1、光學光學加工加工v第2章 粗磨 精磨 拋光光學加工 Optical Fabrication 課程公共郵箱：講授：郎賢禮單位：儀器科學與光電工程學院(HFUT)LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院20092v2.3 拋光概述 光學零件的拋光是獲得光學表面的最主要工序。其目的：一是去除精磨的破壞層，達到規定的表面質量要求；二是精修頁型，達到圖紙要求的光圈和局部光圈，最后形成透明規則的表面 拋光的過程十分復雜。并且對拋光機理未形成普遍的理論。 拋光機轉速、壓力、拋光模和拋光劑質量等都對拋光效率和零件有重要的影響。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院20093v2.3.

2、1拋光機理概述 迄今為止，對拋光的本質仍然沒一個統一的看法。但大致可以歸納為三種理論：機械磨削理論、化學作用理論和熱的表面流動理論。 拋光機轉速、壓力、拋光模和拋光劑質量等都對拋光效率和零件有重要的影響。 關于拋光的本質的三種基本假說，概述如下：一.機械磨削理論 機械磨削理論認為：拋光是研磨的繼續，其本質與研磨是相同的，都是尖硬的磨料顆粒對玻璃表面進行微小切削作用的結果。由于拋光是用較細顆粒的拋光劑，所以微小的切削作用可以在分子大小范圍內進行LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院20094v一.機械磨削理論理 其主要實驗依據如下： (一)拋光后的零件質量明顯減輕 零件拋光后質量明

3、顯減輕。通過實驗測得，被拋掉的玻璃顆粒尺寸平均為112nm。 (二)拋光表面有起伏層和機械劃痕 用氧化鈰拋光時，零件表面凸凹層厚度為3090nm；用氧化鐵拋光，凸凹層要2090nm .用電子顯微鏡觀察玻璃表面發現：每平方厘米的拋光表面有3萬至7萬條深為0.008-0.070微米的微痕，約占拋光總面積的1020。綜上說明，拋光是機械作用的過程。 (三)拋光劑的粒度和硬度對拋光效率的影響 拋光劑直接作用于玻璃表面，其粒度和硬度對機械磨削作用都有重要影響 實驗表明LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院20095v一.機械磨削理論 光粉粒度直徑在一定范圍內，粒度愈大，拋光速率愈高拋光速率

4、與顆粒大小成正比。拋光劑硬度愈高，拋光速率愈高，如目前廣泛使用的氧化鈰拋光粉(Ce0。)比氧化鐵 (紅粉)的硬度高，所以前者比后者的拋光速率高23倍。 (四)拋光速率與壓力、速度成線性關系 在拋光過程中，壓力和相對速度在一定限度內，拋光速率與壓力、速度近似成線性關系。因此，通過增加壓力和轉速可以顯著提高拋光速率，高速拋光就是依此發展而來。 LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院20096v一.機械磨削理論 (五)磨料也能用作拋光劑 磨料很細而且加工壓力很小時，也能作為拋光劑。如碳化硼(B4C)和剛玉(Al2O3)，本屬磨料，但其粒度直徑為0.5m左右時，也能用于玻璃拋光。 綜上可

5、以說明，拋光過程機械磨削作用是基本的。但拋光的本質并不僅僅是微小切削作用，其理由是： (1)如果拋光僅僅是機械磨削過程，那么，拋光速率應與玻璃硬度有關，愈軟的玻璃，拋光愈快，反之亦然。可是，這個結論不適用于硅酸鹽玻璃ZK9和所有硼酸鹽玻璃(僅研究18種玻璃)。 (2)機械磨削理論，盡管得到普遍承認，但它不能解釋各種化學因素對拋光速率所聲生的重要影響LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院20097v二.化學作用理論二、化學作用理論 化學說認為：拋光過程是在玻璃表層、拋光劑、拋光模和水的作用下發生錯綜復雜的化學過程，主要是玻璃表面發生的水解過程。 純粹的化學理論，力圖把拋光過程都歸結

6、于化學作用，這當然是不全面的，但水解作用確實存在于拋光過程的始終，并起重要作用。 (一)拋光介質水對玻璃的侵蝕作用 1玻璃的親水性 光學玻璃的表面結構和內部結構并不相同。表面結構往往處于不穩定狀態，這是由于表面上每個金屬陽離子所需要的氧離子數得不到滿足，就出現不平衡，產生表面力。這個力決定了玻璃表面的張力和吸濕性，而最普遍最容易吸引的便是水。實驗表明，水分子與玻璃表面的親和力是相當大的，要從玻璃表面消除水跡，需要800C的高溫。因此，處于室溫下的玻璃表面，很容易吸附空氣中的水分。況且，光學零件在加工過程中，時刻在與水接觸，這更加劇了水對玻璃的侵蝕作用水解作用。 LOGO儀器科學與光電工程學院儀

7、器科學與光電工程學院20098v二.化學作用理論 (一)拋光介質水對玻璃的侵蝕作用 2玻璃的水解反應 許多學者在研究水對玻璃的侵蝕作用時，基本觀點是一致的，認為水與玻璃表面的硅酸鹽產生水解反應，結果玻璃表面的堿金屬或堿土金屬溶解出來，生成氫氧化物，使溶液成堿性。同時玻璃表面形成硅酸凝膠層，從而減緩了水的侵蝕作用。但由于硅膠層往往是多孔的或因龜裂而產生裂紋，于是在水溶液中OH-就會進一步侵蝕玻璃的網絡內體。 硅酸凝膠層，在正常情況下，硅酸凝膠層能保護玻璃表面，大大減緩侵蝕速度。但在拋光粉的作用下，膠層不斷被刮去，露出新的表面又被水解如此往復循環，構成拋光過程。因此，水解作用是非常重要的。如果用其

8、他介質代替水時，拋光速度顯著下降，這是由于這些介質不能進行水解反應。此外，水能使拋光粉均勻分布在拋光膜的工作表面上，同時水還有良好的冷卻和洗滌作用LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院20099v二.化學作用理論 (二)光學玻璃化學穩定性與拋光速度的關系 實驗表明：玻璃的拋光速度與玻璃的硬度和軟化點無關，而與化學穩定性有關。如圖6-2所示。 由此可以得出結論：玻璃是否容易拋光取決于表面水解后形成的腐蝕層，拋光速度則取決于破壞腐蝕層的難易程度。 一般來說，拋光困難的玻璃，不易出現表面疵病；反之，容易拋光的玻璃，也容易出現疵病球面銑削加工原理球面銑削加工原理圖圖6-1LOGO儀器科學

9、與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200910v二.化學作用理論 (三)拋光液pH值的影響 實驗表明：大多數光學玻璃是不耐堿的，至于耐酸的程度，則視光學玻璃的牌號不同而異。因此，光學加工中，大多數光學玻璃，在弱酸性拋光液中拋光(pH=5.5-7)，具有較高的速率和表面質量。 (四)添加劑對拋光過程的影響 在拋光液中加入少量的其他物質，以達到提高速率和改善表面質量的目的，這種物質稱為拋光液的添加劑。 (五)拋光劑的作用 拋光劑兩種作用：其一是以拋光劑顆粒的堅硬特性，在模具和機床的作用下，對玻璃表面的硅膠層進行微小的切削玻璃被去除，并使玻璃露出新表面，進而得以水解；其二是以拋光劑顆粒表面的吸附特

10、征，使硅膠層以分子級程度被拋光劑吸附而剝落。這兩種作用在拋光劑使用壽命內，自始至終都存在。前者作用與拋光劑的粒度、硬度和形狀有關；后者與拋光劑的化學活性有關，而化學活性與拋光劑顆粒的有效表面積有關。有效表面積是指單位質量的拋光劑所具有的外表面積總和。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200911v二.化學作用理論 (六)拋光模的作用 光學零件的拋光，是在拋光機上，由模具對工件施加壓力，使其與工件緊密接觸，在拋光劑作用下，通過兩者(模具和工件)的相對運動而達到拋光的。由此看來，拋光模層不僅起著承載拋光粉的作用，同時也起一定的化學作用，能與玻璃的陽離子發生交換反應使玻璃表面以微量

11、的分子形式進行剝落。 實驗表明，使用柏油或毛氈拋光模拋光，不用拋光劑，只用清水也能拋光。由于毛氈拋光盤比柏油拋光模層有較多的活基性，所以它的拋光速率比柏油的高，這正是毛氈至今仍被國內外用于拋光的原因。用棉花植物纖維則不能進行拋光，因為它們不含有化學活性基。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200912v三.熱的表面流動理論三、熱的表面流動理論 熱的表面流動理論認為：玻璃表面由于高壓和相對運動，摩擦生熱致使表面產生塑性流動，凸起的部分將凹陷填平，形成光滑的拋光表面。這種理論的實驗依據是：拋光表面用金剛石刀劃成圖案，然后拋掉，再用酸腐蝕，結果看到劃痕再現。另一實驗發現，由拋去厚度

12、計算的拋去質量比實測的大得多，于是認為拋去的玻璃填到表面凸凹層的谷部。由此說明拋光過程是流動作用的覆蓋。但這與工件拋光后有質量減輕的事實相矛盾，另外，軟化點高的玻璃，拋光速率低，這也可以說明這種理論的正確性LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200913v2.3.2樣板檢驗原理概述 光學設計者要求透鏡、棱鏡等光學元件具有與理想的幾何形狀極接近的精度，兩者之差往往以波長為計量單位計量，如/2， /10甚至更小。 對于這樣高精度的拋光表面，檢驗面形偏差，常用的方法有干涉圖樣法和陰影法。 干涉圖樣法，又可分為接觸法(即樣板法)和非接觸法(即干涉儀法)。本節著重講樣板檢驗，亦稱光圈檢驗

13、。 樣板檢驗是光學零件制造中使用最廣泛、最簡便的一種精密檢測方法。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200914v一.樣板檢驗原理一.樣板檢驗原理 被檢驗光學表面相對于參考光學表面的偏差稱面形偏差。通常，在光學加工中，光學零件的面形偏差是通過與樣板參考表面比較而鑒別出來的。若兩者的面形(球面或平面)不一致，存在微小誤差時，就形成一個楔形空氣隙，類似一個薄膜，從而產生薄膜干涉現象，如圖63(a)所示。若用單色光源，空氣隙呈環形對稱時，則產生明暗相間的同心圓干涉環，用白光照射產生彩色圓環。這些圓環稱作光圈，又叫牛頓環。光學零件面形偏差是在圓形檢驗范圍內，通過垂直位置所觀察到的光圈

14、數目、形狀、變化和顏色來確定的，并且面形誤差用光圈數表示，所以，樣板檢驗亦稱“光圈檢驗”LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200915v一.樣板檢驗原理一.樣板檢驗原理光圈檢驗原理光圈檢驗原理圖圖6-3LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200916v一.樣板檢驗原理 (一).光圈數與空氣隙厚度的關系 考察(b)中的s1,s2兩束光，產生干涉。兩束光的光程差為 當 產生第k級亮條紋 當 產生第k級暗條紋 那么第k級和k+1級亮條紋所對應空氣隙的厚度為： 光線垂直照射 ,則相鄰亮條紋空氣厚度2cos /2hi 2cos /2hik2cos /2(21) /2hi

15、k/22coskkkhi11(1)/22coskkkhi1cos1,kkkii(232)(233)(234)LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200917v一.樣板檢驗原理 則相鄰亮條紋空氣隙厚度差近似為 由此可知相鄰亮條紋空氣厚度近似等于，即一道光圈相當于空氣隙厚度厚度。總的光圈N與空氣總厚度之間關系為 牛頓球干涉為等厚干涉。光圈，即干涉條紋的形狀是由空氣隙等厚層的軌跡決定的，即同一級干涉條紋對應的空氣隙厚度是相等的。因此，對于規則平面干涉條紋為直線，若有微小不平度，則干涉條紋出現彎曲，根據不直度的方向和彎曲程度，即可判定面形誤差。對于規則球面，空氣隙的等厚層是環形，所以干

16、涉條紋為圓環狀，利用干涉條紋的數量和不規則程度，可以判定球面的面形誤差。由此可以判定面形誤差。12cos 2kkhhhi 2hN(236)(235)LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200918v一.樣板檢驗原理 (二).光圈數N與曲率半徑偏差R關系 光學零件曲率半徑尺與工作樣板半徑R0之間的偏差R，以干涉條紋數，即光圈數N表示。R值不僅取決光圈數N、零件與樣板的接觸口徑D(在此口徑范圍內顯示干涉環)和干涉光的波長，還取決于樣板是沿邊緣接觸(低光圈)，還是在中部接觸(高光圈)。 圖64是樣板與透鏡沿邊緣接觸情況。 對上式微分2221112222ppRhhhhhh 222()R

17、Rhp222hpRh(239)(238)(237)LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200919v2.3.2樣板檢驗原理 由 得 ，將此式代入(2-39)得 將(2-36)代入上式得 對于小曲率透鏡，Rp,Rh,所以h/2可忽略， (2-39)可寫成 由式(2-38)有11(22hRhRRhhhh 222phRh(238)2Rh NRh 222pRhh 2222228phpDRhhh28DhR(240)(241)(242)(243)LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200920v一.樣板檢驗原理 將(2-36), (2-43),代入(2-42), 得 R透鏡

18、曲率半徑偏差 R透鏡曲率半徑 D零件與樣板接觸口徑 p=D/2 N光圈數 波長 由(2-42), 光圈數與半徑偏差關系224DNRR22222/2222/8DRNRNDDR (244)(245)LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200921v一.樣板檢驗原理 (三)光圈半徑與與波長的關系 假定hk第k級暗條紋所對應的空氣層厚度，Rk為k級暗條紋對應的干涉條紋半徑，R為透鏡的曲率半徑。 由圖6-5的幾何關系得 考慮到Rhk，故hk2可以舍去，即 在光垂直入射時，兩表面光程差 將(2-36)代入(2-42), 得2222()2kkkkrRRhR hh(248)(247)(246)

19、2/(2 )kkhrR2/2kh 2/2krR(249)LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200922v一.樣板檢驗原理 滿足暗條紋條件為 由此得出，光圈半徑與波長的平方根成正比。因此，對于同一級的干涉環，波長愈長，干涉條紋離接觸點愈遠。 (四)相鄰光圈的間隔r與干涉級的關系 由(2-50)得 當k逐漸增大時， 愈來愈小，即r逐漸減小，以致以致眼睛無法分辯。K的極限可由物理光學得出(251)(250)krkR2/2(21)/2krkR11kkrrrRkk /k1kk (252)LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200923v一.樣板檢驗原理 對人眼10nm,

20、白光平均波長500nm,則人眼分辨極限為 將k=50代入暗環為公式得 由此得出白光檢驗時所能檢測最大厚度不能超過12.5um.(253)/500/1050k條2/2(21)2hk 12.52khm LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200924v二.光圈的識別與度量二.光圈的識別與度量 用樣板檢驗工件時，如果兩者在邊緣接觸，當空氣隙縮小時，條紋從邊緣向中間移動，則稱低光圈，如圖66(a)所示；如果兩者在中間接觸，當空氣隙縮小時，條紋從中心向邊緣移動，則稱高光圈，如圖66(b)所示。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200925v二.光圈的識別與度量 (一)高

21、低光圈的識別 正確地識別光圈的高低，對于修改零件的面形偏差是非常重要的。通常是根據干涉條紋的特征、移動情況、彎曲方向、疏密程度、顏色和形狀等來識別和度量光圈的。 識別光圈高低常用方法有三種。 1周邊加壓法 周邊加壓法是識別光圈高低最常用的方法。此方法適用于光圈N1的判斷。 采用周邊加壓法識別光圈高低的原理是，將樣板置于零件上，兩者間存在空氣隙在樣板周邊加壓時，則使空氣隙由厚變薄，即空氣隙h由大變小。這樣與h對應的干涉條紋也隨之移動。對于低光圈，空氣隙h等厚層的移動方向是由邊緣移向中心，因此，與h等厚層對應的干涉條紋也隨之從邊緣向中心移動。高光圈識別，正好與此相反。LOGO儀器科學與光電工程學院

22、儀器科學與光電工程學院200926v二.光圈的識別與度量 (一)高低光圈的識別 2邊緣點力法 邊緣點力法，是在樣板邊緣某一點輕輕加壓，使其另一端浮起，則形成楔形空氣隙，從而產生干涉條紋。它是根據干涉條紋的彎曲方向和彎曲程度來識別和度量光圈的。如果工件為理想平面，用平面樣板(平晶)檢驗零件時，則呈現平直條紋，由于浮起程度不同，條紋數目也隨之增減，如圖67所示。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200927v二.光圈的識別與度量 2邊緣點力法 如果工件為高光圈，如圖68所示，設樣板面為A、B、C、D，加工面為E、F、G、H，邊緣一點加壓后C和G點接觸，則兩面之間形成楔形空氣層，從

23、而產生干涉條紋。如將干涉圖形向平面上投影，那么各帶條紋勢必彎向受力點，這是由與其對應的空氣隙等厚層的軌跡方向決定的，此彎曲程度與條紋間隔之比為光圈數。低光圈干涉條紋彎曲方向與上相反，它是背向受力點，如圖69所示。 這種方法適用于N1時光圈高低的識別，而且也可用于N1的情況 在光圈數多的情況下(N1)，以有效檢驗范圍內，直徑方向上最多條紋數的一半來度量.LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200931v二.光圈的識別與度量 (二)光圈的度量 1光圈數N的度量 (2)光圈數N1的情況 在光圈數少的情況下(N1)，光圈數以通過直徑方向上干涉條紋的彎曲量(h)相對于條紋的間距(H)的比

24、值(N=hH)來度量， 如果對光圈的精度要求不高時，也可根據干涉色度量光圈數。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200932v二.光圈的識別與度量 (二)光圈的度量 1光圈數N的度量 (2)光圈數N1的情況 在光圈數少的情況下(N1)，光圈數以通過直徑方向上干涉條紋的彎曲量(h)相對于條紋的間距(H)的比值(N=hH)來度量，如圖6一11所示(一05)。 如果對光圈的精度要求不高時，也可根據干涉色度量光圈數。 用樣板檢驗。以熒光燈作光源時，當邊緣接觸其顏色為灰白色時，則可根據中間顏色(見表 61)確定光圈數。與空氣隙厚度相對應的光圈數和顏色見表62。LOGO儀器科學與光電工程

25、學院儀器科學與光電工程學院200933v二.光圈的識別與度量 (二)光圈的度量 2.光圈數1N的度量 1N以兩個互相垂直方向上光圈N的最大代數差的絕對值來度量。 (1)橢圓形像散光圈數的度量 橢圓形像散光圈數1N的度量如圖所示。被檢光學表面在xx和yy方向上的光圈數Nx和Ny不等，偏差方向相同，圖中的像散光圈數12( 3)1xyNNN LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200934v二.光圈的識別與度量 (二)光圈的度量 2.光圈數1N的度量 （2）馬鞍形像散光圈數的度量 。 被檢光學表面在xx和yy方向上的偏差方向相反。圖中的馬鞍形像散光圈數11 ( 2)3xyNNN LO

26、GO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200935v二.光圈的識別與度量 (二)光圈的度量 2.光圈數1N的度量 (3)柱形像散光圈數的度量 被檢光學表面的XX和yy方向上的光圈數Nx和Ny不等。其中，某一方向上的光圈數N=O。圖中的柱形像散光圈數11 01xyNNN LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200936v二.光圈的識別與度量 (二)光圈的度量 2.光圈數1N的度量 (4)在光圈數N1的情況下，像散光圈的度量。 Nx和Ny都小于1,這時可根據兩個方向的干涉條紋的彎曲度來確定Nx和Ny 。而像散偏差光圈數1xyNNNLOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光

27、電工程學院200937v二.光圈的識別與度量 (二)光圈的度量 3局部光圈數 2N 的度量 (1)中心局部光圈數的度量 中心局部光圈數 2N ，以局部不規則干涉條紋對理想平滑干涉條紋的偏離(e)與相鄰條紋的間距(H)的比值(2Ne/H)來度量.LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200938v二.光圈的識別與度量 (二)光圈的度量 3局部光圈數 2N 的度量 (2)邊緣局部光圈數的度量 (3)中心及邊緣均有局部偏差的局部光圈的度量 2N取二者(中心低，塌邊)的最大值。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200939v二.光圈的識別與度量 (二)光圈的度量 4.弓

28、形和S形光圈數N和局部光圈數2N的度量 對被檢測的光圈可能全因弓形光圈而對N的取值方向有爭議，因此，規定根據2N為最小的原則來取值N和2N.LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200940v二.光圈的識別與度量 (二)光圈的度量 5無規律性光圈數N的度量 光圈數多時，而且光圈的變化沒有一定規律的情況下，規定光圈數N以半徑范圍內存在條紋最大數來度量，被檢面的N=6(對。和z沒要求)。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200941v二.光圈的識別與度量 (三)面形偏差歸屬的判斷 用樣板檢驗光學零件時，一般均以樣板為標準面如果出現偏差則認為是屬于零件的、假如兩塊樣板

29、互檢，出現局部偏差時，就存在面形偏差的歸屬問題。通常采用相對移動的方法來判斷，即將上面一塊樣板拉開并移至一定的距離，如果局部偏差仍在原處不動則表明偏差于下面一塊樣板；反之，如果局部偏差隨之移動，則表明局部誤差屬于上面一塊洋板。 (四)用小樣板檢驗大零件 用小口徑的樣板檢驗大口徑的零件時，根據(613)式，得小樣板檢驗允許的光圈數為 式中： N1圖紙上對工件提出的光圈要求； N2用小樣板檢驗所允許的光圈數； D1零件的直徑； D2樣板的直徑。22121(/)NN DDLOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200942v2.3.3準球心法高速拋光概述 目前，對于中等精度光學零件(N=

30、35)的拋光，采用的方法有古典法和準球心高速拋光。 古典法是一種歷史悠久的拋光方法。其工藝特點是用普通曲柄式拋光機床，轉速低，壓力小，加壓方式用加荷重方法實現。拋光模層材料大多采用柏油或毛氈等。這種拋光法，雖然具有較高的精度，但是它的效率低，因此對于中等精度光學零件的大批量生產主要采用準球心法高速拋光。 準球心法高速拋光是國外20世紀60年代發展起來的半自動拋光方法。由于它與古典法拋光相比具有很多優點，尤其是生產效率高，所以，目前應用相當普遍。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200943v一、準球心法拋光的原理及優越性一、準球心法高速拋光的原理及優越性 根據拋光的機械磨削理

31、論得知：在一定范圍內，提高拋光的壓力和速度，可使拋光效率線性增加。因些，增大拋光的壓力和速度，是提高效率的有效途徑。但是由于古典法拋光方向不與球面各點的法線方向一致，因此，正壓力P的分布是隨上下盤相對位置的不同而不同。如圖所示。 當搖臂頭從中心偏擺角時，正壓力P。按P=Pcosa的規律變化。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200944v一、準球心法拋光的原理及優越性一、準球心法高速拋光的原理及優越性 當增大時，正壓力隨的增大而減小。目前國產拋光機 ：45。 由此可以得出：古典法拋光，由于正壓力是隨變化的，勢必造成磨削不均勻，壓力愈大，不均勻程度愈嚴重，因此不可能加載過大，而

32、且也不能加工超半球。 為了使正壓力恒定，搖臂頭必須對準工件球心，沿其表面弧線擺動這就是準球心法拋光的原理，如圖6-21(b)所示。 為了實現準球心拋光，搖臂頭的擺動軸必須通過下模(鏡盤或拋光模)的曲率中心，因此要求中心接頭的高度必須保證尺寸精度，否則會破壞準球心。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200945v一、準球心法拋光的原理及優越性 (二)準球心法拋光的優越性 準球心法高速拋光，在原理上克服了古典拋光的缺點，因此在實踐上顯示了一系列優越性。 1生產效率高 準球心拋光機主軸轉速高，壓力大，其最高線速度為古典拋光的2倍以上，壓力為古典拋光的幾倍，甚至十幾倍，因此效率明顯提

33、高。 2磨削均勻 準球心法拋光，壓力不隨上下盤相對位置的不同而改變(但拋光模各點相對速度仍不均勻)，因此，磨削較均勻，可以加工超半球。 3減輕了勞動強度 4對室溫要求不嚴 5機床體積小，操作簡單，易于掌握中等尺寸中等精度中等尺寸中等精度的零件，用古典法的零件，用古典法單面拋光時間單面拋光時間需需120180min，而采用準球心法高而采用準球心法高速拋光只需速拋光只需10-20min，甚至幾分鐘，甚至幾分鐘。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200946v二.準球心法聚氨酯模高速拋光二.準球心法聚氨酯模高速拋光 下面按準球心拋光模材料不同，分述聚氨酯模拋光和固著磨料拋光。 聚氨

34、酯拋光模作為一種耐磨、拋光效率高、形變小、光圈穩定的拋光材料，已廣泛應用于光學零件平面及球面的高效加工中，現將相關的問題作以介紹： (一)工藝參數和因素的選擇 在拋光工藝中，玻璃牌號、模層材料的質量、拋光粉的粒度、拋光液的供給量和酸度、車間溫度等稱為拋光過程的工藝參數。這些參數對加工效率有影響，但不能用來控制被加工表面的曲率半徑。 下面，從拋光液和機床兩個方面，考慮高速拋光工藝參數和因素的選擇。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200947v二.準球心法聚氨酯模高速拋光 1.拋光液 主要是考慮拋光液的溫度，拋光粉的粒度，拋光液的濃度，拋光液的供給量，拋光液的酸度等影響，以期達

35、到最好效果。 2.主軸轉速和壓力 在高速拋光中，速度和壓力的增加與拋光速率提高近似成線性關系。但拋光速度和壓力的增加，應根據拋光模層材料和粘結火漆的性能來選擇，一般采用機床的中等轉速和壓力。 3擺臂偏角和擺幅 擺臂作用的因素有兩個：一個是擺臂的偏角；二是擺臂的擺幅。這兩個因素的選擇對光圈影響很大。在一般情況下，凹鏡盤在上時，若偏角大，擺幅大，則光圈易變低；反之亦然。凸鏡盤在下時，若偏角大，擺幅大，則光圈容易變高；反之亦然，而且易出現翹邊。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200948v二.準球心法聚氨酯模高速拋光(二)聚氨酯拋光模的備制 聚氨酯拋光片分為不同直徑的圓片和大張(

36、使用時需要裁剪)的片材兩種，厚度在0.52mm不等，同一片材料厚薄均勻。聚氨酯拋光片加氧化鈰拋光液拋光玻璃，盡管拋光片很薄，都能加工2000塊(盤)以上的鏡片。拋光片從表到里充滿微孔，大大增加了磨削力，提高了拋光效率。又因為厚薄均勻，有一定彈性，所以基模與拋光片表面修正得好，應用時不但效率很高，而且光圈穩定。 1備制 聚氨酯拋光模的備制有兩種方法：其一是壓型法；其二是貼片法。后者使用較多。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200949v二.準球心法聚氨酯模高速拋光 貼片形狀如圖623所示。貼片尺寸計算如下： 拋光片的形狀是由聚氨酯貼片半徑Rtp，和葉片半徑尺寸Ryp確定的。

37、2tpABCRABBC12tpjtRRbLOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200950v二.準球心法聚氨酯模高速拋光 每個貼片上葉片的半徑Ryp為。 在制作拋光模時，盡管當時尺寸修整合適，但經過幾天，模具面形尺寸仍會改變。這是由于修模時，拋光材料沒有達到吸水平衡時間，修模后繼續吸水，從而引起尺寸變化，使模具和工件吻合性很差。正確的修模時間，應由拋光材料的吸水平衡時間決定，因此在修模前應把拋光模放在拋光液中浸泡，達到吸水平衡后再修模。2cos60tpypRR1()sin1266tptptpRbrRRLOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200951v二.準球心法聚

38、氨酯模高速拋光 2聚氨酯拋光模與柏油拋光模作用機理的不同 對于古典法拋光，為了使玻璃表面形狀有微小的變化，希望拋光模表面的形狀精度即使在0.01um以下，也能產生微小變化。此時，拋光能力非常小，必須用牛頓環慢慢觀察面形變化否則，操之過急難以達到高精度要求。因此，為達到上述目的，古典法拋光通常采用柏油毛氈拋光。 用聚氨酯拋光玻璃，去除量為O02005mm，也就是模具的曲率半徑的變化相當這個上除值。拋光初期和后期，拋光模的曲率變化大致相當。因此，用聚氨酯拋光時，磨具的曲率變化是靠彈性實現的，而柏油致密表層的曲率變化是靠粘性流動進行的。 從上述兩種不同的流變觀點出發，可以得出；拋光模層的粘彈性是保證

39、拋光精度的基本條件。采用聚氨醢作高速拋光模，只能達到34道光圈的面形精度。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200952v二.準球心法聚氨酯模高速拋光 以上所述的兩種拋光方法，可達到的精度歸納如下： (1)球面精度 柏油拋光可達101道光圈； 聚氨酯拋光可達35道光圈。 (2)表面粗糙度 柏油拋光的Ra值可達0004-0001um； 聚氨酯拋光Ra。值為001um。 根據零件要求的精度，決定選用柏油或聚氨酯拋光。 柏油和聚氨酯拋光，兩者機械參數的差異是機床轉速和拋光壓力不同。兩者在精度方面產生差異的根本原因是柏油和聚氨酯的粘彈性不同。如果兩種方法都能保證精度，就按生產批量決定

40、采用何種拋光方法。聚氨酯適用中等精度大批量高速化的生產.LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200953v三.準球心法固著磨料的高速拋光三.準球心法固著磨料的高速拋光 固著磨料加工采用成型固著磨料進行拋光。這種工藝加工余量少，要求前道工序提供的零件光圈、表面粗糙度要求較高，一般要經過超精磨。但由于拋光不用拋光粉，操作簡單，環境干凈且加工出的鏡片光圈規則，效率高，能定時、定光圈、定表面粗糙度 (一)固著磨料拋光特點 1.拋光磨具具有自銳作用，磨削能力強，拋光效率高 2.減少了不定因素的影響，無需經常修整拋光模及機床參數。 3.取消了拋光液。便于零件清洗，而且更環保。、 4.拋光磨

41、料利用充分，縮短工時，降低成本。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200954v三.準球心法固著磨料的高速拋光 (二)工藝因素的影響 主要有主軸轉速，壓強，加工時間，拋光片的覆蓋比，精磨表面粗糙度影響。 (二)固著磨料拋光對超精磨的要求、 固著磨料拋光的工件，其幾何精度由模具面形保證的。因此它對工件精磨表面的質量及幾何形狀精度要求高，需要超精磨后再拋光。固著磨料拋光不再是控制面形而是改善表面粗糙度。 超精磨的去除量雖然比拋光多，但也只有0.01mm.一般要求，超精磨后光圈比拋光完工后光圈低0.5-1個光圈。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200955v2.

42、3.4拋光模層材料及拋光粉概述 拋光模層材料與拋光粉是拋光工序使用的主要材料。它們的性能及工藝條件的合理匹配，對拋光零件的加工效率和表面質量的影響都有重要的影響。 拋光模是影響拋光質量的一個重要因素。其面形與工件的面形有密切的關系，拋光完工時它們的面形的完全吻合的。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200956v一.拋光模層材料一.拋光模層材料 拋光模是影響拋光質量的一個重要因素。其面形與工件的面形有密切的關系，拋光完工時它們的面形的完全吻合的。 采用塑料拋光時，拋光模迫使精磨表面與它的面形取得一致，拋光模的形狀僅由磨損而改變，而不是粘性流動而改變。所以能較長期保持其正確的面

43、形，所以它適用于自動化生產。 (一)對拋光模的要求 1.微孔結構 主要為增加拋光的切削作用，還吸附，貯存大量拋光粉。 2.耐磨性 為提高拋光模的使用壽命，長期保持面形精度，控制光圈。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200957v一.拋光模層材料 3.耐熱性 保證不能在加工過程中受熱而變形，一般來說拋光模材料的軟化溫度在90-100度以上。 4.柔韌性 要求在一定的速度和壓力下，拋光模具有微小的蠕變，這樣才能與工件緊密接觸。 5.硬度 硬度太小容易塌邊，太大容易產生劃痕。因此硬度要適中。 6.其它要求 比如抗老化，收縮率小等等。 (二)拋光模種類和組成 1.種類 分為熱塑性拋

44、光模與熱固性拋光模。前者主要是熱塑性樹脂為主要成分的拋光模，如柏油混模，古馬隆混合模；后者主要心熱固性樹脂為主要成份，如聚氨脂模，環氧樹脂模等。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200958v一.拋光模層材料 (二)目前國內幾種主要拋光材料 光學玻璃的拋光，經歷了從古典拋光到高速拋光的發展過程。與此相適應的拋光材料也疊 歷了由天然高分子材料到混合拋光材料及合成高分子材料的發展過程。 現就國內常用的幾種拋光材料的組成和性能概述如下： 1柏油混合拋光材料 柏油混合模主要用于低速拋光，曾作為球面高速拋光的過渡性拋光模。 柏油主要成分是瀝青。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光

45、電工程學院200959v一.拋光模層材料 (二)目前國內幾種主要拋光材料 瀝青是黑色、硬質可塑性物質，是極為復雜的有機物。由柏油制成的拋光模，它的強度、剛性和硬度主要是由瀝青決定；拋光模的吻合性、粘性是由石油樹脂決定的。該樹脂系低分子固體樹脂，易熔化，為熱塑性物質，在一定溫度下具有粘性。拋光模的流展性、柔韌性以及對填料的濕潤性是由潤滑油決定的。潤滑油粘度大，不易揮發，具有良好的濕潤性。 柏油拋光模雖然具有良好的吻合性和一定的機械性能但是它不能承受較大的壓力和較 高的轉速，在高速拋光條件下易變形，因此必須改進柏油拋光模配方。改善柏油拋光模的性能有兩個途徑：其一是改變柏油的組成；其二是加入其他組分

46、。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200960v一.拋光模層材料 (二)目前國內幾種主要拋光材料 2古馬隆混合拋光材料 古馬隆又稱香豆酮樹脂，有的是粘稠狀液體；有的是固體，硬而脆，呈淺黃色至黑色，外觀很像松香。它屬熱塑性物質，軟化點為8088_C。用古馬隆作拋光模層基體，可提高模層的耐溫性、耐磨性和硬度。 純古馬隆拋光模的強度和剛性均不好，加入大量填料和輔助材料，可顯著改善拋光模的性能。古馬隆混合模主要用于平面拋光。 無論是柏油還是古馬隆都是分子量不很高的塑性物質，具有一定的柔韌性、潤濕性，所制 備的拋光模有良好的吻合性，加工表面疵病等級高。合成樹樹脂和填料的加入，又改善了

47、模層 的強度，并且制模簡單。因此，柏油混合拋光材料曾是高速拋光過渡性模層材料。但它形穩性差，壽命短，不能很好地滿足高速自動化生產的需要。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200961v一.拋光模層材料 (二)目前國內幾種主要拋光材料 3聚氨酯泡沫塑料拋光材料 聚氨酯（英語：Polyurethane，縮寫為PUPU ）泡沫塑料是20世紀50年代出現的一種新型合成材料。由于它具有一系列優異性能，因此，近些年在國內外得到迅速發展和廣泛應用。采用聚氨酯泡沫塑料制成的拋光模，具有良好的微孔結構，強度高，變形小，耐磨性優良，拋光效率高，壽命長。但是這種拋光模，制作困難，重復性不好，配料和

48、制模工藝稍有差別，性能差異很大。 聚氨酯泡沫塑料拋光模，根據配方中使用的原料不同，分為聚酯型和聚醚型兩類。聚醚型比聚酯型工藝性能好，耐壓，強度高，耐水性好，有較高的抗熱性，老化期長。因此，目前各國大多采用聚醚型聚氨酯拋光片。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200962v一.拋光模層材料 (二)目前國內幾種主要拋光材料 4聚四氟乙烯拋光材料 聚四氟乙烯具有優良的耐熱性、耐化學腐蝕c生和介電性，磨擦系數很小。它在250180 范圍內長期使用性能不受任何影響。這種拋光模是將伴有石墨粉的聚四氟乙烯液涂在玻璃底盤上，經高溫復塑化而成。這種拋光模材料一般應用于高精度平面零件拋光。 5.固著磨料拋光丸片 拋光時，不用再加拋光粉，只加清水或含有某些添加劑的液體。這種方法，一般叫作固著磨料拋光。 固著磨料拋光丸片的制作是將氧化鈰或金剛石微粉加入樹脂(基體)中，粘結在一起制成不同形狀和尺寸的小圓片。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200963v一.拋光模層材料 (二)目前國內幾種主要拋光材料 拋光時，有如金剛石精磨丸片一樣按一定方式排列在拋光模基體上，為保持拋光模面形的穩定，覆蓋比應大些，一般為5060；拋光片的排列應使拋光模具有理想磨耗。拋光片應具有拋光能力強、自銳性好、膨脹系數小、彈性變形和吸水變形小和應力小等性能。 拋光丸片所用樹脂大部分為環氧樹脂，有