摘要:敘述了激光核聚變、大型非球面和共形光學(xué)零件的超精密加工技術(shù);將超精密切削、磨削、計(jì)算機(jī)數(shù)控拋光和連續(xù)拋光技術(shù)結(jié)合起來(lái),成功地應(yīng)用于激光核聚變光學(xué)零件的超精密、批量制造;分析了研制大型非球面光學(xué)零件超精密加工裝置應(yīng)該解決的關(guān)鍵問(wèn)題,并提出了解決方法。
關(guān)鍵詞:光學(xué)零件 非球面 共形光學(xué) 超精密加工
超精密加工技術(shù)廣泛應(yīng)用于國(guó)家重大型號(hào)工程,例如激光核聚變磷酸二氫鉀( Potassium Dihydrogen Phosphate ,KDP) 晶體及聚焦透鏡,航天某型號(hào)大型平面反射鏡,國(guó)家重點(diǎn)型號(hào)大型拋物面鏡以及大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡( The Large Sky Area Multi-Object Fiber Spect roscopic Telescope , LAM-OST) ,國(guó)家重大科學(xué)工程中的反射鏡等。為獲得高質(zhì)量影像,縮小體積,減輕重量,很多武器裝備都采用非球面光學(xué)零件;為進(jìn)一步提高視場(chǎng)與分辨率的發(fā)展需要,光學(xué)零件的尺寸也愈來(lái)愈大;為減小武器的運(yùn)動(dòng)阻力及提高武器的隱身性能,現(xiàn)有的發(fā)展趨勢(shì)是使用共形光學(xué)(Conformal Optics) 零件代替球面光學(xué)零件。
1 激光核聚變光學(xué)零件超精密加工技術(shù)
我國(guó)正在研制的激光核聚變裝置需要大量的高精度、大口徑光學(xué)元件,要按期、保質(zhì)、保量地制造這些光學(xué)元件,必須突破現(xiàn)有的工藝水平,采用高效的先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)。借鑒美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置(National Ignition Facility ,NIF) 的經(jīng)驗(yàn),結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況,將超精密加工技術(shù)應(yīng)用到激光核聚變光學(xué)元件的精密制造中。
1.1 大口徑平面光學(xué)元件超精密加工
激光核聚變裝置中的光學(xué)元件大多數(shù)是矩形、方形或多邊形的,同圓形元件相比,這些元件的加工具有明顯的邊緣效應(yīng)(特別是角上) 。就目前的技術(shù)水平而言,要達(dá)到工程所要求的透射波前( P - V 值( Peak to Valley ,即峰- 谷值) , λ/ 6 ) 和反射波前( P - V 值,λ/ 4) 是比較困難的,必須采用先進(jìn)制造技術(shù)。
大量試驗(yàn)證明,電解在線修整磨削法( Elect rolytic In-Process Dressing ,EL ID) 的生產(chǎn)效率明顯高于傳統(tǒng)研磨工藝,該工序有望取代傳統(tǒng)拋光前的粗加工———銑磨和粗拋,唯一的缺點(diǎn)是精度略低(相對(duì)于精密拋光) 。
使用小工具數(shù)控拋光加工340 mm ×340 mm ×60 mm的平面反射鏡,初始反射波前誤差為3. 5λ( P -V 值,λ = 0. 632 8μm) ,經(jīng)過(guò)僅30 h 的拋光,反射波前誤差P - V 值收斂至0. 26λ ,均方根值為0. 035 λ ,如圖1 所示(圖中標(biāo)尺列出的“+ 、- ”值應(yīng)當(dāng)用不同的色彩表示,黑白照無(wú)法區(qū)分,只是一個(gè)示意圖) 。從圖中明顯地看到通常所說(shuō)的“碎帶”誤差,在強(qiáng)激光系統(tǒng)中,這種高頻誤差必須嚴(yán)格控制。因此這種工藝方法不能作為強(qiáng)激光系統(tǒng)光學(xué)元件的最終加工。
在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),利用連續(xù)拋光技術(shù)加工的大口徑光學(xué)元件的精度能夠滿(mǎn)足工程要求,但存在的問(wèn)題是加工周期長(zhǎng),對(duì)人的依賴(lài)性太強(qiáng)。
上述3 種技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn),都不能單獨(dú)滿(mǎn)足工程的需要。將這3 種技術(shù)合理地結(jié)合起來(lái),發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì),就能夠滿(mǎn)足工程的需要。具體思路是首先采用EL ID 磨削技術(shù),將光學(xué)元件毛坯精密磨削到1λ以?xún)?nèi);然后用數(shù)控加工機(jī)床修正局部誤差,將光學(xué)元件加工到工程所要求的面形精度;最后使用大型環(huán)拋機(jī),將光學(xué)元件精密拋光至工程要求,這一工序主要解決表面粗糙度和波紋度的問(wèn)題。
1.2 KDP 晶體超精密加工
激光核聚變KDP 晶體加工通常采用超精密切削的方法,NIF 裝置中KDP 晶體尺寸是450 mm ×450mm ,透射波前是λ/ 4 。我國(guó)現(xiàn)在還沒(méi)有能加工出這個(gè)精度的機(jī)床,而且KDP 晶體不能像其他光學(xué)元件那樣采用手工修研的辦法來(lái)加工,所以必須研制自己的KDP 晶體超精密加工機(jī)床。圖2 是240 mm ×240 mmKDP 晶體的加工樣品,從圖中可以看出明顯的加工痕跡,這種刀痕給晶體的透射波前添加了小尺寸的周期性擾動(dòng),是必須抑制的制造誤差。筆者經(jīng)過(guò)研究認(rèn)為主要是由工作臺(tái)和進(jìn)給絲桿之間的傳遞誤差引起的。研制新機(jī)床時(shí),一定要研制新的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),以減少KDP 晶體的波紋度。
1.3 方形非球面透鏡超精密加工
大口徑方形非球面透鏡的高精度加工一直是光學(xué)加工領(lǐng)域的重大難題,國(guó)內(nèi)僅有少數(shù)單位從事這方面的研究,積累的經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)較少,僅能滿(mǎn)足單件生產(chǎn)的需要。為了解決方形非球面透鏡的加工問(wèn)題,我們從以下3 方面進(jìn)行研究:
(1) 按傳統(tǒng)方法加工以方形透鏡對(duì)角線為直徑大小的圓形透鏡,透鏡滿(mǎn)足工程技術(shù)要求后,再切割成所需尺寸的方形透鏡(即先加工后切割) 。
(2) 將滿(mǎn)足尺寸要求的方形材料拼合粘接成圓形工件后,按圓形非球面透鏡加工方法加工到滿(mǎn)足工程指標(biāo)要求后脫膠,得到要求的方形透鏡(即先切割后加工) 。
(3) 因?yàn)榉叫畏乔蛎嫱哥R不能用手工方法修磨,所以必須采用先進(jìn)的制造技術(shù)———計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成形技術(shù),根據(jù)定量測(cè)量的面形數(shù)據(jù),建立加工過(guò)程的控制模型,并在工件表面精確定位后,通過(guò)控制材料的去除量實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件表面的精密加工。
2 大型光學(xué)零件超精密加工技術(shù)
2.1 研究工作現(xiàn)狀
超精密加工分兩大類(lèi):一類(lèi)采用運(yùn)動(dòng)復(fù)印原理,另一類(lèi)采用壓力復(fù)印原理?;谶\(yùn)動(dòng)復(fù)印原理的超精密機(jī)床有美國(guó)的大型光學(xué)零件金剛石立式車(chē)床(LODTM) 和英國(guó)的超精密大型CNC 光學(xué)零件磨床(OAGM2500) ;基于壓力復(fù)印原理的技術(shù)有計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面(CCOS) 成形技術(shù),1994 年Tinsley 公司與Itek、Eastern - Kodak 等公司合作,利用CCOS 技術(shù)完成了對(duì)哈勃望遠(yuǎn)鏡主鏡的修復(fù)工作,加工出的非球面校正鏡修正了主鏡制造過(guò)程中的誤差,提高了成像質(zhì)量。我國(guó)大型非球面的加工能力與發(fā)達(dá)國(guó)家相比有較大差距,目前,大多數(shù)大型非球面光學(xué)元件用經(jīng)典研磨拋光的方法制造。長(zhǎng)春光機(jī)所研制了FSGJ - 1 型數(shù)控非球面光學(xué)加工中心,它集銑磨成形、磨邊、精磨拋光和檢測(cè)于一體,最大加工直徑為800 mm ,面形誤差小于30 nm ( 均方根值) , 表面粗糙度值小于Ra 2nm。
2.2 超精密切削和磨削
根據(jù)國(guó)家武器、背景項(xiàng)目及將來(lái)型號(hào)發(fā)展的需求,我國(guó)正集中全國(guó)有優(yōu)勢(shì)的單位聯(lián)合攻關(guān),研制大型非球曲面超精密加工裝置,裝置具有金剛石車(chē)削、銑削、磨削和檢測(cè)功能。金剛石車(chē)削裝置用于加工各種金屬反射鏡;超精密銑削裝置主要用于核聚變KDP 晶體和鈹鏡等平面類(lèi)零件的加工;超精密磨削裝置用于強(qiáng)激光裝置中大型非球面的加工。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
在設(shè)計(jì)機(jī)床時(shí),需要根據(jù)機(jī)床最終加工工件的精度要求,合理分配各部件的精度。因?yàn)楣ぜ叽绱?,熱量引起的變形將?yán)重影響裝置的總體精度,所以一方面要在裝置的關(guān)鍵部件,特別是發(fā)熱源處,加恒溫水(或油) 冷卻并進(jìn)行溫度控制,以減少熱變形的影響;另一方面可采用誤差補(bǔ)償技術(shù),以提高機(jī)床精度,這樣便能適當(dāng)降低機(jī)床零部件的設(shè)計(jì)精度。
對(duì)于大口徑光學(xué)元件,必須考慮支撐方式和重力變形引起的誤差,利用有限元分析技術(shù)研究支撐方式及重力變形對(duì)加工精度的影響。
在設(shè)計(jì)超精密銑削時(shí),必須考慮以下幾個(gè)問(wèn)題:
(1) KDP 晶體的特殊加工要求,根據(jù)晶體的各向異性特點(diǎn),確定正確的加工方式; (2) 正確理解透射波前的概念,根據(jù)工件的透射波前,確定合適的機(jī)床零部件精度; (3) 為解決KDP 晶體加工過(guò)程中出現(xiàn)的擾動(dòng)(見(jiàn)圖2) ,在設(shè)計(jì)機(jī)床時(shí)要合理設(shè)計(jì)機(jī)床的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
2.3 超精密計(jì)算機(jī)控制拋光
超精密EL ID 磨削技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制拋光技術(shù)相結(jié)合,可以解決大型玻璃非球面零件的超精密加工問(wèn)題。為了同上述大型非球曲面超精密加工裝置相配套,我國(guó)正在研制五軸聯(lián)動(dòng)的計(jì)算機(jī)控制拋光裝置,裝置的最大加工直徑為1 300 mm ,主要用于解決大型光學(xué)零件的最終拋光問(wèn)題,面形精度為λ/ 20 (均方根值) ,表面粗糙度值為Ra 1 nm。
在超精密加工領(lǐng)域,可以說(shuō)如果沒(méi)有先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)就沒(méi)有超精密加工技術(shù)。我國(guó)以前從國(guó)外引進(jìn)的設(shè)備就是由于檢測(cè)裝置的不配套,沒(méi)有發(fā)揮原引進(jìn)設(shè)備的優(yōu)越性。CCOS 技術(shù)優(yōu)越于傳統(tǒng)手工加工的重要標(biāo)志就是它有定量的檢測(cè)結(jié)果作為指導(dǎo),所以必須研究超精密拋光用在線定量檢測(cè)技術(shù),檢測(cè)系統(tǒng)的精度為λ/ 40 。
數(shù)控拋光由于使用了比被加工元件外形尺寸小得多的拋光磨頭,被加工表面呈現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)方法加工表面的特征,表面面形中包含了較多的中高頻成分(從圖1 中可以明顯地看出) ,所以應(yīng)該重點(diǎn)研究拋光磨頭的軌跡規(guī)劃和加工工藝的優(yōu)化,以降低被加工表面中的中高頻誤差。由于被加工工件的尺寸太大,需要研究被加工零件本身重量對(duì)工件精度的影響。
3 共形光學(xué)元件超精密加工技術(shù)
最近美國(guó)發(fā)現(xiàn)一種高性能任意形狀的光學(xué)零件,比球面、平面、輕度非球面具有更好的空氣動(dòng)力性能,它就是共形光學(xué)零件。共形光學(xué)指的是設(shè)計(jì)、制造和使用既不是平面也不是球面的光學(xué)窗口和整流罩,包括軸對(duì)稱(chēng)和非軸對(duì)稱(chēng)零件,以及與非球面、球面、圓柱面、圓錐面、平面和尖頂形狀組合的零件。
飛機(jī)的光學(xué)窗口和導(dǎo)彈上的整流罩安裝有光學(xué)系統(tǒng),用于導(dǎo)航、跟蹤和偵察,其形狀一般為球面和平面,這有一定的阻力。以前,設(shè)計(jì)師對(duì)此沒(méi)有別的選擇,但現(xiàn)在可以采用共形光學(xué)零件,它能夠優(yōu)化飛機(jī)外形以符合動(dòng)力性能要求,顯著減小阻力;同時(shí)能優(yōu)化飛機(jī)形狀,以使雷達(dá)上的(或用其他方法檢測(cè)出的) 反射截面積最小,從而具有更好的隱身性能;共形光學(xué)元件替代球面光學(xué)窗口還能夠提供大的視場(chǎng)。
美國(guó)為了加工這種新型光學(xué)零件,專(zhuān)門(mén)研制了新的超精密機(jī)床Nanotech 500FG,該機(jī)床是一計(jì)算機(jī)數(shù)控、多軸、超精密加工系統(tǒng),能夠加工任意形狀的共形光學(xué)表面,加工工件的最大尺寸為250 mm ×250 mm×300 mm。機(jī)床具有多軸磨削和金剛石車(chē)削的能力,能夠加工大離軸扇形零件,實(shí)現(xiàn)了延性方式超精密磨削(Ductile Grinding) ,加工工件具有光學(xué)表面質(zhì)量,通常很少需要或不需要后續(xù)拋光。為了同該機(jī)床配套,還使用了磁流體拋光(MRF) 技術(shù)和可測(cè)量自由曲面的納米級(jí)測(cè)量精度的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。使用該機(jī)床能夠直接磨削出共形光學(xué)零件,加工零件的面形精度優(yōu)于0. 375μm( P - V 值) ,表面粗糙度優(yōu)于Ra0. 002 7μm。
4 我國(guó)超精密加工技術(shù)的發(fā)展方向
國(guó)內(nèi)從20 世紀(jì)80 年代初開(kāi)始超精密加工技術(shù)的研究,先后從國(guó)外引進(jìn)了Taylor Hopson 公司的超精密機(jī)床MSG- 325 、Nanoform 300 和Nanoform 250 ;同時(shí)北京機(jī)床研究所、北京航空精密制造研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位相繼研制成功超精密機(jī)床;長(zhǎng)春光機(jī)所研制了FSGJ - 1 數(shù)控非球面光學(xué)加工中心。但總體來(lái)說(shuō)與世界先進(jìn)水平還有一定差距,所以現(xiàn)正集中全國(guó)力量攻關(guān),研制大型光學(xué)零件超精密加工裝置。
超精密加工技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向是大型非球面零件超精密加工;另一發(fā)展方向是共形光學(xué)零件超精密加工,它廣泛應(yīng)用于國(guó)防工業(yè),能夠大大提升武器的綜合性能,而能夠加工共形光學(xué)元件的超精密機(jī)床,國(guó)外對(duì)我國(guó)是禁運(yùn)的。所以為提高我國(guó)超精密加工技術(shù)水平,滿(mǎn)足航空、航天、武器等國(guó)防現(xiàn)代化的需要,必須研制自己的下一代共形光學(xué)元件超精密加工機(jī)床。
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