一种氟化钙材料阶梯回转非球面透镜加工方法与流程

本发明属于精密回转非球面透镜光学加工技术领域，涉及一种氟化钙材料阶梯回转非球面透镜加工方法。

背景技术：

超精密车削技术可实现多种光学晶体材料的光学表面加工，采用天然金刚石圆弧刀具车削的红外晶体光学零件可达到亚微米级表面面形精度和纳米级表面粗糙度，尤其针对非球面面形的车削加工，是一种稳定、高效的确定性加工工艺方法。

一般情况下，超精密车削技术适用于单个光学表面的车削加工，其表面面形和表面质量等要求能够达到较高的技术指标。而对于阶梯型回转光学表面的加工往往采用单元光学表面逐次加工方法，这种加工方式将单次装卡和车削精度误差累加，加工出的零件单元光学面之间的偏心差和表面面形精度较差，并且车削单元光学表面起刀时极易发生“扎刀”现象，严重时将导致光学材料碎裂。综上，为了解决阶梯型回转光学表面加工面临的技术难题，需要采用一种低风险、高精度的阶梯型回转光学表面面的加工工艺。

技术实现要素：

(一)发明目的

本发明的目的是：克服现有技术中的缺陷，提供一种氟化钙材料阶梯回转非球面透镜加工方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供氟化钙材料阶梯回转非球面透镜加工方法，其包括以下步骤：

步骤1：研磨抛光光学元件平面；

步骤2：对单元光学表面进行矢高补偿，保证阶梯型回转光学表面一次车削；

步骤3：筛选刀具，通过仿真车削所用金刚石刀具圆弧轮廓包角，对金刚石刀具进行筛选和安装角度偏置；

步骤4：精修工装，保证零件转卡后，车削表面回转中心与主轴回转重新重合；

步骤5：车削阶梯型回转光学表面；

步骤6：对车削后光学表面进行评价和检测修正。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的氟化钙材料阶梯回转非球面透镜加工方法，有益效果在于以下两点：

(1)所有单元光学表面采用一次装卡车削，避免了单元光学面逐次加工引入的单次转卡和车削精度误差累加，杜绝了车削单元光学表面车削起刀时易发生的“扎刀”现象，提高了单元光学面之间的同轴度和表面面形精度；

(2)通过计算阶梯回转光学面所用刀具轮廓范围，对金刚石刀具所用轮廓进行筛选，降低刀具表面轮廓引入的误差。同时，以中心单元光学表面为基准，预估阶梯回转光学面表面最大面形误差并对其进行优化，使面形精度具有量化指标。

附图说明

图1是本发明的一种高精度阶梯型回转光学面加工工艺流程示意图。

图2是本发明的阶梯型回转光学元件加工实施例图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

参照图1所示，本发明氟化钙材料阶梯回转非球面透镜加工方法包括以下步骤：

步骤1：利用经济性较好的古典法研磨抛光光学元件平面；

步骤2：对单元光学表面进行矢高补偿，保证阶梯叠加回转光学表面一次车削；

步骤3：筛选刀具，通过仿真车削所用金刚石刀具圆弧轮廓包角，对金刚石刀具进行筛选和安装角度偏置；

步骤4：精修工装，保证零件转卡后，车削表面回转中心与主轴回转重新重合；

步骤5：车削光学面；

步骤6：对车削后光学面进行评价和检测修正。

步骤1中，采用铣磨机对光学元件毛坯进行铣磨成型，铣磨后采用单轴机并辅以钻石粉对红外基底材料平面进行研磨抛光，得到半成品零件。加工后，平面面形精度可达20nm(@632.8nm)，表面疵病等级可达ir-iv；

步骤2中，以中心单元的回转中心顶点或者平面为基准对其他单元光学表面进行矢高补偿。补偿后，单元光学面之间的车削基准统一，可保证所有单元光学表面一次车削加工；

步骤3中，对单元光学表面车削所使用的刀具圆弧包角进行计算仿真，得出车削阶梯光学面使用的圆弧包角范围。采用800x显微镜对刀具圆弧轮廓进行检测，筛选出上述计算所用刀具圆弧包角范围内轮廓最优的圆弧刀具包角，按照最优圆弧刀具包角将刀具进行偏置；

步骤4中，采用cnc超精密车削机床，通过步骤s3筛选出的天然金刚石刀具对透镜加工用工装的各个定位面进行超精密加工，加工后工装定位面与机床主轴回转轴垂直；

步骤5中，采用cnc超精密金刚石车床，辅以步骤s3筛选出的天然金刚石刀具，按照矢高补偿后的光学表面方程，使用数控机床对阶梯型回转光学面进行车削。车削工艺参数：主轴转速1000～4000r/min，切深0.004～0.1mm/次，进给量3～8mm/min；

步骤6中，用接触式轮廓仪或干涉仪对中心单元光学面进行面形精度检测，检测pv值加δ即可认为是最终面形测试结果，若面形合格，则为最终产品；若面形检测工步不能达到面形精度要求，根据检测结果反馈修正，直到面形指标符合技术要求；其中，pv值为实际表面与理论表面的比较曲线中的最大值与最小值之差，δ为车削所用圆弧包角的轮廓误差。

实施例

按照本发明方法，针对一种红外材料高精度阶梯型回转非球面，采用cnc超精密车削机床并辅以天然金刚石圆弧刀对其进行超精密车削加工。下面结合实施样例对本发明涉及到的一种高精度梯形回转非球面车削加工方法进行描述，其加工工艺流程图见图1。

加工一种三次阶梯型回转光学透镜，见图2。

材料：氟化钙，直径：φ43mm，中心厚度h＝7.5±0.05mm，s1、s2和s3是沿边缘到中心的三个光学表面，s12和s23为三个光学表面之间的过度带，s4为平面。

三个光学表面的标准方程均为：

其中h²＝x²+y²，其具体参数见表格1，表面疵病等级b＝iv，平面面形精度rms：30nm，非球面面形精度pv<0.4μm，单元非球面之间的位置精度±0.002mm，中心偏差30"。

表1单元光学面参数表

第一步：铣磨抛光；

用铣磨机对氟化钙材料进行铣磨加工，得到透镜毛坯，毛坯中心厚度为7.65±0.05mm。采用单轴机并辅以钻石粉对光学元件平面进行抛光，抛光后平面面形精度rms：25nm(@632.8nm)，表面疵病等级b＝iv；

第二步：矢高补偿；

透镜非球表面包含s1、s2和s3三个阶梯型回转面，非球表面均为标准非球面方程，而其回转中心相对平面的矢高分别为10mm、7.5mm和6mm。故以平面为基准对s1、s2和s3进行矢高补偿，即z1＝z+10、z2＝z+7.5、z3＝z+6。补偿后，光学表面的车削基准统一为平面，此时，三个光学表面可一次车削加工；

第三步：刀具筛选；

根据s1、s2和s3的标准方程，计算单个光学表面车削加工所使用的金刚石刀具圆弧包角，即-20.6°～-15.98°(s1)、-11.27°～-21.95°(s2)和0°～5.79°(s3)。故，车削整个光学表面所用金刚石圆弧刀具包角范围是-21.95°～5.79°，即27.74°。采用800x显微镜对金刚石圆弧刀具轮廓进行检测，筛选出包角27.74°范围内最优轮廓段。经检测，最终选用车削加工所用金刚石刀具轮廓段的轮廓度为0.02μm；

第四步：精修工装；

采用cnc超精密车床，通过天然金刚石刀具对工装各个定位面进行超精密加工，加工后工装定位面与主轴回转轴垂直，即阶梯回转光学面的平面与主轴回转中心垂直；

第五步：车削；

采用cnc超精密金刚石车床，辅以金刚石刀具对阶梯型回转光学面进行车削。车削工艺参数：主轴转速3000r/min，切深0.05mm/次，进给量2mm/min；

第六步：检测；

采用接触式超精密轮廓仪按照光学面方程对s1面进行面形检测。若检测面形pv+0.02μm<0.4μm，即可认为面形符合技术要求；

第七步：反馈修正；

若检测面形工步不能达到面形精度要求，根据检测结果反馈修正，直到面形指标符合技术要求。

上述实施例中，采用本发明的一种高精度阶梯型回转光学面加工方法，它是通过以下几点达到高精度指标的：

1、通过第一步，利用经济性较好的古典法研磨抛光平面，减小金刚石刀具车削引入的低频误差，同时降低加工成本；

2、通过第二步，以平面为基准对其他单元光学表面进行矢高补偿。补偿后，光学表面的车削基准统一，可保证所有单元光学表面一次车削加工，避免了单元光学面逐次加工引入的单次转卡和精度误差累积，杜绝了车削单元光学表面车削起刀时易发生的“扎刀”现象，提高了单元光学面之间的同轴度和表面面形精度；

3、通过第三步，对车削加工使用的金刚石刀具进行筛选，优先选用圆弧轮廓误差相对较小的包角范围，降低车削加工时引入的刀具本身轮廓误差。同时，以中心单元光学表面为基准，预估阶梯回转光学面表面最大面形误差并对其进行优化，使面形精度具有可控的量化指标。

4、通过第六步和第七步，采用一种阶梯型回转光学面评价方法，使加工面形精度具有可靠性。

按照上述一种高精度阶梯型回转光学面加工方法，实施例加工的光学零件表面疵病等级ir-v，平面面形精度rms：22nm，非球面面形精度pv<0.32μm，单元非球面之间的位置精度0.001mm，中心偏差15"，制备出了高精度阶梯回转光学元件。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。