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光学玻璃透镜制造工艺

文章出处:未知 人气:发表时间:2020-08-05
1.1  光学零件制造工艺的特点及一般过程
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。虽然光学零件的加工按行业划分归入机械加工一类,但由于加工对象的材料性质和加工精度要求显著地不同于金属材料,因而加工工艺上也完全不同于金属工艺而具有特殊性。
1.1.1  光学零件的加工精度及其表示
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。高精度棱镜的角误差要求达到秒级。高精度平面面形精度可达到几十分之一到几百分之一波长。平面零件的平面性和球面零件的球面性统一称为面形要求。光学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)。表示面形误差的光圈数符号是N,不规则性(或称局部误差)符号是△N。除面形精度外,光学零件表面还要有粗糙度要求。光学加工中各工序的表面粗糙度如表6-1所示。光学零件抛光表面粗糙度用微观不平十点高度表示为R2=0.025um,用轮廓算术平均偏差表示为R2=0.025um,用符号表示则为0.008,在此基础上,还有表面疵病要求,即对表面亮丝、擦痕、麻点的限制。
1.1.2  光学零件加工的一般工艺过程及特点
光学零件加工的工艺过程随加工方式不同而异。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,这里我们只介绍传统加工工艺。
传统工艺的特点主要有:
(1)使用散粒磨料及通用机床,以轮廓成形法对光学玻璃进行研磨加工。操作中以松香柏油粘结胶为主进行粘结上盘。先用金刚砂对零件进行粗磨与精磨,然后使用松香柏油抛光模与抛光粉(主要是氧化铈)对零件进行抛光加工。影响工艺的因素多而易变,加工精度可变性也大,通常是几个波长数量级。高精度者可达几百分之一波长数量级。
(2)手工操作量大,工序多,操作人员技术要求高。对机床精度,工夹磨具要求不那么苛刻,适于多品种,小批量、精度变化大的加工工艺采用。
传统加工工艺过程,以一个透镜为例,先后依次经过以下一些工序:
1、毛坯加工。包括按光学零件图选择合适的块料,切割整平、划分、胶条、滚圆开球面。开球面是单件进行的。
2、粗磨加工。使表面粗糙度及球面半径符合细磨要求。传统工艺中粗磨是单件进行的。一般采用传统工艺加工的工厂中,粗磨车间往往包括毛坯加工。
3、上盘:粗磨之后,经清洗,将一个个透镜毛坯按同半径组合成盘。即依靠粘结胶把分散的透镜固定在球形粘结膜上,应注意的是成盘时要使每一个透镜毛坯的被加工面都处于同一半径的球面上。
4、细磨抛光工序。在加工第一表面时,细磨到抛光过程中一般是不需拆盘的,即一次一盘完成。操作中,先使用粒度依次变细的三至四道金钢砂将被加工面研磨到抛光要求的表面粗糙度,然后清洗,进行抛光。抛光是用一定半径的抛光模加抛光粉进行。一面加工完毕后,涂上保护膜,翻面再进行上盘。细磨抛光加工第二表面。
5、定心磨边工序。透镜加工过程中会出现光轴和定位轴偏离(称为偏心)。定心磨边的任务是消除偏心,并使侧圆柱面径向尺寸达到装配要求。传统工艺的磨边常在光学定心磨边机上进行。
6、镀膜工序,对表面有透光要求的透镜,要加镀增透膜。球面反射镜要镀反射膜。有的还要镀其它性质的薄膜,依使用要求由设计决定。
7、胶合工序。对成象质量要求较高的镜头,往往采用几块透镜胶合而成。胶合应在镀膜以后进行。
以上这些工艺过程可简略表示如下:
选料——切割——整平——胶条——滚圆——开球面——粗磨球面——上盘——细磨——抛光——下盘;第二面上盘——细磨——抛光——下盘——定心磨边——镀膜
1.2  光学工艺安全操作知识
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。
1.2.1  光学车间的特点
在光学零件加工过程中,大多数工序对温度、湿度、尘埃、振动、光照等环境因素是敏感的,特别是高精度零件和特殊零件的加工尤其如此。因此,光学车间都是封闭形,并要求恒温、恒湿、限制空气流动、人工采光,防尘。
1、温度对光学工艺的影响
恒温是光学车间一个明显特点之一。这里包括恒温温度及波动范围两个问题。光学车间各工作场所由于要求不同,对恒温温度及其波动范围的要求是各不相同的。
(1)温度对抛光效率与质量的影响
由于抛光过程中存在的化学作用随温度升高而加剧,因而升温会提高抛光效率。但由于古典工艺中采用的抛光模制模用胶、粘结胶等主要由松香和沥青按一定配比制成,一定的配比只在一定的温度下使用。而且它们对温度的变化较为敏感,温度过低,抛光模具与零件吻合性不好;温度过高,抛光模具抛光工作面变形。这两者将使加工零件的精度难以保证,具体表现在光圈难以控制和修改。实践得出:抛光间的温度一般应控制在22℃±2℃为宜。
(2)检验对室温的要求
温度的波动直接影响检验精度。一方面因为精密光学仪器对温度的波动很敏感;另一方面被检零件不恒温时,检具和零件间有温差会直接影响读数精度。所以,检验室必须恒温,并且也应控制在22℃±2℃范围内。
2、湿度对光学工艺的影响
在光学零件加工过程中,凡要求恒温或空调的地方,均因控制湿度所需。因为,水份蒸发速度直接影响湿度恒定状态。湿度过低,易起灰尘,零件表表清擦时也易产生静电而吸附灰尘,影响其光洁度。特殊零件如晶体零件的加工以及光胶工艺等,对湿度的要求尤为严格。光学加工过程中室内温度一般应控制在60%左右。
3、防尘
由于光学零件对表面质量即表面光洁度和表面疵病有极高的要求,所以光学车间的防尘问题也特别突出。灰尘在抛光时会使零件表面产生道子、划痕、亮丝;在镀膜时,会使膜层出现针孔、斑点、灰雾;在刻划时会引起刻线位置误差、断线等。
灰尘来源主要有:外间空气带入;由工作人员衣物上落下(粒径一般在l一5μm左右,直径小于1μm的灰尘,往往不能依靠自重降落,而长时间悬浮于空气中,影响产品质量);
不洁净的材料、辅料、工夹具等带入;生产过程中产生的灰尘(光学车间的净化条件,若按室内含尘的重量浓度要求,应控制在毫克/米3的数量级。胶合室的要求更严,一般以颗粒浓度作为要求,达到粒数/升的数量级)。
1.2.2  光学生产安全操作规则
由于光学车间的特殊性和光学零件加工的高精度要求,学生进入光学车间实习时,必须遵守以下安全技术及操作规则:   
    1、进入光学车间,特别是进入细磨、抛光、检验、磨边、胶合、镀膜、刻划等工作间时,应穿白色工作服,戴工作帽,穿专用鞋子或干净拖鞋,以防止将室外灰尘带入光学车间;
2、在操作过程中禁止用手指直接触摸光学表面,需要拿起光学零件时,手指也只能接触光学零件的侧面或非工作面。因为手指上留有汗渍、各种有机酸、盐类等对光学表面有害物质,它们往往会使光学零件表面受到侵蚀。如果不小心触摸后,必须立即用脱脂纱布或脱脂棉花蘸上酒精、乙醚混合液擦拭干净;
    3、为保持光学车间的恒温条件,不能在一个工作场所聚集过量人员,致使周围气温上升。门窗也不能随意打开;
4、开机前,须先检查机床设备、工夹具是否完好。发现电机有异常现象或其它机械毛病时,应立即拉开电闸或停机检查。安装、拆卸零件和夹具时,机床主轴必须完全停止转动;
5、为了清洗光学零件和其它工作需要,光学车间常常使用或临时存放多种易燃物质,如溶剂汽油、无水酒精、乙醚等。因此光学车间必须严格注意防火,加热设备必须远离上述物质。为了防火,同时也为了空气卫生,光学车间内严格禁止吸烟;
6、在加工过程中,粗砂禁止带入细砂,细砂禁止带入抛光区,因此在换砂以后,在磨砂完毕进入抛光前,必须对工件、工夹具、工作台等进行彻底清洗,以防砂子带入使工件表面出划痕、亮丝,破坏光洁度;
    7、在上盘、下盘,或其它需要加热光学零件情况时,不可使零件急热急冷。加热时应注意零件升高的温度必须控制在材料的退火温度以下。由于电炉表面温度已接近或超过许多材料的退火温度,所以不能将光学零件直接放置在电炉盘上加热,必须垫上衬垫;
8、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,试看试用有关的仪器设备。也不允许操作不在实习范围内的仪器与设备,以免造成损坏和人身不安全事故。
1.3  光学零件和光学零件图
光学零件是光学制造最后完成的目标,光学零件图是加工和检验的依据,所以在加工之前必须熟悉光学零件图及相应的技术指标、符号、尺寸等的含义。
1.3.1光学零件及有关术语、符号
光学工艺使用的图纸,通常有光学零件图、胶合部件图、工序图(毛坯图、粗磨图、抛光图等).其中光学零件图规定了加工时所必须的全部资料,包括外形尺寸,材料、技术要求及其它需说明的各项内容如图(1—11)、图(1—12)、图(1—13)所示。其它工艺图纸均按光学零件图画出,标注各工序完工后的尺寸和检验要求。
绘制光学零件工艺图样的一般原则是:光学零件的光轴用点划线表示,一般水平放置,光线方向应自左向右,零件一般对称于光轴放置,圆零件只画出沿光轴剖开的剖面图。
图纸左上角的表格依次列出对玻璃的要求和对零件的加工要求,包括面形精度,表面质量等.零件的外形尺寸,有关技术要求在图上注明或在图纸下方用文字或符号注明。
常用符号、术语说明如下:
N  光圈数符号。表示被检的零件表面和样板标准表面曲率半径偏差时产生的干涉条纹数(通称光圈)数目;
ΔN  光圈局部误差符号,表示表面形状的局部误差;
ΔR  样板精度等级符号.即样板曲率半径实际值对名义值的偏差量符号;
B(P)  光学零件表面疵病符号,也称为光洁度。光学零件工作表面的粗糙度一般都要求达到R1=0.025μm,旧标准为V14。在此基础上还需限制表面上存在的亮丝、擦痕、麻点,应与机械加工中的光洁度概念区分开。
C(X)  透镜偏心差符号,亦称透镜的中心偏差符号。用透镜表面的球心对透镜定位轴的偏离量表示;
π  尖塔差符号。表示反射棱镜的棱向误差;
θ  平行差符号。玻璃平板两表面间的不平行度;
S  屋脊棱镜双角差符号。屋脊棱镜屋脊角有偏差时造成的双象差的程度;
d  透镜中心厚度;
φ  透镜的口径;
镀膜符号:④为增透膜, ②为增反镜;
Δnd 玻璃材料折射率允许误差,包括对标准值的允差和同一批玻璃中的一致性允差。
Δ(nF—nC)  色散允差,与Δnd一样同样包括二项:

光学均匀性:玻璃内因折射率渐变造成的不均匀程度,影响零件的鉴别率,以鉴别率表示;双折射:玻璃存在应力时呈现各向异性,产生双折射现象,以双折射光程差表示;纹:玻璃中的化学不均匀区,因折射率不同于主体而出现丝状或层状的疵病,块料玻璃有从三个方向检查的,也有二个或者一个方向检验的;气泡:玻璃体内残留气泡程度,有大小与个数两项指标。

 1.4  光学零件的加工余量
1.4.1  加工余量的基本概念
    在光学零件加工过程中,为了从玻璃毛坯获得所需要零件的形状、尺寸,表面必须预留一定量的玻璃层,这一定量的玻璃层就称为加工余量。加工余量的正确给出是十分重要的,如果给出的余量小,则加工不出符合技术要求的零件;如果余量太大,又会造成材料与工时的浪费。
    根据光学零件加工工序,零件的加工余量分为:锯切余量、整平余量、滚圆余量、粗磨余量、细磨及抛光余量、定中心磨边余量;在每一工序之后给下一道工序留下的余量称为中间工序的余量;由加工中各个中间工序的余量所组成的余量总和称为总加工余量;鉴于各工序的加工特点不同,需要很好地研究如何合理地规定各道工序的加工余量。
1.4.2  确定加工余量的原则
光学零件的绝大部分余量都是借助于散粒磨料或固着磨料磨除去的。在研磨过程中,磨料对玻璃表面施加压力,形成一定的破坏层,往后的细磨、抛光等各道工序就是要除去这一破坏层,使玻璃表面形成符合要求的光学表面。因此,确定加工余量的原则应该是每道工序中除去的余量等于上一道工序产生的破坏层深度Fn-1,与本道工序产生的破坏层深度之差.玻璃经过第一道砂粗磨后,表面产生凹凸层hc和破坏层Fc,破坏层最深处以AA’表示;当第二道砂粗磨时,产生凹凸层h1和破坏层F1,而破坏层深度应与AA’线重合,而其加工余量应为图中的△1,显然△1等于Fc与F1之差。以后各道磨料的研磨加工余量均可类推,最后一道磨料的精磨所产生的h与F都己相当细微,因此,应该使最后一道磨料中的F略微超出AA线。然后通过抛光除去残余的相当微细的破坏层。余量的表达式为:

必须指出:根据上述原则计算的余量只是理论值,实际上还应该结合加工的具体情况给予适当地放大。
1.4.3各工序余量的确定
1、锯切余量与公差
锯切余量与锯片的侧向振动、锯片厚度、锯切深度等因素有关,可按表1—1选取。
表1—1锯切余量
锯切深度
(mm)
散粒磨料锯切余量mm
金刚石锯片锯切余量mm
锯片厚度1mm
锯片厚度2mm
锯片厚度1mm
锯片厚度2mm
〈10
10~65
〉65
1.5
2.0
2.5
3.0
3.2
3.6
1.5
1.8
2.2
2.5
2.7
3.0
 
锯切的尺寸公差取±0.2~0.5mm。
2、整平余量
整平时,磨去玻璃层的厚度,决定于毛坯玻璃的厚度,表面不平程度及其它表面疵病大小,一般加工中单面整平余量取0.2~0.6mm;
3、磨外圆加工余量与公差
磨外圆余量是指将整平后的方料,按其边长磨到圆直径之间的磨去量,根据磨外圆的加工机床与零件尺寸不同,可按表1-2确定,磨外圆公差可按表1-3确定。
表1-2磨外圆余量
零件直径mm
加工种类
 
〈7
无心磨床
0.4~0.6
7~40
手搓滚圆
外圆磨床
改装车床
1.5~2.0
1.5~2.0
2.0~2.5
〉40
外圆磨床
改装车床
2.0~3.0
2.5~4.0
 
 
 
表1—3 磨外圆公差
加工方法
外圆公差mm
不同柱度mm
无心磨床
手搓滚圆
外圆磨床
改装车床
0.05
0.10
0.05~0.10
0.10~0.20
0.01
0.01~0.10
0.05
0.10
 
4、研磨、抛光余量与公差
研磨的余量与被加工零件开关和尺寸、毛坯的种类、机床精度等因素有关。抛光余量十分微小,它与精磨余量一起给出。
(1)用散粒磨料研磨时,粗磨余量参考表1-4:
表1-4 散粒磨料粗磨余量
零件
毛坯种类
加工面形状
透镜直径或长方形零件边长(mm)
单面余量
0~25
25~40
40~65
〉65
1
2
1
2
1
2
1
2
透镜
球面型料
凸面和凹面
0.2
0.3
0.3
0.4
0.4
0.6
0.6
0.6
块料
凸面
0
0
0
0
 
凹面
h
h
h
h
平面镜
平面型料
平面
0.2
0.4
0.3
0.5
0.4
0.6
0.6
0.9
棱镜
型料和锯料
平面
0.5
0.5
0.6
0.6
0.7
0.7
0.9
0.9
 
(2)用固着磨料研磨时,粗磨铣切余量参考表1—5,对于棱镜,考虑到修磨角度,余量应当增大。
表1—5  固着磨料粗磨余量
种类
零件直径
直径
直径
单面余量(mm)
双凸透镜
0.15
0.20
平凸透镜
0.075
0.10
双凹透镜
有平台
1
0
无平台
0.1
0.15
平凹透镜
0.05
0.075
 
(3)精磨抛光余量及公差
精磨和抛光的余量:一般采用的数据为,零件直径≤10mm时,单面余量取0.15~0.20mm,零件直径>10mm时,单面余量取0.20~0.25mm。
高速精磨余量一般取0.1mm。
3、定心磨边余量
凹透镜的定心磨边余量参考表1—6选取。对于凸透镜当其直径与凹透镜尺寸相同时,可选取比表1—6低一级的余量。
表1—6  凹透镜定心磨边余量
透镜直径(mm)
1.5~2.5
2.5~4
4~6
6~10
10~15
15~25
25~65
65~100
>100
加工余量(mm)
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.5
2.0
2.5
3
 
1.4.4  光学零件毛坯尺寸的计算
各工序的加工余量确定之后,就可计算出毛坯的尺寸。
1、透镜的毛坯尺寸计算
对于双凸透镜可按下式计算:
t=t0+2(p1+p2)
对于凹凸透镜可按下式计算:
t=t0+2(p1+p2)+h
对于双凹透镜可按下式计算:
t=t0+2(p1+p2)+h1+h2
式中:t——毛坯的厚度;
     t0——透镜的中心厚度;
     p1——精磨抛光余量(单面);
     p2——粗磨余量(单面);
      h1、h2――凹面的矢高。
2、棱镜的毛坯尺寸计算
棱镜的种类虽多种多样,但都可认为是若干个三棱镜的组合,所以只需分析三棱镜毛坯尺寸的计算。
 
第二章  光学零件制造工艺实习
2.1光学零件的粗磨成型工艺
2.1.1粗磨及其要求
一、概  述
  1、什么是粗磨
  将玻璃加工成透明的光学表面,无论采用传统工艺还是机械化工艺,均需要经过三大基本工序:即粗磨、细磨(精磨)、抛光。
    粗磨是将玻璃块料或型料毛坯加工成具有一定几何形状、尺寸精度和表面粗糙度的工件的工序。按国内一般情况,粗磨工序是包括毛坯加工分工序的,而狭义的粗磨是仅指在已基本成型的毛坯上研磨表面,使其表面形状(如球面半径)和表面粗糙度满足下一步上盘细磨要求的那一部分工作。这里所述粗磨则指较广的范围,即从由块料加工毛坯开始,因此它所包含的分工序相应地要比成型毛坯的多一些。
  2、粗磨的要求
  粗磨的要求是随零件的种类不同而不同的。
  对于球面零件,粗磨加工的要求是:一定的曲率半径、中心厚度、中心偏不超过某一范围;完工后的表面粗糙度要求达到3.2(R1=3.2μm)相当于旧标准光洁度等级为V5;对于平面零件,粗磨加工的要求是:一定的角度、厚度、外形尺寸;完工后的表面粗磨度一般应比球面零件的要求高一些。
二、粗磨工艺的机床、设备与辅料
    传统工艺用机床采用散粒磨粒加工,主要种类有:
    (1)割料机:主要结构为一高速旋转的铁片圆盘,下置一个砂桶,用手推动玻璃进行锯割,俗称泥锯;
   (2)粗磨机:该机床由一电机通过皮带驱动主轴转动,主轴上端装有平模或球模,主轴转速可以利用塔轧变速,研磨时可根据工件加工余量的大小,向平模或球模添加不同粒度的磨料与水的混合物。玻璃的磨除量和表面凹凸层与磨料粒度、磨料种类、磨料供给量、机床转速及压力等因素有关。该机只有一个主轴,故又称单轴机,若有两个主轴则称粗磨二轴机。
三、粗磨量具
根据粗磨精度情况,量具使用范围如下:
(1) 钢尺:用于划线、切料、核料、测量;
(2) 分厘卡:0—25mm规格,用于凸透镜中心厚度测量;25mm以下的外圆及棱镜尺寸测量;加装测量头还可测量凹透镜的中心厚度;25~50mm规格,用于25—50内各种外圆尺寸、棱镜尺寸测量;
  (3) 游标卡尺:用于零件直径、长度、高度、内径等大于50mm的尺寸测量;
(4) 百分表:测量零件深度、平行度、凹透镜中心厚度;
(5)角尺:包括直角尺、调整角尺(角规)、万能角尺,用于测量零件角度,是棱镜加工的必备量具;
(6)刀口尺:用于检验平面零件的平面性;
以上量具校正时应用三级块规。
四、粗磨磨料
粗磨磨料最常用的是金刚砂,其主要成份为Al2O3、SiO2、Fe2O3等,系天然矿物产品。
磨料生产中,对于粗细不同的磨料是用其粒度来表示的。按国家标准规定,对用筛选法获得的磨料粒度号用一英寸长度上的筛孔数目命名,如60、80、120、280。号数越大,磨料越细;较细的磨料用水选法分级,以实际尺寸命名粒度号。如W。、W20、Wo等,号数越大,磨料越粗。由于各种粒度的磨料实际上是一群粒径在一定范围内的混合体,因此,对磨料的质量还要求要有一定的粒度均匀性。
五、粘结材料
    用于粘结零件,是一种零件粘结和装夹辅助材料,常用的有柏油和松香。
按一定比例配合熬制成的火漆、松香和黄蜡配制的粘结胶等,其主要指标是针入度和软化点。软化点越高,针入度越小,胶则越硬.对于粘结胶,软化点约为上盘温度,而适宜使用的室内温度则应低于此值,粘结胶软化点应大于80℃。
 2.1.2  粗磨磨具 
粗磨磨具包括加工用的研磨模、倒角模和装夹粘结用的粘结模。加工模具又称工具,多用铸铁制造;粘结模又称夹具,常用铝合金或铸铝制成,按其外形可分为球面和平面两类,各种球面模具的主要差别在于球面半径精度和模具的矢高,不同模具原则上不能通用。平面模具主要指标是其口径大小,通用性较大。
一、球面零件的粗磨
A、球面零件粗磨工艺过程
球面零件粗磨工艺过程根据所用毛坯的类型及加工方式的不同而不同。
1、块料毛坯:传统工艺下的球面零件粗磨工艺过程,可由下列工序构成:
  (1) 锯料(切割):按零件毛坯尺寸进行锯切;
  (2) 整平:磨去锯切时留下的不平痕迹;
  (3) 切片(或割方):按零件直径毛坯尺寸切片割方;
  (4) 胶条:按零件厚度方向胶成长条;
  (5) 滚圆:用手工方法将胶条磨去棱角再滚磨成圆柱,或装在专用机床上直接按尺寸要求磨外圆;
(6) 拆胶、清洗:胶条拆开获得若干单个圆形玻璃片;
(7) 磨球面(俗称开R):将圆片平表面按图纸要求磨成球面;
(8) 倒角:磨去锋利的边缘;
(9) 清洗送检。
2、型料毛坯:型料毛坯一般是已具有圆片形状的玻璃料或是热压成型的球面玻璃料两种,对于型料毛坯一般是采用机械化工艺加工,其工序过程有:
    (1)型料检验  型料是一定质量的光学玻璃经热加工后的产品,其理化性质常有改变,因此用料时,一定要按图纸要求逐项检验,合格方可使用;
    (2)上盘 将型料上刚性盘装夹
    (3)铣磨球面  用金刚石磨轮在铣磨机上进行铣削形成球面;
    (4)粗磨修整  这一工序主要用于部分机械化工艺中,即成盘铣磨好的球面零件,下盘后要单只粗磨修整并倒角,方能送古典式细磨工序加工。
B、主要工序操作方法
1、锯料(切割):锯料的目的是将大块料锯切成小块或片状,以利下道工序加工。可按以下步骤完成。
(1)选料:根据图纸上对材料提出的各项指标要求,认真细致地选择,不可出错,稍有差错,加王后即成废品,既费工又费料,因为以后各道工序一般不再检查,也很难检查。 
(2)划线:划线的尺寸是图纸上零件要求的名义尺寸,总的加工余量与锯缝宽度三部分之和。
双凸透镜划线尺寸计算:
厚度划线尺寸:6(图纸上名义尺寸)+0.3(细磨抛光余量)+0.2(粗磨余量)+1(整干余量)+2(锯缝宽度)=8.5。式中:单位是毫米(mm);
直径划线尺寸:30(图上名义尺寸)+1.5(磨边余量)+1(滚圆余量)+1(磨方余量)+2(锯缝宽度)=35.5 。
(3)锯切:在泥锯上锯切;先检查机床是否正常,砂桶内有无合适的砂浆,工作台是否可靠。然后开动机床,手持玻璃沿靠板缓缓推进切割;对较薄的玻璃块,为防止最后崩边可预先胶上一块保护玻璃再行切割。
若在金刚石锯片切割机上切割,先按操作说明书检查机床是否正常,锯片装夹是否紧固,冷却液是否流通。然后装夹玻璃,调整好位置,开动电机自动切割。
  (4)锯切操作注意事项
a、锯片不平直时:应先调整平直,轴上安装要正确、可靠;
b、进料时,应对准锯缝,锯片和玻璃接触线不应过长,并应从玻璃边缘开始切割;
c、用手握住玻璃时,不应有上下与左右方向的跳动,切割开始与结束时用力要轻,以防崩边;
d、锯大的玻璃块料时,切到中间应调转180o再切;
e、锯下的余料,必须即时重新打印或者用玻璃铅笔写上原来的牌号及有关质量指标,以防止以后不可辨认而成为废料。
  2、整平:整平的目的是磨平锯切时留下的不平痕迹及破口,以保证零件平行度,控制尺寸,提高表面光洁度。也有手工整平与机械整平两种方法。
(1) 手工整平方法  手握工件,使其在铸铁研磨盘上沿椭圆形路线运动,运动方向应与磨盘转动方向相反,同时加砂加水,研磨时需要多磨的地方应加大压力,如在凸出部、形块的厚端部或者让需要多磨的部位在磨盘的边缘部分停留的时间较长些;
(2) 机械整平  用平面磨床进行磨平,或者用铣磨机床铣平,一般是多块成盘加工;
(3) 整平操作注意事项
手工整平时,要防止在工件上加压不匀造成工件表面成凸起的弧形,正确的加压方法是使工件始终贴紧磨盘表面运动,同时不可一次加压过剧,应从厚到薄逐渐过渡。
    3、划方:划方是传统工艺中,加工小尺寸球面零件时常见的工序方法。对于较薄(<
10mm)的整平毛坯,不用锯切方法而是用金刚石玻璃刀划方,使用金刚石玻璃刀划方的要
点如下:
    (1) 选择号数合适的金刚石刀、玻璃厚时,相应的金刚石刀的号数要大;
    (2) 走刀时,切削刀刃加力要合适(约2kg)应与玻璃表面成一定倾角,走刀过程中不能
停顿断线;
(3) 划痕不能重复,交叉;
(4) 工作台面要平,玻璃较厚时,刀路上应涂上煤油,d>lOmm时,划后用小锤轻轻敲击划痕背面,使之开裂。
3、磨球面(开R)
这是球面光学零件的第一次成形加工。磨球面工艺的要求除加工出符合粗磨图纸上规定的球面半径值外,还应该控制偏心差,并使加工面具有一定的粗糙度。同样,磨球面也有手工与机械两种方法。
(1)手工法磨球面  用手工法磨球面指用散粒磨料单件手工粗磨球面的方法。
①研磨盘以速度w1作逆时针方向转动,工件用手指按住(较小的工件可以用一木棒粘上)沿磨盘表面上下移动。为防止产生较大偏心差,工件还要依靠大拇指的推动,不断围绕自身轴线以速度w2转动;
②粗磨球面一般要用从粗到细的三道磨料加工,每一号磨料应有相应曲率半径的粗磨球模,第一道磨料要根据单件矢高的大小,选择不同的粒度(矢高大于1毫米时用粒度180#磨料;矢高为0.4~l毫米时用200~180#磨料,矢高小于0.4毫米的,用小于200#的磨料);第二道选用280#磨料,第三道选用W40。(或W2a)磨料;
③为控制偏心和检验厚度,磨完第一道磨料后应留出具一定尺寸的检验环(凹球面)和检验  点(凸球面)用观察检验环是否对径等宽分布,检验点是否位于中心来判断偏心的程度。磨完第二道磨料的中心厚度大于粗磨完工尺寸约0.1毫米,第三道磨料则磨到粗磨完工尺寸。
2.1.3 平面零件的粗磨   
  一、平面零件的粗磨
对于具有一个侧圆柱面的一般平面零件,如分划板、度盘、平面平晶,平行平晶等,传统工艺的工艺过程类似于球面零件的粗磨工序,不同之处是无需磨制球面;平面零件粗磨表面质量比球面的要求高,应比球面零件多磨一道细一号的砂,同时要修改两表面的平行性。
    用散粒磨料粗磨平面时,第一道砂根据工件的加工余量的不同,选用不同的粒度。用粒度小于180#的砂研磨后,厚度余量应比粗磨完工尺寸至少大0.5毫米;用180#砂研磨后留余量0.3毫米以上;用240#砂磨后留余量0.25毫米以上;用280#砂磨后留余量0.1毫米;
最后用W40(或W2s)砂磨到粗磨完工尺寸,粗磨完工的工件表面以中间略凹些为好。
    粗磨时检验工件和平模的平面性用刀口平尺,根据平尺刃口下是否漏光的情况来判断面形。检验前应将表面擦净。平尺放到工件上后不要来回拖动,以免使平尺刃口很快被磨损。
    1、散粒磨料多片加工
    工件尺寸小于150mm时,可采用多片成盘加工工艺。具体操作过程是:将粘盘加热,用
石蜡或松香蜡将平面工件上盘,粘盘中心要凹;
    2、散粒磨料单件加工
工件尺寸大于150mm时,应用小平模粘结单件加工,如外圆较规则,可不必粘结,装在套模内加工即可。
2.2  光学零件的细磨(精磨)工艺
   2.2.1  概  述
    一、细磨工艺及其要求
粗磨完工的零件表面是比较粗糙的,其几何形状也与图纸要求差距较大,还不能用来进  行抛光加工,为此,零件的粗磨工序完工之后还必须设置细磨工序。其目的有两个,一是通过细磨工序将零件的表面粗糙度提高到0.8(R1=0.8μm)左右,相当于旧标准光洁度等级V  7;二是使零件几何形状更加精确,面形更为完善。所以细磨是粗磨与抛光之间的一道中间工序,也是不可少的基本工序。
    鉴于以上原因,细磨工艺过程并无严格的界限,通常是指从280#或320#到W1、W10等,粒度的散粒磨料的加工。有的地方,特别是采用金刚石丸片加工的机械化工艺场合,通常把  粗磨与抛光中间的工序叫精磨工序。其作用与要求与上述细磨相同。为便于区分,以下把这  一工序中用散粒磨料加工的叫细磨;用金刚石工具加工的叫精磨。
  二、细磨工序的特点
     1、细磨完工后工件表面粗糙度低,凹凸层深度接近抛光剂颗粒尺寸面形基本接近图纸
  要求,角度用测角仪检测应基本无误差;
  2、细磨工序只要零件结构允许,多是成盘加工.必须指出,如果采用机械化工艺,用金刚石磨轮铣磨,金刚石丸片精磨的方式则往往在粗磨前即应完成成盘工作;
3、细磨所用机床、工具应较粗磨时精密,特别是平面研磨模,球面研磨模等,必须经过反复修改,试磨、检验符合要求后才能使用;
4、对清洁工作的要求更高,粗砂绝对不可带入细砂。为此,每道砂后都必须对工件、磨具、机床台面进行清洗。细磨完毕后用皂液作更精细地清洗。
2.2.2上盘与下盘技术
上盘是细磨<精磨)加工前的一道关键工序。无论用哪一种方法加工,无论是单件或多件加工,一般都要先上盘,即把零件按一定要求固定在粘结模上。固定的方式有用胶粘结的,也有不用胶粘结而依靠分子吸引力固定着的(光胶).对于单件上盘只是要求把零件无偏心地固定在粘结模上;对于多件上盘,则要求(1)所有零件在镜盘上加工面一致,即要求球面镜盘上所有零件的加工面位于同一球面上。如果是平面镜盘,则要求所有加工面处于同一平面内。(2)零件在镜盘上的排列必须符合可排片数多和磨损均匀的原则。由于机床功率限制和球面半径的约束,每一镜盘上所能排列的镜片数量有一极限值。另外,由于镜盘增大,均匀磨损困难程度也随之增大,所以每一镜盘上也不是排列的片数越多越好。因此,上盘以前必须进行镜盘设计,确定采用镜盘的排列方式和尺寸,所用粘结模的尺寸等。然后方能进行上盘操作。镜盘设计一般由工艺人员完成。感兴趣者可查阅曹天宁等编《光学零件制造工艺学》第五章有关内容,此处从略。
 
2.2.3  透镜的细磨工艺
透镜的细磨方法有两种,即用散粒磨粒细磨与金刚石工具高速精磨。
一、用散粒磨料细磨球面
    用散粒磨料细磨时,磨料在研磨磨具和零件之间处于松散的自由状态,借助细磨所加压
力,通过模具、磨料和零件之间的相对运动,实现零件表面成型目的。细磨前应根据零件粗磨后的表面质量,选择细磨用磨料粒度号。通常粗磨完工,表面粗糙度为3.2,相当于用w28
(302#)磨料加工的表面,则细磨第一道磨料粒度号应选用W28(302#)。
    散粒磨料细磨的技术关键在于细磨磨具的面形精度、研磨速度及压力调整。如细磨研磨
模具面形精度达不到要求,则应先修改研磨模具。
    1、细磨模具的修改
    细磨模具的修改方法根据修改量的大小,可有对磨法(凹凸一对磨具对磨),砂石或刮刀修改法。若表面误差太大时,可在球面车床上进行修改。细磨模修改后,工作表面曲率半径应符合要求,表面且不允许有不规则的凹凸不平,不允许有砂眼、气孔、大擦痕,模具工作面相对镜盘旋转中心的跳动量应小于0.1毫米。
    对磨修改球面研磨模操作方法:
    (1)凹模修改
    ①用凹模在细磨机上细磨一盘零件;
    ②洗净、擦干,用样板检查加工面光圈,若出现低光圈,凹模中心应多磨,将凸模安装在主轴上,凹模在上,摆幅要大,摆幅量是凹模直径的1/2左右;
    ③若零件表面出现高光圈,则凹模边缘应多磨。修改方法:凹模在下,凸模在上,摆幅要大,摆幅量是凸模直径的1/3左右;
    各道细磨用的研磨模具的修改顺序以最后一道磨料所用模具为基准,逐步修改上一道磨料用的研磨模具。用擦贴度检验,擦贴度为1/3~1/2,即接触面积占1/3~1/2,且接触区不应集中在零件中心。如细磨用302#、302、303#三道磨料,相应有三对研磨模具。先修改303#磨料用模具,用废零件试磨看光圈检验,303磨料用模具修改好后,修改302磨,用模具亦用零件检验,试磨后的零件在303#磨料模具上看擦贴度,若合格最后修改302#
磨料用研模具。
    (2)凸模修改
①试磨一盘零件。用件板检查被加工面,是高光圈时,应多磨模具边缘、修改方法是凸模在下,凹模在上,加大摆幅,摆幅量是凹模直径的1/2左右;
②用样板检查被加工面时,若是低圈则应多磨模子中心,凹模在下、凸模在上。摆幅要大,摆幅量是凸模直径的1/3;
③擦贴度观察方法  为了方便而有效地观察擦贴度,可在零件(镜盘)上哈气,哈出的带有水汽的气体在玻璃表面冷凝成水膜,贴合在模子上,接触处形成水印。取下镜盘后,看水印大小及分布状态即可判别擦贴度大小。
2、细磨操作过程
散粒磨料在普通细磨机上细磨过程如下:
    (1)根据被加工零件的技术要求和镜盘大小选择机床。一般机床可加工的最大镜盘尺寸按平面镜盘尺寸千计算,球面镜盘应进行换算。决定机床转速、三角架摆幅、铁笔的前后位置和高低。
    (2)分清磨料粒度号,依次确定磨去余量分配。细磨余量根据磨料号。零件大小、零件材料软硬程度确定。单面余量<0.01mm时可用Wu和Wzo号磨料;单面余量0.1mm左右时,可用Wo\Wi4\Wlo号磨料。为了保证零件厚度,对于厚度公差0.1mm的零件,在第二面加工时应按厚度大小配盘,若厚度差别过大,应单只修磨,整盘零件厚度公差在0.05mm以内;      
    (3)将镜盘或模具装上机床主轴。正常情况下,一般凸镜盘及直径大于350mm的凹镜盘应装在主轴上,而凹研磨模应扣在其上,由铁笔拨动;
    (4)在下盘上均匀涂布浓些磨料浆,放上镜盘,手推动几下,使磨料分布均匀。然后手扶铁笔,架至上盘支承孔内,开动机器。先开主轴开关,再开摆动开关。5分钟左右取下镜盘检查零件是否全部磨到.如果均匀磨到,可继续加磨料研磨。如果镜盘边缘或中间均匀地未磨到,应再修改模具。如镜盘上局部区域未磨到,应预热一下镜盘再磨。如仍磨不到,则表示上盘时各零件的加工面不在一个球面上,应重新上盘。
    (5)镜盘和模具研合后,可在铁笔上部加荷重,以加快研磨速度,采用两道磨料制时,球面第一道磨料应研磨10—20分钟。
    (6)清洗镜盘。检验无砂眼和擦痕时,换用第二道磨料。第二道磨料开始前,磨具、台面、铁笔等均应清洗干净.当最后一道磨料在整个镜盘表面研磨均匀之后应停止加磨料,再加5—10分钟的水,磨到模具表面呈灰青色或灰黑色时取下。
    (7)用温水洗净镜盘,检查表面细磨质量。合格后送抛光。细磨中零件最后面形和样板相比,一般应为低光圈,光圈数为2—3为宜。
2.3  光学零件的抛光工艺
  光学零件要获得透明的光学表面必须进行抛光加工,它是光学零件制造过程中所花工时最多,要求最高,影响质量的因素多而易变的一道主要工声。
2.3.1  概  述
    光学零件抛光工序在细磨(或精磨)之后进行。抛光的作用机理目前还没有形成一个完整统—的理论。由于影响抛光质量的因素多而易变,故达到抛光作用的手段和途径也多并各有差异。但对抛光操作的基本要求,抛光的基本过程和方法,抛光所用的各种辅料,抛光过程中的质量监控方法等均已比较成熟,在用散粒磨料的传统工艺中尤为如此,是光学零件工艺实习的重点学习内容。
一、 抛光的基本要求 
  细磨过的光学零件,外形几何.尺寸已基本确定,抛光是对表面作微量修整,基本要求有:  1、获得光学表面,即最后要磨除细磨加工留下的凹凸和裂纹层,获得表面粗糙度为0.008 表面疵病符合图纸要求的透肯表面。
2、表面面形精度符合图纸要求的N和△N。
上述两个要求在一般的抛光过程中是分步达到的。即先抛亮,达到第一个要求;然后精修光圈,使之合格达到第二个要求。
二、 抛光过程和抛光方法
  1、古典抛光工艺的特点及过程
  古典法抛光是一种历史悠久的加工方法。其主要特点是:采用普通的研磨抛光机床或手工操作;抛光模层材料多采用抛光柏油;抛光剂是用氧化铈或氧化铁;压力是用加荷重方法实现。虽然这种方法效率低,但加工精度较高,故目前仍被采用着。其基本过程为:在和细磨通用的各种平摆式机床上(二轴机、四轴机)装好镜盘与抛光模,其安装方式,不管是镜盘还是抛光模,一般都是凸的在下,凹的在上,将抛光液加在抛光模和零件表面之间,借助两者的相对运动,使镜盘表面(零件表面)逐渐形成光学表面。
    抛光过程中,面形精度使用光学样板检验其光圈数决定。抛光质量好坏的关键是准确的误差判别(光圈识别)和各种工艺因素的合理调节,即取决于操作人员的技术水平。
2.3.2 抛光辅料
    抛光过程中使用的辅助材料很多,其质量好坏对光学零件加工质量及生产效率有重要影响,其中以抛光中用作磨削物质的抛光粉与形成光学表面面形的抛光摸层材料最为重要。
一、.抛光粉
    在古典法抛光工艺中,抛光粉是必不可少的磨削物质.对抛光粉的要求是:
    (1)应具有一定的晶格形态和晶格缺陷,有较高的化学活性;
    (2)粒度大小应均匀—致,纯度高、不含有机械杂质;
    (3)硬度适中;
(4)有良好的分散性(下易结块)和吸附性。
    在光学玻璃抛光中,常用的抛光粉有以下几种:   
    (1)氧化铁,俗称红粉。(它属于a型氧化铁a-Fe2O3,)斜方晶系,颗粒成球形,边缘有架状物,颗粒大小约0.5—1Pm,莫氏硬度4—7比重5.2。
    由于氧化铁价廉易得到,几百年来,传统工艺中一直以它为主要抛光物质。近二十年来除眼镜行业外,已逐渐为氧化铈代替。用氧化铁抛光虽效率低,但光洁度高。
    (2)氧化铈(CeO2)它是稀土金属氧化物,属于立方晶系,颗粒外形呈多边形,棱角明显平均直径约为2Fro,莫氏硬度6~8,比重7.3,颜色有白色、黄色和褐色的几种。利用氧化铈抛光效率高,但光洁度要比用氧化铁时低。
二、 抛光模层材料
  光学表面形状最终是依靠抛光模表面限制形成的,抛光粉也只有吸附在抛光模上,依照抛光模规定的表面运动,才能达到去除玻璃表层凹凸不平区及不规则表面上多余的玻璃层。所以抛光模要求:
  (1)有一定硬度以保证面形稳定;
  (2)有一定的弹性和可塑性使其与工件表面有效吻合;
  (3)对高速抛光用模层材料还要有耐热、抗老化、自锐性及微孔结构。
  常用抛光模层材料有:
  (1)古典法抛光胶材料:主要由沥青和松香按一定的配比加热混合而成,又称抛光柏油。①沥青:是多种有机物的混合物。黑色,常用石油沥青主要成份为油分、胶脂和沥青质。油分使沥青具有流动性,胶脂使沥青具有弹性和延度,沥青质使沥青有粘度和温度稳定性。  沥青质软,对温度变化不大敏感。粘度变化缓慢,使抛光柏油具有可塑性和稳定性.沥青溶解于汽油、苯、松节油。
②松香,由松脂提炼得到,黄色.没有一定熔点,软化点约50℃,松香溶于乙醇、乙醚、丙酮等;松香使抛光柏油具有粘性;
③蜂蜡:又称黄蜡,熔点约60一70℃,蜡具有不透水性、可塑性、粘结性,使抛光柏油增强对抛光粉的吸附力;
清洁零件光学表面用的辅助材料:
    在上、下盘以及检验光学零件加、工质量时,必须仔细地清洁光学零件,检验器具。常用方法是将零件先浸在溶剂汽油中,后浸酒精之中,若干时间后,用棉花沾上溶剂轻擦。(上、下盘),或者用脱脂纱布、绸布滴上乙醚酒精混合液清擦(清洁光学表面用),常用清洁材料特性如下:  
(1)溶剂汽油:能溶解沥青、油污、脂肪酸等,沸点120C~200℃,自燃温度230山260℃;
易挥发,空气中含量达1。3~6%时,易引起爆炸,对皮肤有刺激性:
(2)乙醚:能溶解油脂、沥青、松青、蜡、冷杉树脂胶。沸点34.6℃,自燃温度188℃,极易挥发,空气中含量达l 85—36.5%为爆炸极限;对粘膜有刺激,过多吸入则易于麻醉。乙醚在通常情况下含2%的水。
(3)乙醇:能溶解虫胶、松香、沥青;沸点78.50℃,自燃温度400℃;易挥发,与空气混合的爆炸极限为3.5一18%;对眼及上呼吸道粘膜有轻度刺激。光学加工行业中,清擦光学表面时使用的无水乙醇,浓度为99.5%。
    光学加工行业中通常使用乙醚、酒精混合液作为清洁溶剂;乙醚脱脂力强,但挥发性大,加入乙醇可减慢挥发速度。乙醇过多则挥发太慢,水份残留不易消去,常用乙醚,酒精混合液的配比为1:1。
  (4)脱脂棉:外观洁白、均匀、无杂质;油脂及蜡质含量不应大于0.1%;水份5—8%;盐含量不大于0.01%;酸碱反应呈中性。高级脱脂棉纤维不应短于30毫米;脱脂棉用于浸蘸有机溶剂(汽油、乙醚、乙醇等)清洁零件上的油脂、指印、水点等污物。
  (5)脱脂擦布:脱脂擦布常由细白布、府绸、纱布等经洗绦和脱脂处理制成。用于清擦抛、刻线、照相、镀膜、胶合、装配等过程中的光学零件。要求色白、柔软、不掉毛、无杂质。使用时滴上有机溶剂,清擦光学零件。
  (6)碳酸钙:白色粉末;莫氏硬度3,用于擦除玻璃表面不溶于汽油,乙醇等有机溶剂的附着物。
2.3.3  光圈的形成与识别
如何使用光学样板和干涉仪准确地识别光圈所代表的加工误差,是抛光操作中的重要技术。只有正确判断光学零件加工中的误差,才能合理地采取各工艺措施,有效地予以修正各种误差,加工出完全符合图纸要求的零件。而要正确判断加工误差,主要依靠对检具(样板及干涉仪)的正确使用及对光圈的正确识别。
一、  光圈的形成
  抛光后零件的面形精度通常是用光学样板来检验差异,反应为两接触表面间空气隙的大小。样板和零件接触时曲率半径大小的。当两接触表面存在微小的空气隙时,入射光线通过该两表面进行反射或透射,两束反射光相干涉的结果形成干涉条纹。光学加工行业中习惯称这组干涉条纹为光圈,光源是单色光时出现明暗相间的条纹;当用白光时则呈现彩色条纹;每一条纹和一定的空气隙厚度相对应;由等厚干涉理论可知,两条相邻的干涉条纹之间的空气隙厚度差,因此第n道光圈处对应的空气隙厚度为h=n.对于白光,若取波长入的平均值为0.5fm,则相差一个光圈时,其厚度差即为0.25Pm。
二、样板及平面干涉仪
    1、样板种类及其要求
    样板分平面样板和球面样板两种。平面样板也叫平晶,其工作表面为平面,常用口径有60、100、150、200几种规格,大于200规格的样板,由于制造困难而少见。球面样板具有一个球形工作面。其曲军半径决定于所加工的零件。因此,一个半径就要有一个样板,球面样板在不同半径零件之间不能通用,而平面样板是可以通用的,样板要有一定高度,便于用手握持。   
   样板因为作为标准使用,要求面形精度高,它相对理想面的误差.应在0.5光圈以内。制作样板的材料要求耐磨、膨胀系数小,以保持稳定。所以通常用石英玻璃,轻冕玻璃,K4、K9等制作样板。
  2、样板的使用
使用样板检验光学零件时,必须按以下方法操作:
(1)、用乙醚、酒精混合液滴在职脂布上,擦净样板工作面和光学零件被检面;
(2)、放置一定时间。求得被检零件和样板之间温度均衡一致,避免由于温差造成读数误;
(3)、将样板轻轻叠合到零件上,稍微加压,挤出间隙中空气,使通过样板看到较粗的光圈为了便于观察计数,视场内以出现3—5道干涉条纹为好。可通过调节样板对零件的倾角来达到。
(4)、为了同时观察局部误差和曲率误差,应使球面样板与被检表面的一部分接触以看到弧形条纹为好。如果被检表面与样板整体均匀接触,则观察到呈圆形的干涉圈,那样只能读得光圈数,不能读得局部误差数,故较少使用;
(5)、根据干涉条纹弯曲状况和规则程度;计算光圈数N和局部误差△N。
  三、光圈的识别与度量
    在抛光加工中,正确地判断光圈的高低程度及局部误差的性质,对于修改工件面形误差是非常重要的。所谓高光圈,系指样板与工件中心接触,而低光圈则相反是样板与工件边接触,检验时一般规定,高光圈(凸)为正偏差;低光圈(凹)为负偏差。
高低光圈的识别:
(1)加压法:(在样板四周均匀加压)
低光圈:条纹从边缘向中心收缩,光圈减少且变粗;
高光圈:条纹从中心向边缘扩散,光圈也相应减少变粗;
(2)一侧加压法:在光圈数少的情况下常用此种方法。
低光圈:条纹弯曲方向背向压点;
高光圈:条纹弯曲方向朝向压点。
(3)色序判断法:在白光中,各色光的波长是从红光向紫光逐渐减短的,因此,在同一个干涉级中,波长越长,所产生的干涉处的间隙也越大。当从中心到边缘的色序为兰、红、黄、兰、红、黄循环时,则为低光圈;当从中心到边的色序为黄、红、兰、黄、红、兰循环时,则为高光圈。
2.3.4  古典法抛光
    古典法抛光是一种传统工艺,历史悠久。适用于各种精度的零件的加工,是许多光学材料抛光技术的基础。虽然已出现的高速抛光技术在生产效率方面有很大的提高,但在高精度零件的加工中。仍往往需依靠古典法抛光。
古典法抛光主要特点是采用普通平面摆动式机床,常用的有二轴机、四轴机、六轴机。此外,还有单轴机,脚踏研磨抛光机等。抛光模层材料采用沥青和松香配制;加工压力低;机床转速慢,采用散粒抛光剂(氧化铈、氧化铁)。
一、  抛光模制作技术
    抛光模是抛光技术中的关键模具,抛光模的质量直接影响加工面形的精度和效率。
    古典法抛光模制模所用抛光柏油应按工房温度,镜盘大小、玻璃种类、生产方式等因素选择不同的配比熬制。
  1、常用抛光柏油配比选择原则
   (1)镜盘直径大,抛光柏油软些,即松香少些;镜盘直径小则硬些,即松香多些;
  (2)火石玻璃硬度低,抛光柏油软些;冕牌玻璃硬些,抛光柏油硬些;
   (3)室温高,抛光柏油硬些;室温低,抛光柏油软些;夏天硬些,冬天则软些;
   (4)手修用,抛光柏油软些;机床上加工,抛光柏油硬些。
  2、抛光模制作方法
  这里仅介绍采用抛光柏油作抛光层的制模方法:
  (1)选胶.即按具体情况,选择配比合适的抛光柏油;
  (2)熬胶.把选好的抛光柏油放在熬胶锅内慢慢加热,并进行搅拌。升温不可太快,也不可太高,一般在140℃左右,不可超过170℃,以免引起抛光柏油焦化。当有塑料粉等添加物时,要注意添加物允许的最高温度。
二、抛光操作过程
    1、调整好机床速度、摆幅;准备好水锅、清洁用的脱脂棉、纱布;清洗工作台、摆架,等抛光用的一切用具了;
    2、检查镜盘细磨后的面形与粗糙度,不合格要重磨;
    3、将抛光模在50一60℃温水中烫一下,在抛光模面上涂上抛光液,复盖在镜盘上,用手推动几下,使之均匀.放上铁笔,开动机床,开始抛光;
    4、抛光的前半期,以去除工件表面麻点砂眼为主要目的,在这一阶段,机床速比,摆幅与偏心均应调节在正常范围内进行均匀抛光;
    5、抛光一段时间后,应即时检验表面质量和面形,若磨点、砂眼去除均匀,则抛光应继续进行;若光圈过高,过低则要随时调整有矢工艺参数以控制光圈变化;
    6、在抛光过程中,可根据需要修改抛光模,常用修改方法有两种;
    (1)刮模或局部开槽法,用于改变吻古程度以修改面形偏差;
    (2)烫模法用于镜盘和抛光模曲率相差大的时候.
    7、当表面疵病和光圈合格后,镜盘用温水洗净,擦干、涂保护漆,下盘,也可用抛光模采用手推法收干表面抛光液,用乙醚、乙醇混合液擦净,涂保护漆、下盘。
三、零件面形误差(即光圈)修改方法
    修改光圈是抛光技术中较为复杂和具有经验性的工作.是抛光操作的关键环节,常见误差修改方法如下:
    1.凸镜盘高光圈的修改;
    (1)凸面镜盘高光圈产生原因(抛光模在上情况)
①抛光模曲率半径太小;
②抛光模矢高太大;
③抛光模对镜盘偏心太大;
④主轴转速太快,摆速太慢,摆幅太大.
    (2)修改方法
①修刮抛光模边缘,使抛光模曲率半径增大;
减慢主轴转速,加大摆速,减小偏心;
减小压力
    2.凹面镜盘高光圈(抛光模在下情况)的修改
    (1)凹面镜盘高光圈产生原因
①抛光模曲率半径太大;
②抛光模矢高太小,
⑧摆幅太小,
④偏心太小,主轴转速快,摆速太慢.
    (2)修改方法
①修刮抛光模边缘;
②主轴转速减慢,摆速加快,摆幅增大,偏心增加;
⑧减小压力.
  3.低光圈修改
  由于低光圈产生原因正好与高光圈产生原因相反,修改原则是使镜盘边缘多抛光.因此,修改方法与高光圈情况采取的措施亦相反,此处从略。
    4.局部误差产生原因及修改方法
    (1)塌边
①产生原因:抛光模太大;抛光柏油太硬,摆幅大大,抛光液太浓,细磨塌边;高光圈改低过程中,边缘还未改到。修改方法;选择合适的抛光模,修刮抛光模边缘;镜盘在上时减小,塌边严重时庄重新细磨。
    (2)翘边(洼边)
    产生原因与修改方法与塌边时相反,此处从略。
    (3)中心局部低
①产生原因:抛光模中间凸起;抛光柏油太软,使柏油流向中心而凸起;偏心与摆幅不合适,低光圈改高时未改到;
②修改方法:抛光模中心开槽或刮去一些,选用较硬抛光柏油:镜盘在上时应减小偏心或摆幅。
    (4)中心局部高
①产生原因:抛光模中心有凹陷,抛光液未到中心,偏心和摆幅不合适。
②修改方法;修刮抛光模边缘;镜盘在上时增大摆幅或偏心。
    局部误差种类很多,而且往往几种误差同时出现,要分清主次,如果总的光圈数要求差别大,则以修改光圈为主,当光圈数在达到要求或接近要求时,以修改局部误差为主。
    修改光圈时要注意:
①修改光圈数要同时控制局部误差的变化;
②修改中有几个工艺参数可调节时,不要使各参数同时变动,以免改变过剧,出现相反结果;
⑧低光圈较少时,要减慢抛光速率,密切注意变化,以避免出现高光圃,重新修正造成零件厚度超差;
 
第三章  光学零件的定心磨边
    对于圆形的光学零件,精磨抛光完工之后一般都还要进行磨边,使其侧圆柱面尺寸满足装配要求;对于球面透镜,磨边还有一个重要作用:就是校正透镜在研磨抛光过程中很难完全避免的偏心,即校正两球心连线(光轴)与外圆对称轴(几何袖)的偏离。
    根据透镜的使用要求,光学设计时往往预先给定这种偏离的大小,并用符号C表示。定心磨边就是使透镜满足这种技术要求。
3.1  偏心及其产生原因
3.1.1  偏心与定心方法
    透镜在粗磨成型、细磨抛光过程中,由于磨损不均匀,往往造成球面相对倾斜或偏移,出现边缘厚度不一致,结果使光轴和几何轴不重合。
造成零件磨损不均匀的原因较多。如开球面时,球面顶点不在毛坯中心;粗磨时用力不均匀,上盘时镜盘顶点偏高旋转中心;粘结胶软化,零件走动;研磨抛光时各工艺参数调节不合理等等。
3.1.2  偏心的计量
偏心如何计量,按要求不同,可有以下两种方法。
1、角偏移计量法:
以被定心表面相对定位面(定位轴)的角偏移表示。定位面可以是某一光学表面或者侧圆柱面。这种方法对偏心的计量准确精度高,是正在推广的一种方法。
2、线编移计量法
以透镜外圆几何轴和光轴在透镜曲率中心处的线偏离表示。这种表示方法不能确切表示出两轴相互位置以及各面偏心对象差贡献的大小,但它适合目前使用的仪器和磨边工序的加工目的,特别是单透镜的情况,故仍被广泛采用。
3.2  定心磨边工艺
    如前所述:定心磨边工艺有两类:一是以光学定心仪或其它定心方法先校正偏心量,然后磨边;二是采用自动磨边机床,自动定心磨边。以下主要叙述光学法中球心反射象定心磨边工艺。
3.2.1  定心磨边准备工作
  1、选择所用定心夹头,检验其是否可用,误差太大则应修整。
  (1)夹头直径确定,可根据以下两个条件:
①夹头直径D小于零件直径 约0.2~0.3毫米,此处为磨边完工直径;
②满足定心系数k的要求,一般情况下应有k>0.15,据此,R已知,可算出D要求的最小数  值。  
  (2)夹头的其它要求
①夹头轴与磨边机主轴同轴度应在0.003—0.005mm以内;
②夹头端面与几何轴垂直度在0.003—0.005mm以内;
③夹头壁厚lmm,壁的端部呈锥面;
④与零件粘接部分粗糙度R:≤0.05(抛光面);
⑤材料的导热性要好,耐磨、变形小,一般用黄铜制作。   
  (3)夹头修整
    夹头如不符合上述要求,应当修整。由于精度要求高,一般是将夹头直接装在磨边机的主轴上。在磨边机导轨上安装刀架精车后,用金相细砂纸研磨,最后用棉花球上抛光液手工抛光,用乙醚、酒精混合液清洗。
    2、球心象校正点位置确定
    所谓校正点就是透镜表面球心象所处的位置。当定心仪物镜前焦点置于校正点上时,球心反射象可以在目镜分划板上清晰地观察到。
    透镜前表面(非粘结面)的校正点与它的曲率中心(球心)置于同一纵向位置。到前表面的距离x2=R2,定心仪物镜(顶焦距为LF)到被定心透镜前面顶点距离L2为:
L2=LF2+R2
式中:凸面时,R2取负值;凹面时,R2取正值。透镜启表面定心,一般靠夹头端面垂直度保证,不需要观察球心象跳动,当要检验时,则要计算x1的值:
Ll=LF一zl
3、定心仪物镜选择原则
  为适合不同曲率半径的透镜定心,定心仪物镜分两部分、最外面部分是可更换的,可换物镜选择的原则是:
    (1)定心凸面时,可换物镜顶焦距LF必须大于R2,因为此时R2为负值;球心在透镜后面,L2=LF-R2,I>0,L2值一般不得少于lOmm,否则会造成定心仪物镜可能撞击被定心透镜或物镜焦点根本落不到球心上。
    (2)保证一定的球心象跳动量
为保证球心象有一定的跳动量,要求可换物镜放大倍数要合适。过大,象的跳动量大,不易找象,过小,象的跳动范围小,格值大,精度低。
4、磨边胶特征及配比
磨边胶用于将透镜粘接于夹头上。必须具备以下特征:
(1)粘结强度大,经得起砂轮磨削时的拉力;
    (2)稍热即软化,便于移动透镜定心;
    (3)容易清洗去除;
    (4)中性,不腐蚀玻璃,无杂质。因为粘接面一般也是光学面,不允许因磨边操作不慎而出现损伤,使前面的各道工序前功尽弃。
    目前常使用的能满足上述各项特性的配方有:
    (1)松香+胶  1 :1配比;
    (2)松香+黄蜡  (90~95):(10~5);
    (3)松香+矿物油(86~95):(14~5)。
3.2.2  定心磨边操作过程
    1、按加工图纸要求,准备好粘接夹头,选配好合适的定心仪物镜;
    2、用酒精灯加热夹头,均匀地涂上磨边胶;
    3、迅速粘上物镜,注意使胶层均匀;
    4、移动定心仪,使其物镜前焦点落在校正点上,在目镜视场内能清晰地看到球心反射象(亮十字象);
    5、用手转动夹头,观察球心反射象的跳动量是否在规定范围内,如偏大,趁透镜在未完全固定前移动透镜在夹头上的位置(贴着夹头端面稍加挤压)直到球心反射象不跳动或跳动在规定的范围内。   
    6、开动机床,移动砂轮拖板磨削外圆,达到图纸规定尺寸。磨削时,同时开通冷却液,砂轮线速度以15—35m/s、工件线速度0.3~2m/s、进刀量以0.0l~0.08mm为宜;
7、倒角,用成型砂轮倒角或用倒角模倒角;
8、加热夹头,拆下零件,清洗擦干送下道工序或保存;
9、关闭机床,清洗工作场所。
3.2.3  磨边中常见缺陷及克服方法
在磨边过程中经常会出现各种缺陷,必须及时进行原因分析和采取相应克服办法。
1、崩边破口产生原因   
(1)砂轮或磨轮表面不平,或已磨钝后微孔堵塞,砂轮以选中软硬度为宜;
(2)砂轮粒度太租,工件越小,粒度越细,见表3-1:
表3—1 常用砂轮种类
  砂轮种类              
粒  度(号)
砂轮线速度(m/s)
适用范围(工件直径mm)
    碳化硅
180240
25
< 25
    碳化硅
180
28
25~28
    碳化硅
120
32
>80
    金刚石
280
32
< 25
    金刚石
240
34
>50
         
 
(3)砂轮量太大,或进给太快;
(4)砂轮和工件轴的相对跳动太大;
(5)砂轮或透镜转整选择不当;
2、透镜上径出现椭圆或锥度,产生原因:
(1)砂轮与工件的径向跳动太大;
(2)夹头端面与工件轴不垂直;
(3)往复运动方向与砂轮工作面不平行;
3、表面疵病等级下降.产生原因
(1)夹头端面不光滑而划伤;
(2)粘结胶不清洁或对透镜起腐蚀作用;
(3)机械定中心时压力过大;
(4)冷却液对玻璃起腐蚀作用;
(5)倒角时擦伤;
(6)清洗时擦伤。
 
第四章  光学加工质量检验
光学加工质量检验是指光学车间里各道工序后加工质量的检验,主要内容有:
1、表面质量检验;
2、面形检验;
3、棱镜的角度检验;
4、几何尺寸的检验等。
4.1  粗糙度及表面疵病检验
4.1.1  粗糙度及检验方法
粗糙度旧标准中称为光洁度,系指研磨加工后零件表面的微观几何形状特性,用符号  表示。一般情况下,零件粗磨完工后应达到3.2,即Ra=3.2;细磨完工后应达到0.8,即Ra=0.8;抛光完工后应达到0.008。即Ra=0.008。分别相当于用W40(302)、W14(303)和抛光粉加工过的表面,对应于旧标准光洁度等级为5、7 和14。
2、粗糙度检验方法
研磨件表面粗糙度,通常是在60—100瓦的白炽灯照明下,用目视进行观察,其等级可与样品比较来确定。要求研磨面砂眼均匀,不允许有下道工序中难以消除的划痕及麻点存在。检验过的零件要洗净、擦干。
4. 2  表面疵病及检验方法
表面疵病系指麻点、擦痕、开口汽泡、破点及破边,在图纸上用B表示。根据光学零件表面疵病尺寸和数量,共分10级,0~1—30级适用于位于光学系统象平面上及其附近的光学零件,其允许疵病尺寸和数量如表4—2所示。
表4—2 疵病尺寸和数量
疵病等级
疵病的尺寸及数量
麻点
擦痕
麻点最大直径(mm)
D(mm)
至20
20~40
40~60
60
允许的麻点数量(个)
0
在规定的检验条件下,不允许有任何疵病
1—10
1—20
1—30
0.005
0.01
0.02
4
4
4
6
6
6
9
9
9
15
15
15
0.002
0.004
0.006
0.5D
0.5D
0.5D
                           
 
 
I~V11级适用于不位于光学系统象平面上的光学零件,其允许疵病尺寸和数量如表4—3所示:
表4—3  I~VI级疵病的尺寸及数量
疵病等级
疵病的尺寸及数量
麻点
擦痕
直径(mm)
总数量(个)
粗麻点直径
宽度(mm)
总长度(mm)
粗擦痕宽度(mm)
I
I
IV
V
VI
VII
0.002~0.05
0.004~0.1
0.015~0.2
0.015~0.4
0.015~0.7
0.1~1
0.5D
0.8D
 
1D
 
 
0.03~0.05
0.05~0.1
0.1~0.2
0.2~0.4
0.4~0.7
0.7~1
0.002~0.008
0.004~0.01
0.006~0.02
0.006~0.04
0.01~0.07
0.01~0.1
 
 
2D
 
 
 
0.006~0.008
0.008~0.01
0.01~0.02
002~0.04
0.04~0.07
0.07~0.1
 
注:各级表面粗麻点之数量不得超过允许麻点数量的10%,粗擦痕总长度不得超过允许擦痕总长度的10%,计算粗麻点数量时,计算结果按四舍五入凑整。
零件表面疵病的尺寸及数量虽未超过表4—3的规定,但发现有疵病密集在一起的现象时,还须补充测定表4—4各级所规定之限定内疵病的尺寸和数量。
表4—4 疵病的尺寸和数量
疵病等级
零件表面任何一部分限定区内疵的尺寸及数量
限定区直径
(mm)
麻点
擦痕
总数量(个)
其中粗麻点数量(个)
总长度(mm)
其中粗擦痕长度(mm)
I
I
IV
V
VII
2
3
5
10
20
2
3
5
10
20
1
1
1
2
3
4
6
10
20
40
2
3
5
10
20
 
限定区内如滑粗麻点和粗擦痕,则细麻点数量和细擦痕的长度允许按疵病换算后相应增加,但整个表面允许疵病的尺寸及总数量不得超过表4—4的规定。
1、表面疵病检验方法
(1)检验时,应以黑色屏幕为背景,光源为电压36V,功率60W—100W的普通白炽灯,在透射光和反射光下观察。
  为了便于发现疵病,观察时允许朝任意方向转动零件,怛在确定疵病大小时,应以透射光为准,在透射光下观察不出的疵病不予考核。
  透射光观察常用于检验各种透镜,玻璃平板和小角度楔形镜;反射光观察常用于检验棱镜、大角度的楔形镜以及便于使用反射光观察的其他零件表面。
2、各种表面疵病特征
    (1)麻点:是直径较小,并且凹下的点状疵病,呈灰白色或与抛光剂颜色相同。
    (2)擦痕:是条状疵病,颜色与麻点的颜色相同。有些细擦痕在转动零件观察时,带有闪光或呈彩色。
    (3)开口气泡:是由于气泡磨穿后形成的圆形或长圆形的点状疵病,多与抛光剂颜色相同,直径较大。
    (4)破点:不规则的点状损伤,常带有闪光或同于抛光剂颜色。
    (5)破边:即零件边缘部分的缺损。
    (6)裂痕;伸向玻璃体内.的条状裂纹疵病,带有闪光或呈彩色。
    (7)印迹:是凸起在零件表面上的粘附物或霉雾,它们具有各种形状、呈黑褐色  其它颜色等。一般在自然光或用被薄形纸遮挡的灯光下用外反射光进行观察。
 3、注意事项
  检验表面疵病时,一股应注意;
  (1)检验中,若用清洁方法不能擦掉的印迹应重新抛光;
  (2)裂痕疵病,原则上不允许存在。若在有效孔径外,可用油石磨毛,但不得肴残留的裂痕痕迹;
(3)对于小于标准所规定之疵病尺寸下限的聚焦麻点和擦痕,在其内侧间距大于或等于麻点直径或擦痕宽度时,应理解为明显分开-,否则按密集处理;
  (4)由于工艺因素及玻璃化学稳定性差、而产生的灰雾状疵病,可根据零件疵病等级要求,按选定的样品比较检验。、观察中,不允许使用方向特殊的光线;
(5)为了便于发现疵病,观察时允许将零件向任何方向转动,但判断时应以正确的观察方向为准;
  (6)由于温差影响,使零件表面造成雾气不便观察时,可先在灯下烘烤,消、除雾气;
  (7)检验后不合格的零件,应用专用铅笔(或腊笔)在疵病所在面上按规定符号作出标记。
 

 

 

 

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