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1、第10章 光学零件的抛光工艺,西安工业大学徐均琪,抛光技术的发展,古典法抛光混合模抛光聚氨酯抛光固着磨料抛光,抛光的目的,消除精磨的破坏层，达到规定的表面要求；精修面形，达到图纸要求的光圈数N和局部误差；为后续特种工艺创造条件。,第一节 玻璃的抛光机理,机械磨削抛光表面的起伏现象；当磨料很细时，精磨也能将玻璃抛光；抛光玻璃重量明显减轻；抛光效率与抛光剂颗粒大小有关系；抛光效率与速度、压力有关系。,化学作用水对玻璃的作用；抛光模材料的化学作用；抛光剂的化学作用；抛光液PH值的影响；添加剂的化学作用；玻璃的化学作用。,表面流动理论玻璃表面分子的流动而掩盖了划痕；抛光表面刻痕的腐蚀再现现象;抛去玻璃
2、的重量与抛去玻璃的厚度不对应；软化点高的玻璃，抛光效率低。,第二节 光圈的识别与度量(光学零件的样板检验),光圈是照相物镜的孔径光阑，用以调节进入照相机光通量的大小，通常用F数来表示。F数=镜头的焦距/镜头口径。F数越小，光圈越大。,面形如何检验？,方案之1：球径仪测量曲率半径,方案之2:轮廓仪测量面形,光学零件的表面精度是与光学样板比较而鉴别出来的光圈检验。,一、光学样板检验原理,等厚干涉,（一）曲率半径偏差(用N来表示)低光圈 被检光学表面与标准样板在边缘部位接触时产生的光圈。高光圈 被检光学表面与标准样板在中心部位接触时产生的光圈。,光圈数与曲率半径偏差的关系,（二）像散偏差(用1N来表
3、示)表明被检光学表面在相互垂直方向上的曲率半径对参考光学表面的曲率半径的偏差不相等。,（三）局部偏差(用2N来表示)被检光学表面局部区域相对于参考光学表面的偏差。中心低中心高塌边翘边,二、光圈的识别,规定1：当样板与工件在中心接触，出现的是高光圈；如果两者在边缘接触，出现的是低光圈。规定2：低光圈为负，高光圈为正。,（一）高低光圈的识别,1、周边加压法低光圈：条纹从边缘向中心移动；高光圈：条纹从中心向边缘移动。,2、一侧加压法低光圈：条纹弯曲的凹向背着加压点；高光圈：条纹弯曲的凹向朝着加压点。,3、色序法,低光圈：中心到边缘色序为“蓝、红、黄”；高光圈：中心到边缘色序为“黄、红、蓝”。,（二）
4、像散光圈的识别,N1时光圈呈椭圆形；N1时光圈在两垂直方向上弯曲程度不同。,（三）局部光圈的识别,中心低：条纹局部的弯曲凹向背向加压点,中心高：条纹局部的弯曲凹向朝着加压点。,塌边：条纹边缘部位塌向加压点；,翘边：条纹边缘部位翘离加压点。,三、光圈的度量,（一）光圈数的度量（二）像散光圈的度量（三）局部光圈的度量,（一）光圈数的度量,N 1时：有效检验范围内，直径方向上最多条纹数的一半；N1时：通过直径方向上干涉条纹的弯曲量与条纹间距的比值。,N 1的情况,N1的情况,（二）像散光圈1N的度量,以两个相互垂直方向上光圈数的最大代数差的绝对值来度量。,椭圆形像散光圈,马鞍形像散光圈,柱形像散光圈
5、,N1的像散光圈,（三）局部光圈2N的度量,以局部不规则干涉条纹对理想平滑干涉条纹的偏离量与条纹间距比值来表示。中心局部偏差边缘局部偏差中心与边缘均有局部偏差弓形光圈的度量,1.中心局部偏差,2.边缘局部偏差,3.中心与边缘均有局部偏差,4.弓形光圈的度量,按照最小原则确定局部光圈数，再给光圈定性,例 检验透镜的面形时，看到以下光圈：1、试分析光圈的性质（包括高低，中心和边缘情况）。2、计算光圈数和局部光圈的值。,5.无规律性光圈的度量,规定光圈数 N 以半径范围内存在条纹最大数来度量。,（四）光圈检验的其他问题,光圈数与光源波长的关系,小样板检验大零件（）图纸上对工件提出的光圈要求用小样板检
6、验所允许的光圈数零件的直径样板的直径面形偏差归属的判断（相对移动法）,第三节 高速抛光工艺,一、准球心法高速抛光工艺,1、准球心法高速抛光机床的特点,上环节的摆架带动抛光模或镜盘作弧线摆动，摆动轴线通过下环节的曲率中心，且压力的方向始终指向镜盘的曲率中心，在加工中为恒定值。主轴转速高、抛光压力大、抛光液自动循环。采用塑料抛光模。自动加压和抛光液自动供给。,古典法抛光,准球心法抛光,2、准球心法抛光的优势,生产效率高均匀抛光使用范围用于中等尺寸、中等精度光学零件的批量生产对室温要求不严格减轻劳动强度机床体积小，操作简单，易于掌握,3、对高速抛光模的要求,微孔结构；耐热性强；耐磨性好；弹性、塑性、
7、柔韧性；硬度。,4、抛光模材料,热固性树脂（合成高分子材料）固着磨料抛光模热塑性树脂（天然高分子材料）目前常用抛光材料：柏油混合抛光模、古马龙混合抛光模、环氧树脂抛光模、聚氨酯塑料切片,5、工艺因素对准球心法高速抛光的影响,准球心问题：球心调整误差2mm抛光速度和压力：线性关系对精磨的要求：较大的凹凸层和较小的裂纹层深度抛光液：粒度均匀一致；浓度10%-15%；温度3038；PH值呈中性或偏酸性。抛光温度：30-38,二、固着磨料高速抛光工艺,1、特点：不需要加抛光液，只需自动加冷却液抛光模面形稳定性好抛光效率高改善了卫生环境加工余量小2、抛光模：由抛光片按余弦磨损或均匀磨损排列而成结合剂和抛
8、光粉两部分组成,3、工艺因数的讨论,1）速度和压力2）对精磨的要求3）对抛光液的要求4）抛光时间,4、抛光的加工余量,加工余量与表面粗糙度有关：,5、抛光模的修改,6、常见疵病及产生原因,1）划痕抛光片混料不匀或有异物；抛光片与玻璃不匹配；抛光片钝化；冷却液不清洁；冷却液温度偏低；精磨遗留的划痕；光圈匹配不当；镜盘与抛光模径向跳动大。,2）麻点抛光片抛光作用差；超精磨面质量差；抛光时间不够；光圈匹配不当,3）光圈不稳定抛光片耐磨性差；排列不合适；镜盘与磨盘的摆幅不合适；覆盖比太小或压力太大；冷却液温度太高；超精磨面的光圈误差太大。4）光圈不规则抛光模不规则；抛光时间不够，未能消除超精磨遗留的局
9、部误差；压力太大。,第四节 古典法抛光工艺,古典法抛光：用于加工品种多、批量小的零件、加工精度高。高速抛光：用于大批量、中低精度零件的加工。,古典法抛光和高速抛光的比较,抛光设备不同抛光模不同胶盘方法不同抛光液的供给不同加工精度不同古典法：N=0.1-1；Ra=0.4-1nm高速抛光：N=3-5；Ra=10nm对操作人员的要求不同,一、机床（研磨-抛光机）,四轴抛光机,二、抛光模,组成抛光模层（抛光柏油、古马龙树脂、柏油和羊毛混合毛毡等）基体,要求:平面抛光模应略为凸形（光学零件抛光后一般要求低光圈）。球面抛光模的半径也要考虑低光圈的要求。Rpjt=Rb（凹抛光模取正；凸抛光模取负号）,三、工
10、艺因数对古典法抛光的影响,精磨的影响抛光对精磨表面结构的要求是：较大的凹凸层深度和较小的裂纹层深度，同时凹凸层深度以不大于裂纹层深度为限度。抛光模的几何形状一般情况下，样板检验的抛光模光圈高低与工件相反。,抛光模材料和基体的影响材料硬度适中；基体曲率合适。抛光剂的影响抛光粉的硬度与玻璃硬度、抛光模硬度、抛光压力相适应抛光剂的浓度抛光液的PH值抛光液供给量,粘结材料和粘结模的影响速度和压力的影响温度的影响温度对抛光模的影响温度对粘结胶的影响温度对工件的影响,最佳工艺条件存在于以下组合中:A1B1C1D1;A1B1C1D2;A1B1C1D3;A1B1C2D1;A1B1C2D2;A1B1C2D3;A
11、1B1C3D1;,例：多因素多水平问题的处理方法正交实验设计,正交实验,正交实验,Level 1:=45.2+51.4+63.7=160.3Level 2:=63.3+63.8+64.8=191.9Level 3:=58.6+61.8+75.3=195.7,实验结果,四、光圈的修正,实际生产中，由于各种工艺因数的影响，使得加工的工件面形超出了规定的要求。因此在抛光过程中，要修改光圈。,五、古典法抛光常见疵病及产生原因,1.划痕抛光粉粒度不均匀或混有大颗粒的机械杂质；抛光模不干净或太硬；抛光模与镜盘吻合不好；抛光模使用时间太久，表面起硬壳；擦布不干净；清洗时擦伤；精磨遗留的划痕未抛掉；检查光圈时
12、擦伤；工房环境不整洁。,2.麻点抛光时间不够；精磨时间不充分；零件走动；精磨面形误差大，尤其是偏高，易形成边缘抛光不充分。,3.印迹玻璃化学稳定性不好；水珠、抛光液等未及时擦净。4.光圈变形粘结力不合适；光圈未稳定即下盘。,六、零件的下盘,1、加热下盘法：适用于松香、蜂蜡（或石蜡）混合胶粘结的镜片；2、冷冻下盘法：平面镜的浮胶法，透镜或棱镜的弹性胶法；3、局部加热法下盘：光胶零件，用酒精灯加热零件局部使之脱开；4、敲击下盘：石膏盘、弹性上盘、浮胶、光胶等。,第五节 超光滑表面抛光技术,超光滑表面,超光滑表面通常是指表面粗糙度小于1nm(rms)的表面，或表面晶格结构完好，无缺陷的表面，与之相对
13、应的加工技术称为超光滑表面加工技术。,超光滑表面的主要应用,1.以强激光、短波光学等为代表的工程光学领域。高能量激光器的发展和应用，要求谐振腔具有光滑表面（激光聚变系统）；紫外光学系统、X射线光学系统等，对表面粗糙度要求越来越高。2.以磁记录头等器件为主的电子工业领域。,3.空间光学天文卫星、X光望远镜、激光陀螺4.集成电路基板集成电路的硅片和CCD基片要求表面的物理完整性5.大容量光盘光盘容量的扩大要求盘基具有极小的粗糙度,超光滑表面加工技术机理,1.以机械磨削去除为主的超光滑表面加工技术。2.采用化学方法进行表面去除，实现无破坏层超光滑表面加工。3.以物理“碰撞”方法将工件以原子量级去除量
14、去除，实现超光滑表面加工。,1.浴法抛光,即水中抛光（Bowl-Feed Polishing）方法，简称BFP方法。浴法抛光加工超光滑表面可分为两个阶段：（1）获取较高面形；（2）获得超光滑表面。,特点：工件和抛光模的温升小，工件热变形和抛光模的热塑性流动极小。可以采用纯沥青做抛光模。抛光时使用非常细的抛光粉和很小的压力，最后阶段可以用稀释的抛光液或清水进行抛光。适用于玻璃和晶体，抛光石英玻璃表面粗糙度为0.27nm（古典法为0.96nm），抛光硅片为0.6nm.,几种材料浴法抛光的结果,2.聚四氟乙烯抛光,特点：抗老化、耐磨损、可长时间保持面形；可用传统抛光和浴法抛光。其核心在于抛光盘的制作
15、：,3.浮法抛光,以锡盘为抛光盘，浴法加工，主轴转速快，是目前超光滑表面加工技术中，表面粗糙度最小的方法，可小于0.2（rms）。锡抛光盘的制作是浮法抛光的关键，工件需要预先抛光到一定程度。,特点：使用比普通抛光时用的柏油或树脂更硬的材料（锡）做抛光模；在抛光模和被抛光面之间保持有厚度为数倍于磨料颗粒尺寸的液体层；工件与抛光模之间的相对速度很大，达到1.52.5m/s。,4.磁流变抛光,磁流变抛光技术实质上是一种计算机控制小磨头抛光抛光技术，其磨头是由磁流变抛光液在磁场作用下形成的“柔性”磨头，其形状和硬度可以由磁场实时控制。磁流变抛光液在磁场作用下形成的“柔性”磨头，其形状和硬度可以有磁场实
16、时控制。通过对工件各个带区在抛光区滞留时间的控制便可控制去除量，进而修改整个面形。,磁流变抛光的关键环节：磁流变抛光液。要求无磁场时流动性好，有磁场时流变性好，硬度变的很大而且响应快。对磁性抛光头的各种参数要能准确控制。,5.等离子体辅助抛光,等离子体辅助抛光（PACE）是一种利用化学反应来去除表面材料而实现抛光的方法。抛光机理：也是一种计算机控制小磨头抛光抛光技术，此时的抛光头是由气体在RF激励作用下产生的活性等离子体组成。活性等离子体与工件表面物质发生化学反应，生成易挥发的混合气体，从而将工件表面材料去除。,几种材料及其抛光气体和化学反应式,PACE抛光的特点工件不受机械压力，无相应的机械
17、变形和损伤无亚表面损伤无污染、工件边缘无畸变材料去除率控制精度高应用范围广，加工球面和非球面难易程度相当。,6.离子束抛光,离子束抛光用被加速的离子与工件表面原子核直接产生弹性碰撞，将能量直接传给工件材料的原子，使其逸出表面从而将材料去除。,离子束抛光的特点：离子抛光去除材料的最小单位是原子，所以理论上可以获得高的加工精度。可以加工球面、平面和非球面；可以加工的材料多，玻璃、石英、陶瓷、晶体、半导体材料、不锈钢等。表面不出现变形和产生应力及裂纹等缺陷。设备复杂、价格昂贵，需要采用电子计算机、高精度干涉仪、高真空装置等设备。,离子束抛光流程,7.磨料弹性溅射抛光（弹性发射加工）,基本思想：用细颗
18、粒磨料与工件表面进行碰撞，如果其应力场的大小比材料原先存在的缺陷之间的距离还要小的话，就能产生晶格数量级的弹性破坏，以至不会留下产生弹性变形的表层。,特点：,与浮法抛光的差别在于采用比较软的聚氨脂转动球作为抛光模。与浮法抛光的相似之处是：在球抛光模与工件表面保持液体层，此层的厚度要比磨料颗粒尺寸大得多；工件和抛光模的相对速度很大，大3m/s；工件和抛光模的压力非常大，达到500kPa，大约高出浮法抛光3个数量级。,超光滑表面粗糙度的测量,1.接触式测量可测平面、凸面、凹面、非球面触针为金刚石探头分辨能力为几个纳米移动头中装有两个干涉仪,2.非接触式测量,一、干涉法由显微镜、干涉仪、成像传感器、
19、中间接口和微计算机等构成。采用迈克尔逊干涉仪（美国WYKO公司）采用诺马斯基干涉仪（美国ZYGO公司）,二、临界角法变位测量原理：当试样表面位于物镜的焦点位置时，通过物镜的反射光成为平行光束入射到临界角棱镜上；如试样表面位置发生变化，通过物镜的光线成为发散或会聚光入射到临界角棱镜上。采用光电器件可以感知到这种变化。,三、用扫描隧道显微镜（STM）测量表面粗糙度,式中，,Jt为隧道电流；z为探针与试样表面的距离；为电压；h为普朗克常数；m为电子质量；是功函数；e为电子电荷。,作业:,1.计算图示零件的光圈数N和局部光圈2N。,2.欲加工一直径为52mm、曲率半径R=291mm的平凸透镜。抛光凸面后，用波长632.8nm激光检验时看到如图所示光圈。当周边加压时，条纹从边缘向中心移动。求加工零件实际的曲率是多少？,3.采用一侧加压法用样板检验光学零件表面时，在相互垂直的两个方向上光圈如图所示。计算光圈数N和象散光圈1N。,
