，原材料消耗大，工序多，生产效率低，只适用于小批量或单件多品种生产。.型料：有热压成型和液态成型两种。前者推广使用，后者由于受光学玻璃池炉熔炼尚未普及的限制，仅在眼镜行业中应用。型料加工工艺、生产效率高，工艺流程短，大大减少了原材料的消耗，也有利于实现光学加工的机械化和自动化。余量大，费料，二次成型.棒料：近年新方法，降低成本，有利于半自动化生产。块料毛坯锯切整平划割胶条滚圆开球面
6、,光学零件毛坯的生产第二节块料毛坯的生产,一、块料毛坯的锯切 锯切的目的是将大块玻璃材料，按要求的尺寸和角度切割成小的块料。锯切的方法有两种：一是散粒磨料锯切；二、是金刚石锯片锯切。1、散粒磨料锯切（又称泥锯）：只需一台电动机，通过皮带驱动装有金属圆片的主轴，伴加磨料即可锯切玻璃。线速度10m/s左右，送料方式为手推。优点：简单易行，比较经济。缺点：锯口较宽（约23mm）且有斜度，精度差，效率不 高，劳动强度大，逐渐将被新工艺所取代。原始：金属圆片加金刚砂、水，浪费大，效率低，条件差,光学零件毛坯的生产第二节块料毛坯的生产,2、金刚石锯片锯切：金刚石锯片锯切是以固着有金刚石的锯片代替金属圆片，
7、加散粒磨料的方法对玻璃进行切割。该方法效率高，精度高，改善了劳动条件，有利于实现自动化加工。线速度2040m/s。工件进给量的大小根据工件尺寸、锯片性能和机床结构参数来选择。现在：金刚石镶嵌在四周，从而达到金刚石锯片切割,光学零件毛坯的生产第二节块料毛坯的生产,就进给方法来分，大体分为两种：1.弹性进给或自由进给法；2.刚性进给或强制进给法。就其进给结构的特点不同，又分为 1.重锤进给 2.丝杠进给 3.液压进给（1）重锤进给（弹性进给）锯片按在工具轴上作旋转运动块料紧固在工作台上作前后运动借助滚珠、滑轮、重锤进给 图3.1重锤进给机构原理,光学零件毛坯的生产第二节块料毛坯的生产,（2）丝杆进
8、给（刚性进给）：玻璃安装在工作台上，锯片装在沿丝杆移动的滑架上，整个切割进给机构沿导轨移动图3.2丝杠进给机构原理1滑架；2锯片；3丝杠；4导轨；5挡板；6玻璃块；7工作台 这类机器一般采用机动，也可操作右边手轮，以手进给。锯片前进速度一般40120mm/分。线速度以2035m/s为宜。,光学零件毛坯的生产第二节块料毛坯的生产,（3）液压进给：液压传动进给机构，多用射流自动控制进刀、退刀，传动平稳，适合精密下料，精度高，操作简单，切下的料线性尺寸精度可达0.05mm，角值精度可达到5。常用的金刚石锯片有外圆锯料机上用的烧结金刚石锯片和内圆切割机上用的电镀金刚石锯片。金刚石在锯片上的固结方法主要
9、是压制烧结和电镀两种。前者金刚石粒度为60#80#，浓度为100130%；后者金刚石粒度为80#W40，每片含金刚石0.5克拉。,光学零件毛坯的生产第二节块料毛坯的生产,二、整平、划割、胶条、滚圆（一）整平：目的把锯切后不平整表面磨平或修磨厚度、角度、平行平面，为胶条工序创造条件。方法：散粒磨料研磨：带有铸铁平盘的粗磨机上手工操作。金刚石磨轮铣磨：第二面用胶粘在平模上，平面铣磨。（二）划割：玻璃板或板料用玻璃刀划割成小块，划割后的玻璃小块可用滚刀加工。,光学零件毛坯的生产第二节块料毛坯的生产,（三）胶条：为了便于坯料磨外圆或粗磨棱镜棱面，用粘结胶把零件坯料胶成长条，可提高效率精度。胶条的长度取
10、决于长条的强度，即当坯料直径或棱镜宽度较大时，长条长度可大些，一般取直径或宽度与长度之比为1：41：10；胶：松香（硬）、蜂蜡（软）按一定比例 图3.3胶条1保护玻璃；2胶层；3工件,光学零件毛坯的生产第二节块料毛坯的生产,（四）滚圆 圆形零件的毛坯，在胶条后需要滚圆，常用在平磨盘上散粒磨料滚圆和用碳化硅砂轮在磨床上磨外圆两种方法。1.散粒磨料滚圆：即在平模盘手工搓外圆，由四方到八方，再到十六方，继续下去。2.磨床磨外圆：借用机械加工的外圆磨床磨光学元件，一般用普通外圆磨，工件直径较小时用无心外圆磨。公差在0.05mm以内。,光学零件毛坯的生产第二节块料毛坯的生产,（1）普通外圆磨床磨外圆：工
11、件为已胶好的长条，工件长度视直径大小而定，一般取直径和长度比为1：10。为了防止玻璃被夹碎，两平面接头各粘一块毡垫。磨床开动后，工件、砂轮相对旋转，工作台左右往复运动，通过进刀手轮带动砂轮架横向进刀，对玻璃长条进行磨削。所用磨具多为陶瓷结合剂碳化硅砂轮，粒度为60#100#，砂轮硬度取中软为好，砂轮尺寸视磨床规格而定，砂轮线速度一般为2535ms。图34 普通外圆磨床磨外圆1拨盘；2毡垫；3工件；4砂轮；5接头；6一顶尖,光学零件毛坯的生产第二节块料毛坯的生产,(2)无心外圆磨磨外圆 对于直径小于7mm的零件毛坯，一般将料切成长条，在无心外圆磨床上磨成圆柱，然后按所需要厚度切片，这种加上效率较
12、高。图35 无心外圆磨工作原理图 1砂轮；2工件；3导轮；4支板,光学零件毛坯的生产第二节块料毛坯的生产,无心外圆磨工作原理如上图所示。工件放置在砂轮与导轮之间，下面由支板挡住。砂轮与导轮的旋转方向相同，但速度不等，砂轮的线速度大得多，导轮与工件之间摩擦力也大，所以工件被导轮带动并以与导轮相反的方向旋转，砂轮将上工件磨圆。为适应玻璃工件易碎的特点，导轮系耐磨橡皮制成。导轮与砂轮轴线保持一倾角(约l度一6度)，目的是使工件自动纵向进给。调整倾角的大小，可改变工件进给速度。3、磨外圆余量：根据毛坯直径大小，一般取24mm。磨外圆的公差，对不需要定心磨边的零件，如平面镜、分划板等，磨外圆公差一般取0
13、.100.2mm。若铣磨球面采用真空吸附的装夹方法，则真径公差应取-0.02-0.05mm。,光学零件毛坯的生产第二节块料毛坯的生产,三、开球面 透镜毛外的开球面，是将滚圆后的毛坯磨出球面形状，使其达到零件粗磨完工后的曲率半径和中心厚度的要求，所以开球面亦称粗磨。它是光学加工三大基本工序之一。粗磨有散粒磨料研磨和金刚石磨轮铣磨两种方法。前者是古典的手工操作法，后者是先进的机械加工方法(详见第四章)。粗磨零件曲率半径的检验，一般用金属弧形样板或用贴置模检查掐擦度；厚度用千分尺测量；表面租糙度用肉眼观察，无砂眼和擦痕即可。,光学零件毛坯的生产第二节块料毛坯的生产,块料加工外圆切割 在外圆切割机上，
14、用粒度为60#80#、浓度为100%130%的烧结金刚石锯片锯切玻璃。,外圆切割,内圆切割,内圆切割 在内圆切割机上，用粒度为280#W40、每件含金刚石0.5克拉的电镀金刚石锯片锯切玻璃。,光学零件毛坯的生产第二节块料毛坯的生产,光学零件的外圆铣磨工艺,手工滚圆,机器磨外圆外圆磨床加工外圆,外圆磨床,加工示意图,手工滚圆,光学零件毛坯的生产第二节块料毛坯的生产,外圆铣磨机加工外圆,外圆铣磨,外圆铣磨机采用光学筒形砂轮，在铣磨时，砂轮与工件旋转轴形成某一角度（一般为30左右），使一次的磨削量增大。,加工示意图,光学零件毛坯的生产第二节块料毛坯的生产,无心磨床加工外圆,无心磨床,主要用于加工直径
15、小于17mm的工件。工件的进给速度由导轮与砂轮轴线之间的夹角决定。,加工示意图,光学零件毛坯的生产第二节块料毛坯的生产,外圆加工余量及公差,加工余量,光学零件毛坯的生产第二节块料毛坯的生产,公 差,光学零件毛坯的生产第二节块料毛坯的生产,外圆加工常见的问题及产生的原因（1）,光学零件毛坯的生产第二节块料毛坯的生产,外圆加工常见的问题及产生的原因（2）,光学零件毛坯的生产第二节块料毛坯的生产,热压成型毛坯的生产（二次加热法）热压成型（眼镜片）和槽沉法一、热压成型法（二次加热法）热压成型法，是一种无屑加工的热加工方法，把玻璃切成一定重量（零件+余量）的块料，放金属模具内，加热软化压制成所需要的零件
16、形状。工艺过程有：备料加热压制退火,光学零件毛坯的生产第三节热压成型毛坯的生产,1.备料 把符合零件要求的块料通过计算，称重（零件+余量）、开料、选修、滚圆等工序，制成热压成型所需要的坯料。坯料的制备有热加工和冷加工方法。2.加热 加热则指坯料加热塑性变形温度，便于压型，同时对于压模也要加热到相应的程度。对玻璃加热的设备多采用带有控温装置的箱式电炉或隧道式电炉。坯料加热时间的长短与其形状、大小、厚度以及压型机压力大小等因素有关。一般只要坯料在炉内能用拍型板将棱角压圆即可压型。,光学零件毛坯的生产第三节热压成型毛坯的生产,3.压制成型 用拍型板将已加热软化后的坯料在压力机的压模内压制成型。零件的
17、形状，粗糙度取决于压模。压模：不锈钢；球墨铸铁4.退火 目的:(1)防止炸裂；(2)消除内应力和各部分光学均匀性；(3)微量调整光学常数。退火的方式(1)粗退火（草木灰预热，自然退火直500C；电炉恒温降至500C）(2)精密退火：,光学零件毛坯的生产第三节热压成型毛坯的生产,图36精密退火温度曲线型 升温：退火温度 恒温：消除应力 第一降温：慢，质量指标 第二降温 快,光学零件毛坯的生产第三节热压成型毛坯的生产,二、槽沉法成 利用玻璃坯料在塑性变形状态下，靠本身自重变形或真空吸热，使其充满具有一定形状和尺寸的模具。（1）自由槽沉 图37 自由槽沉1-槽沉模；2衬套；3软化的玻璃；4槽沉后的玻
18、璃,光学零件毛坯的生产第三节热压成型毛坯的生产,玻璃料的体积与槽沉后的玻璃毛坯体积相同，经准备后将玻璃连同槽沉模一起放入电炉内。槽沉后的毛坯经粗退火（冷却速度较快）降至退火温度（保温3小时）第一降温阶段350C/h冷却第二降温阶段680C/h，断电，自然冷却。精密退火和热压成型相同,光学零件毛坯的生产第三节热压成型毛坯的生产,（2）强制槽沉，在塑性变形温度下 用真空泵抽去槽沉模内的平板玻璃下的空气，在真空作用下，实现强制槽沉毛坯形状，在塑性变形温度下实现槽沉。图38强制槽沉1成型毛坯；2槽沉模；3玻璃毛坯,光学零件毛坯的生产第三节热压成型毛坯的生产,一.棒料毛坯的成型 我国生产棒料毛坯只是在最
19、近几年，目前应用不广，只作简介。棒料毛坯的成型是在特制的拉伸装置中完成的，玻璃块在坩埚内，加热至软化温度，软化了的玻璃具有流动性，慢慢流出坩埚，拉伸出一定形状的玻璃棒。,光学零件毛坯的生产第四节棒料毛坯的生产,二.用棒料生产零件毛坯 棒料生产零件毛坯的工艺过程为：滚圆、切割、清洗、开球面 其中滚圆、开球面的目的、加工方式与块料加工相同，而切割不同。切割的零件毛坯要保证厚度又要有平行差、粗糙度要求。（1）单锯片多棒切割法 滚圆完的棒料，多条粘结在工具上，锯片垂直棒料切割（2）静压切割法,光学零件毛坯的生产第四节棒料毛坯的生产,金刚石切割改进原始的，但仍浪费大，环境污染严重，我国在84年首次研制成半自动静压切割机。1、切割原理：划痕：在棒料圆柱面上按所需毛坯的厚度，划出划痕（划痕要求轴线垂直，有一定宽度和深度）涂液：涂以粘度低，压缩系数小的液体 加压：将棒料置于切割机工作区内，施以一定径向压力，使棒料断裂，形成光滑断面。2、工艺参数棒料与切割机之间的间隙b，b一般在0.30.7mm之间，与直径有关。（小：废品高，碎；大：断裂压力减小，切不开）划痕有关（深度h：h=0.35mm；宽度t：t=0.30.6mm）,光学零件毛坯的生产第四节棒料毛坯的生产,
