光学透镜冷加工生产实习.doc

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冷加工实习报告

院系：

班级：

学生姓名：

学号：

2012年月日

前言

制作光学零件的常见材料有三大类，即光学玻璃、光学晶体和光学塑料，其中，以光学玻璃，特别是无色光学玻璃的使用量最大。

光学零件属于高精度零件，平面零件的加工精度主要有角度和平面面形；球面零件的加工精度要求主要有曲率半径和球面面形。

光学零件加工的工艺过程随加工方式不同而迥异。

光学零件的加工方式主要有两类：

传统（古典）加工工艺和机械化加工工艺。

此次加工工艺过程先后依次经过以下一些工序：

铣磨工艺，磨边与精磨工艺，抛光工艺，镀膜工艺，检测技术与方法。

注意：

光学工艺安全技术及操作规则：

光学加工由于精度高，加工对象特殊，必须在专门的光学车间内进行。

因此，除了遵守一般的机械加工规则外，还必须遵守光学加工所特有的安全操作要求。

（1）进入车间应穿白色工作服，穿干净拖鞋，以防止灰尘带入。

（2）严禁用手直接触摸光学表面。

（3）开机前，须先检查机床设备、夹具是否完好。

（4）在未了解实习所用机床及仪器设备的操作规范前，不允许擅自开动机床，也不允许操作不在实习范围内的仪器与设备，以免造成破坏和人身安全事故。

一、实习目的

（1）了解光学冷加工透镜的基本流程，以及现代光学冷加工工艺发展，完成凹透镜加工。

（2）将理论在实践中得到验证和应用，同时进一步巩固课堂所学知识。

（3）发现问题通过思考解决问题，培养独立思考，团队合作和动手能力，完善之前学习过程中的理论不足和实践不足。

二、实习时间

2012年7月4日—2012年7月11日

三、实习地点

西安工业大学金花校区

四、实习单位及部门

西安工业大学金花校区，教五楼，二楼光学冷加工实验室。

依托于西安工业大学的“陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室”成立于1999年，在上级和学校的支持下，实验室整体实力不断增强，成为西北地区高校光学工程学科领域条件最好的实验室之一。

以省级重点实验室为基础，又拓展了“陕西省薄膜技术与微光电器件军民两用技术工程中心”和国家光电子成果转化及产业化基地“光电薄膜与器件研发服务中心”两个省级重点科研基地。

光学工艺、光学检测、真空镀膜、微光电器件制造与检测实验室，拥有光学零件加工与检测、光学薄膜制造与检测、微光电器件制造与检测的主要技术装备，是光学工程专业的教学、科研成果等方面取得了一大批有影响的成果，光学工艺实验室在产学研方面做出了突出贡献，曾被评为“全国高校先进实验室”。

五、实习内容

完成凹透镜加工，加工工艺流程为：

1、铣磨工艺；2、磨边与精磨工艺；3、抛光工艺；4、镀膜工艺；5、检测技术与方法。

1、铣磨工艺

铣磨就是用筒形金刚石磨轮在铣磨机上加工零件，经过铣磨后表面粗糙度不能满足，其主要是改变了玻璃毛坯的形状。

球面铣磨原理采用斜截圆原理，两轴交点与磨轮刃口的连线即为所加工球面的曲率半径。

球面铣磨原理

1—磨轮；2—工件斜截圆原理

铣磨加工工艺要求为：

两轴要重合，并且处于一定位置，其次角度要合适（曲率半径范围在0—∞之间），即两轴夹角满足公式

其中，为两轴夹角，R为曲率半径，D为磨轮中径，r为圆弧半径。

加工凸透镜时为“+”，加工凹透镜时为“-”。

加工时磨轮中径为23mm，所以可以得到夹角为19.8852°。

加工采用机型为ZGX70球面铣磨机，工作加工范围为5—70mm，机床主轴转速n=15—22r/min,磨头转速n=7000—10000r/min。

工作时首先打开冷却阀，使冷却液（水）喷出，用于降温，因为在铣磨过程中，摩擦产生大量的热，温度过高会使镜片碎裂。

手柄向前推至快接近玻璃毛坯时，要慢慢接触到工件，听到声音为已经开始加工，此时手扶一段时间再松开。

当加工快完成时，面板上会有时间数据显示，这段时间称为光刀阶段，一般时间为5—8s，加工完成后就可以拉开手柄。

加工时一面一面加工，先加工凹面，曲率半径为33.81，加工凸面要求曲率半径为119.12。

检验零件是否合格采用的是千分表，其检验方式是通过与标准件数据进行对比，其误差为2格，带底座的千分表用于测量厚度，中心厚度要求为1.90.05mm。

千分表

2、磨边与精磨工艺

一般工艺流程中，铣磨后直接进行精磨加工，由于仪器夹具直径的限制，此次实习中精磨前要进行定心磨边。

定心磨边的步骤：

（1）定心：

透镜在使用时，其光轴须重合才能成像，所以磨边时需要使透镜光轴与基准轴重合。

推动手柄夹紧透镜，用手试着活动透镜，直到透镜无法被移动。

（2）依次按下冷却泵按键，砂轮启动按键，主轴启动按键。

磨边冷却液可分为油性和水性两种，具有粘度低，冷却性强，润滑性好等特点，同时不损害皮肤，对机床设备无锈蚀，对环境无污染等特点，此次实习采用油性冷却液，所以要调好冷却液喷头角度，防止油飞溅。

（3）机床工作，把外圆磨到给定尺寸，使零件可以装夹到精磨夹具中。

（4）当砂轮与玻璃接触并开始磨边时，会发出响声，当响声变小时机床磨边完成，等到砂轮退后，依次关闭主轴、砂轮、冷却液按键。

（5）砂轮停止转动后，取下玻璃片，用游标卡尺测量直径，范围为23.70.1mm为合格。

精磨原理

精磨工艺目的是使零件表面的凹凸层深度和裂纹层深度进一步减小。

将凹面凸面分别先进行粗磨，后精磨，粗磨的目的是减少凸包、划痕等，精磨目的主要是减少抛光时间。

共进行4道工序，每道工序时间为40s，曲率为33.81的夹具用于加工凸面，曲率为119.12的夹具用于加工凹面。

采用机型为HH-4型高速精磨机，使用金刚石丸片磨具进行精磨加工，精磨片在球面夹具上的分布必须使得精磨模在使用过程中的磨损规律符合“余弦磨损”。

3、抛光工艺

抛光是光学冷加工各工序中一道重要工序，其主要任务是磨去由精磨工序产生的玻璃表面破坏层，确保光学零件表面面形的精度。

抛光的目的：

（1）消除精磨的破坏层，达到规定的表面要求；

（2）精修面形，达到图纸要求的光圈数N和局部误差；（3）为后续特种工艺创造条件。

抛光技术的发展：

古典法抛光；混合模抛光；聚氨酯抛光；顾着磨料抛光。

此次实习采用机型为HH-8型高速抛光机，抛光的机理是机械磨削、化学作用和表面流动理论。

采用准球心法高速抛光机床，其特点为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。

主要调节铁笔高度使夹具松紧度合适已达到抛光效果，以及调节铁笔方向，使铁笔对准求心，即与切线方向垂直。

准球心法高速抛光原理

抛光后零件的检测主要是利用光圈数来判定，车间一般用干涉法计量，用样板叠合观察等厚干涉条纹（俗称看光圈）。

常见疵病及产生原因：

产生划痕原因分析：

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。

产生麻点原因分析：

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。

光圈不规则原因分析：

抛光模不规则；抛光时间不够，未能消除超精磨遗留的局部误差；压力太大。

4、镀膜工艺

光学薄膜是附着在光学零件表面的厚度薄而均匀的介质膜层。

光学薄膜器件的应用在近几年得到迅速的发展，种类也在增加，但是绝大多数膜系的工作原理和设计方法任是以多界面的多光束干涉理论为基础的。

为了减小表面反射率，最简单的途径是在玻璃表面上镀一层低折射率的薄膜，当单层、双层反射膜不能满足需要时，可寻求更多层的膜堆提高反射效果。

根据需要对工件镀膜，例如减反膜（增透膜），增反膜，中性分束膜，截止滤光片。

光学薄膜可以采用物理汽相沉积（PVD）和化学液相沉积（CLD）两种工艺来获得。

CLD工艺简单，制造成本低，但膜层厚度不能精确控制，膜层强度差，较难获得多层膜，还存在废水废气造成污染的问题，已经很少使用。

PVD需要使用真空镀膜机，制造成本高，但膜层厚度可以精确控制，膜层强度好，目前广泛使用。

在PVD方法中，根据膜料汽化方式不同，又分为热蒸发、溅射、离子镀及离子辅助镀技术。

光学真空镀膜机大多数是热蒸发真空镀膜设备，主要由三大部分组成：

真空系统、热蒸发系统、膜层厚度控制系统。

光学镀膜机真空系统的组成形式有：

小型镀膜机采用“高真空油扩散泵+低真空机械泵+低温冷阱”，大型镀膜机采用“高真空油扩散泵+低真空机械泵+罗茨泵+低温冷阱”，其工作原理为：

低真空机械泵首先将真空室抽到低于5Pa的低真空状态，为油扩散泵后续抽真空室提供前提条件，尔后，当油扩散泵抽真空室时，机械泵又与油扩散泵组成串联机组，机械泵成为帮油扩散泵排气于大气的必不可少的设备。

油扩散泵使用时要注意防止反油，冷阱作为有油真空机组必须配套的挡油装置，对于防止油蒸汽进入真空室获得牢固的镀层有无法代替的作用。

PVD在真空中进行的原因：

（1）空气中活性分子与膜层、膜料、蒸发器反应，空气分子进入膜层成为杂质；

（2）真空条件下，被镀膜层材料容易蒸发，容易得到高纯膜，膜层坚硬，成膜速率快；

（3）若不在真空条件，镀好膜层容易被氧化。

真空镀膜的原则是：

主体分子的平均自由程大于蒸发源到被镀件之间的距离。

真空度的检测方法有：

热电偶真空计；热阴极电离真空计；冷阴极电离真空计。

获得精确厚度的方法有：

（1）目视法；

（2）极值法；（3）光电定值法；（4）任意膜厚的单波长监控；（5）石英晶振法；（6）宽光谱膜厚监控。

离子辅助镀中，采用离子束在镀前、镀制过程中轰击零件表面的作用：

（1）镀前轰击作用：

既起到清新被镀表面的作用，又压缩了离子轰击时间，更是使离子轰击的作用发挥到最大。

（2）镀中轰击作用：

①溅射突出岛，消除阴影效应，破坏柱状结构，形成均匀填充生长。

②获得高于离位阈能的能量时，产生吸联碰撞，增加原子迁移率，有利于形成致密结构。

③获得高于离位阈能的能量时，晶格振动加剧，形成局部热峰，将产生淬火效应。

5、检测技术与方法

非球面的检测方法有：

几何光线检测法（哈特曼法、光栅法和刀口法）；直接的面形轮廓法；干涉法。

此次实习使用激光波面干涉仪：

型号：

VeriFirePE

生产厂家：

美国ZYGO公司

该激光干涉仪不仅具有常规移相（PSI）测量模式，而且能够提供常规及高精度的光学表面面形的测量。

主要特点：

FlashPhase动态测量模式

可实现在恶劣的环境下（长腔长，振动，气流影响等）对光学表面面形变化进行动态测量。

技术指标：

测量重复性：

4英寸PV值为λ/300*（2σ）；

均方根RMS值为：

λ/10000（2σ）；

光束直径：

4英寸，可扩展至150mm；

光源波长：

632.8nm；

相机分辨率：

640*480像素。

Fizeau干涉原理及干涉仪使用：

目的

（1）了解Fizeau干涉原理，理解平面及球面光学元件的面形测量方法；

（2）能使用Fizeau干涉仪进行平面光学零件的测量。

测量原理

平面面形测量球面面形测量

测量步骤

（1）.打开干涉仪及计算机的电源

（2）.根据待测件选择参考镜头，安装参考镜头，并调整

（3）.安装被测件，并调整

（4）.对焦

（5）.测量并查看测量结果

使用仪器

VerifirePE型Zygo干涉仪

测量结果理解及分析

1.PV值

2.RMS值

6、实习总结

生产实习是大学教学必不可少的部分，在实习过程中将理论在实践中得到验证和应用，同时进一步巩固了课堂所学知识。

在此过程中，不断尝试，不断遇见困难，发现问题，解决问题，培养了独立学习能力及实践能力，有效的完善了之前学习过程中的理论不足、实践不足。

通过此次生产实习，了解了光学透镜冷加工的基本流程，巩固了一些相关知识，对工程光学，镀膜等有了更多了解，加深印象，对之前没有完全理解，和遗漏的知识点加以完善。

通过实际观看、操作、认真听取老师的讲解，对安全操作进行了解，避免了实践中的盲目性和危险性。

参观实习开拓了我们的眼界，了解工厂中工人、干部及技术人员严格的组织纪律，团结协作的精神，使我们受益匪浅。

参考文献

[1]卢进军，刘卫国.光学薄膜技术[m].西安：

西北工业大学出版社，2004.

[2]郭培基.非球面加工与检测技术[m].苏州大学现代光学技术研究所.

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