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我国研磨抛光设备的产业化进程

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我国研磨抛光设备的产业化进程

发布日期:2020-02-04 作者: 点击:

   光学表面制造技术,特别是中大口径光学元件的加工,由于其材料的特性和光学本身对精度要求的严格性,导致了其几个世纪以来发展缓慢,且严重依赖操作者的经验和技巧。传统光学加工技术是在17世纪牛顿开发的平、球面镜加工技术基础上发展而来的,基本原理是磨具与镜面在全口径范围接触下的相对研磨和抛光,其加工效率低、加工周期长、质量不稳定,且难以加工相对孔径大于1 : 2的镜面。这种加工工艺不苛求加工设备本身的精度(此时机床只是起到运动传递的作用),而更多地依赖于人工经验,被称为非确定性超精密加工工艺。
    随着现代科技的发展,由于光学元件几何尺度的极端性、材料的多样性、形面的复杂性使传统的非确定性超精密加工工艺和设备已不能适应现代光学元件加工的需求。随着机床功能部件精度的提高以及计算机控制技术的发展,确定性超精密加工工艺和加工设备的出现有效地解决了上述问题。当今主流的超精密加工设备主要是指确定性超精密加工设备,按照设备精度、加工方式和加工工艺分可以分为以下两大类,这两类设备采用不同的超精密工艺都能达到亚微米或更高的零件精度。
  第一类是指利用轨迹可控的刀具(如单晶金刚石刀具、砂轮等),以极高的空间运动精度完成具有光学元部件的加工,典型的设备如单点金刚石超精密车床、超精密铳床、超精密磨床等,这类超精密研磨抛光设备的主轴及导轨均采用液体静压或空气静压轴承,一般主轴回转精度小于0.1 Jim,导轨运动直线度0.1~0.3 |jim/300mm,运动分辨率可达到lnm,此类设备也可称为运动复印型设备,即将设备的运动精度复制到被加工工件上。需要通过控制影响部件精度的各因素才能达到超精密数控机床最终的精度,而这些影响因素通常要求做到极限:如机床的机械功能部件、机床位置检测反馈系统、伺服运动控制系统以及设备总体等必须具有极高的精度、极好的动静态特性、极高的数据处理和实时控制能力、极高的稳定性、极严格的环境要求等。
  第二类是指基于计算机控制光学表面成型技术(ComputerControlled Optical Surfacing, CCOS )的超精密加工设备,这类超精密研磨抛光设备与第一类相比精度要求较低,主轴及导轨一般均采用机械滚动轴承,运动精度及定位精度均在0.01mm量级,典型的基于CCOS的超精密研抛设备包括小磨头抛光设备、应力盘抛光设备、气囊抛光设备、磁流变抛光设备、离子束抛光设备等叫在此类设备进行的超精密加工工艺是随着测量测试、计算机控制等先进技术的发展,从20世纪70年代开始相继发展的用数学模型描述工艺过程、以计算机数控技术为主导的先进光学制造技术,其原理是利用可控的去除函数,在相对确定的位置进行确定量的材料去除,从而得到高精度高表面质量的产品。
  上述两类设备构成了当今通用超精密数控加工设备的主体,也代表了一个国家超精密加工技术研究和应用的水平。通用精密加工设备一般由各大机床制造厂商提供货架式商品,用户根据加工需求进行选择订购。如果用户有特殊加工需求,如加工件的规格尺寸、材料、工艺等方面的特殊要求,可以由机床厂商为之量身设计制造专用设备,对于超精密加工设备也有类似情况。与精密加工设备相比,生产通用性超精密加工设备的厂商较少,在全世界范围内仅有几十家,大部分集中在美国、欧洲和日本。而到目前为止,国内还没有一家专业化超精密加工设备生产厂商。美国Moore公司、Precitech公司等生产的超精密切削设备,SatisLoh公司、Optech公司生产的光学铳、磨、抛设备等都属于通用设备,这些机床具备齐全的功能和较高的精度,但价格较昂贵。而专用的超精密加工机床,如磁盘车床、KDP晶体超精密飞切加工机床、大口径非球面反射镜研抛机等。这种机床结构较为简单,价格相对便宜,但功能单一,可加工零件种类较少,而且需要单独专门设计,研制周期长、不能快速响应用户的需求。


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