特殊柱面镜的光学加工工艺研究

引言

随着军方对武器装备产品性能需求的不断提高,武器装备对光学系统的要求也不断提高。正因非球面光学零件可以获得球面光学零件无可比拟的良好的成像质量,用一个或几个非球面零件代替多个球面零件,在光学系统中能够很好地简化组件结构,有效地减轻组件质量,并矫正多种像差,改善成像质量,提高系统鉴别能力,从而提高其光学性能。柱面镜是非球面透镜中常见的一种,其与子午)弧矢截面的交线分别为两圆弧的交线与两平行的直线,两截面成像性质若分别用球面系统来描述,则一个截面有光焦度,而另一截面是无光焦度的,当一平行激光束通过柱面镜时,可以使焦点沿一个方向拉开成一条线,柱面镜的这一特性在某些特殊场合有其特定的用途。如最新某型导弹的激光系统中,就采用了多个半径的小半径柱面镜参与成像。

1 柱面镜光学加工方法综述

粗磨

通常小半径柱面镜的粗磨,是将方形毛坯胶到胎具上,组成圆柱体后光学加工外圆获得柱面。厚度等于或大于柱面曲率半径的零件,一般先粗磨成整体圆柱,待精磨)抛光完工后再磨去多余部分。圆柱的粗磨可用常规外圆磨床,较小直径的圆柱可用无心磨床。当柱镜数量不多时,也可先用手工在粗磨机上磨去方形毛坯的四角,然后将圆柱安装在仪表车床的主轴上,再在车床刀架上安装与水平面倾斜成一定角度的平铁板来光学加工外圆。平板宽度约为柱体长度的。并应通过手动或附加的连杆机构做左右运动。中等以上曲率半径的柱面镜的粗磨可利用铣磨机成形。

精磨

小半径柱面镜的精磨,当数量不多时,仍可采用手工加仪表车床的方法,仅换用精磨磨料而已。当数量较多时,可用上)下平模,中间夹分离器的方法,其中上平模约比下平模小。分离器厚度一般比圆柱直径小,CC左右。精磨过程中应定时将圆柱调头,以避免锥度。固定分离器另外一种方式是由外挡圈换为中间芯轴。对于中等半径的柱面镜,铣磨成形后常胶到胎具上组成镜柱来精磨。然后安装镜柱于车床主轴上,再将模具安装在车床刀架上后加散料磨料精磨。对于凹柱面镜和不适于胶成柱体的大半径柱面,常常是先胶成镜盘,然后在专用柱面机床上用相应的柱面模具精磨。

抛光

抛光的运动方式类似于精磨,一般在抛光模上粘一层厚约的毛毡,抛光模长度约为柱体长度的,细小柱镜光学加工方法,其抛光模通常是在平模上粘一层呢子做成。"小半径柱面镜光学加工分析该柱面镜如图"所示,其为半圆柱状,从前面介绍的柱面镜光学加工方法综合来看,手工及单件仪表车床肯定不行,因批量较大。另一方面因为越到半圆处越难抛光,该零件尺寸较小,精磨模及抛光模的制作和修正都非常困难。所以选择先做成抛光的小圆棒,然后再下一半厚度的方法。抛光的小圆棒用下平模安装在机床的主轴上,上平模的转动方向与下磨盘相反,中间的分离器与零件一起转动,通过加金刚砂或是加抛光粉的抛光模层来完成精磨及抛光。粗磨成型选用无心磨床来完成。

选定光学加工方法后,接下来就是抛光模层问题。光圈要求高的零件抛光模层通常选用抛光柏油!表面疵病要求高的零件抛光模层通常选用毛毡。针对此类细小柱面镜的光学加工,其抛光模层材料有的文献介绍用抛光呢子,而且提示新呢子往往弹性较大,抛光面有,桔皮-现象,需先用废的平面镜盘加抛光粉将其抛平后再用。有的文献还介绍说此种呢子抛光模层发热量大,需要大量冷却液供给装置,而关于抛光呢子究竟是哪种,大量冷却液的供给装置又是怎样设计和运行的,文献中都无从参考。考虑此柱面镜仅对表面粗糙度有要求,根据以往的柱面镜光学加工经验,抛光模层材料选择了毛毡及聚胺脂抛光片两种进行抛光工艺试验。关于分离器的材料及分离槽的形状鲜有介绍,有的文献介绍分离槽呈棒锥形,两头尖中间肚子,但从光学加工原理上来看,是利用此分离槽的侧面进行辅助精磨及抛光的,此棒锥形的分离槽不可能精磨)抛光出通直的柱面镜。所以分离器的材料及其槽的形状是能否精磨抛光出好的表面粗糙度的另一个关键所在。根据以往分离器的使用经验,分离器材料选择了不锈钢)铝)有机玻璃)氟塑料)聚胺脂抛光片几种进行了试验,分离槽为如图!所示的发射状长直槽。精磨是抛光前几何尺寸形成的一步,抛光确定后,只要把抛光模层及抛光粉换成金刚砂就可以了。一般精磨给抛光工序预留的光学加工余量。

2光学加工试验结果

从光学加工试验中得知,针对此小半径柱面镜,抛光模层选用聚胺脂抛光片较好,其变形小,整个柱面镜表面抛光均匀,质量好,发热量也小,正常加抛光粉即可,无需额外的冷却液供给装置。而毛毡形变较大,零件常陷入其中,或者两头能抛亮而中间抛不亮。精磨分离器材料选用不锈钢较好,比其他几种耐磨损,槽长约为零件长度的,H#U左右,这样能更好地减小光学加工中锥度的产生。抛光分离器材料以氟塑料为最佳,其软硬适中,即避免了聚胺脂片的变形严重,无法完成抛光内容,又避免有机玻璃的硬脆,需要长时间的磨合才能抛出好零件。当采用铝材料的抛光分离器时,零件总是雾蒙蒙的,无法抛亮。槽长约为零件长度的,这样既能保证光学加工质量,又大大减少小圆棒柱面镜折断的产生。分离器厚度以零件厚度的左右为宜,分离槽为发射状长直槽。此外,在抛光中,要特别注意图,中摆动V的幅度要合适,一般为上平模直径的,#U左右。过大也会出现许多小圆棒柱面镜折断的现象。若不摆动只转动,小圆棒柱面镜表面又会出现较明显的环状条纹。通过对以上光学加工因素的摸索,很好地完成了小圆棒柱面镜的抛光内容。其用精度#:G*C英国公司的轮廓仪进行测量评定,测量一段长度,利用公式I+Z,,程序计算给出表面粗糙度。优于图纸要求的。在完成小圆棒柱面镜抛光内容后,再成盘磨去多余的半个圆柱,形成并达到平面的抛光要求,从而很好满足了此小半径柱面镜的全部技术条件。通过一段时间的批量光学加工来看,质量稳定。

3结论

通过对传统柱面镜光学加工方法的综合分析比较,选择合适的光学加工方法)对不同抛光模层,多种分离器材料和分离器槽的形状和长短,模具的摆动幅度等光学加工因素进行工艺试验摸索,试验得出抛光模层采用聚胺脂抛光片较好,精磨分离器材料用不锈钢较耐磨损,抛光分离器材料以氟塑料为最佳,加上对相关工艺参数的控制,能很好地满足该小半径柱面镜表面粗糙度等技术要求,实现了稳定的批量生产光学加工。此小半径柱面镜光学加工方法的分析)比较)选择及其光学加工因素)工艺参数的试验结果,对从事小半径柱面镜光学加工者有较好的借鉴作用。