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光學玻璃加工設備的現狀及工藝發展
作者:管理員    發布于:2018-12-30 21:29:06    文字:【】【】【
摘要: 光學玻璃加工設備的現狀及工藝發展
        —、從小到我們人手一個的手機,到日常生活的電視、電腦,再到國防領域的軍工、航天,光學玻璃的需求隨著現代科學技術的發展而日益廣泛
        越來越多的精密儀器運用到了光機電相結合的新技術,推動了其實現了多功能、高性能和低成本的日益嚴格的要求,促進了傳統光學玻璃加工設備、生產技術的發展及加工工藝的變革。這種變革推動了光學技工技術向兩個不同的方向發展。
        第一,向小型、輕便和便宜的高效加工方向發展。光學塑料和玻璃壓鑄技術的快速發展使非球面透鏡成本大幅下降,供給量大幅增加成為可能,越來越多的各種光學系統開始采用。例如很薄的變焦距鏡頭,在手機中得到了廣泛的應用。正是由于這些小型、輕便和便宜的光學玻璃在各個領域中的應用不斷擴大,帶動了光學高效加工技術的迅猛發展。
        第二,向超精密加工方向發展。尖端科學技術領域特別是國防工業的技術進度對超精密光學玻璃提出了新的要求。、例如載人航天、激光武器的光學系統、光纖通訊元件、光集成電路中的微型光學玻璃,都是超精密的光學玻璃。這些光學玻璃的加工精度甚至達到了納米級。這些零件的加工不能采用傳統的方法,必須通過光學玻璃加工設備、超精密加工技術才能得以實現。
        傳統的光學玻璃的加工方法已有百余年的歷史,可以通俗的理解為“一把沙子一把水”。而新的光學玻璃加工方法始于上世紀70年代,軍用光學系統由白光拓展為紅外及激光系統,對光學玻璃也提出了成像質量要好、體積要小、重量要輕、結構還得簡單的艱巨要求。隨之光學加工行業進行了大規模技術革命和創新活動,新的光學玻璃加工方法不斷涌現。目前,較為普遍采用的光學玻璃加工技術主要有:數控單點金剛石加工技術、數控研磨拋光技術、光學透鏡模壓成型技術、光學塑料成型技術、磁流變拋光技術、電鑄成型技術以及傳統的研磨拋光技術等。
        二、超精密加工技術基本原理
        1、 數控單點金剛石加工技術
        數控單點金剛石加工技術是一種非球面光學玻璃加工技術。它是在超精密數控車床上,采用天然單晶金剛石刀具,在特定的加工環境精確控制條件下,使用金剛石刀具單點車削加工出非球面光學玻璃。該技術主要用于中小尺寸紅外晶體和金屬材料的光學玻璃。
        2、 數控研磨拋光技術
        數控研磨和拋光技術是由數控精密機床將工件表面通過磨削加工成所需要的面形,之后通過柔性拋光模拋光,使工件達到技術要求的光學玻璃制造技術。該技術的原理最接近古典法光學加工技術,主要是通過機床的數字化精密控制來實現光學玻璃的精密加工。
        3、 光學透鏡模壓成型技術
        光學透鏡模壓成型技術是把軟化的玻璃放入高精度的模具中,在加溫加壓和無氧的條件下直接模壓成型出達到使用要求的光學玻璃。可以說光學透鏡模壓成型技術的普推廣應用是光學玻璃零件加工技術的重大革命。此項技術對非球面玻璃零件的成本降低及產量提升有著劃時代的意義。
        三、 光學玻璃超精密加工技術的應用范圍
        1、 數控單點金剛石加工技術
        目前,采用金剛石車削技術可以直接加工出達到光學表面質量要求的材料主要是有色金屬、錯、塑料及紅外光學晶體,而對于玻璃的加工還不能達到光學表面質量要求,需要繼續研磨拋光修正。數控單點金剛石加工技術的另一個主要用途是加工各種模壓成型所需的精密模具。
        2、 數控研磨拋光技術
        數控研磨拋光技術的主要加工材料是玻璃,這正彌補了數控單點金剛石加工技術不能直接加工成品光學玻璃零件的不足。該技術主要用于加工球面、非球面光學玻璃,是代替傳統古典法光學玻璃加工方法的主要技術,具有精度高,加工效率高等優點。目前,市場上該技術發展的歷史比較長,成熟的設備較為全面,如德國Satisloh公司,Optotech公司和Schneider公司等推出不同類型的銃磨和拋光機床,我國也開展了大量數控技術的研究。
        計算機數控研磨和拋光技術不僅在數控設備自動化和加工精度方面取得了很大的進展,各種不同拋光方法和原理的研究,極大的推動了光學非球面加工技術的發展。
        3、 光學透鏡模壓成型技術
        目前,光學透鏡模壓成型技術已經用來批量生產精密的球面和非球面透鏡。不但能夠制造常用的中等口徑透鏡,而且延伸到了 100微米的微型透鏡陣列及50毫米的較大口徑透鏡,不但可以制造軍、民用光學儀器中的球面和非球面光學玻璃,還可以制造光通信用的光纖耦合器用的非球面透鏡等。
        現在,這項先進玻璃光學玻璃制造技術還掌握在美國的康寧、Rochester Precision Optics(RPO)、Maxell,日本的OHARA (小原)、H0YA (保谷)、奧林巴斯、松下,德國的蔡司,英國的Bluebell Industries和荷蘭的菲利浦等少數國外公司。
        四、 光學玻璃超精密加工國內外技術進展情況
        1、國外非球面零件的超精密加工技術的現狀
        在國際上光學加工已發展到第五代數控加工工藝,達到了高精度、高速度、高效率及專業化,已可以完成高精度非球面零件的加工,其中比較突出的是德國的光學加工技術。他們的數控加工技術不僅涵蓋了從平面、棱鏡、球面到非球面等各種面型的銃磨成型、拋光技術,以及配套的高精度檢測技術,加工尺寸及檢測范圍從0>1 ~ 800mm?在非球面的加工方面尤為突出,利用先進的技工工藝可輕松完成高精度非球面的加工。非球面的加工方法有的用磨輪外緣點接觸銃磨、有的使用彈性膜拋光再小磨頭修正拋光的方式;工件的裝夾方式有液壓、真空吸附等方式。
        2、我國非球面零件超精密加工技術的現狀
        我國超精密加工技術的研究始于80年代初,與國外有著20余年的差距。我國軍工光電企業中的光學玻璃的加工技術經過多年來的發展,非球面數控加工技術在近些年也有很大發展,特別是航空航天系統應該引進了些先進的技術和設備,部分企業的技術水平有了較大提高,但兵器行業的光電企業光學加工普遍還是采用傳統的工藝,非球面的加工大部分是靠手工修磨,效率極低,手修過程還易出錯,可靠性差。光學玻璃透鏡模壓成型也僅僅停留在毛坯階段。隨著現代化的兵器裝備中對大口徑、高精度的非球面鏡的需求不斷增加,非球面加工技術的提高迫在眉睫。但由于進口非球面數控加工設備價格較高,大部分企業也只配備了少量設備,只能解決現有高端產品的非球面加工。難以在此基礎上形成批量和提出新工藝。
        五、結束語
        目前,國并發達國家已有30余年的新型光學系統的發展歷史,新型光學系統,特別是高次非球面光學系統已獲得相當的發展與利用。在這一領域,國內還有相當大的差距,甚至是空白。這種情況嚴重地阻礙了我國高性能光學系統的發展,影響我軍的裝備水平。開展有關的應用基礎、關鍵技術、系統與工程技術方面的研究具有重大的意義。超精密加工技術的發展,一改光學系統概念設計數百年停滯不前的狀況,使現代光學系統的設計和制造獲得了革命性的發展。解決我國現代光學系統的制造,特別是高分辨率、大口徑高次非球面光學系統加工的瓶頸技術,達到和突破目前世界高分辨率大口徑光學系統的實際水平,實現我國先進光學制造技術上新的臺階,具有重大的意義。

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