真光学冷加工实习报告
光学冷加工实习报告
一：前言
光学加工设备和光学工艺的发展是分不开的。孔夫子说过“工欲善其事，必先利其器”。这说明设备在工艺技术发展中的重要性。
我国光学加工设备和国际上光学设备的发展过程是一致的，即脚踏、机动、电动。基本是两大系列，一是德国系列、二是日本系列。解放前主要是德国设备为主，即从1936年云光厂成立，从国外引进的德国设备如：单轴粗磨机、二轴精磨抛光机、四轴精磨抛光机、五轴精磨抛光机等。二是伪满的大陆科学院为维修使用的光学仪器从日本购进的设备。解放后156项中的西光厂又从苏联购进了光学加工设备、它的原型机亦是德国设备、如ЩМ-500和ЩnМ-350型单轴粗磨机、ЩnМ-350三轴精磨抛光机、ЩnМ-200中型六轴精磨抛光机、和ЩnМ-60小型六轴抛光机以及Ц-2型定心磨边机等。
由古典方法转向机械化粗磨（铣磨）、准球心抛光，是光学制造业的一次重大的变革. 对光学加工改革起着推动作用的是兵器工业“739”会议。上世纪七十年中期是我国光学制造技术大变革的时期。八十年代光学制造技术最大变革由成盘加工转向单件加工。
单件加工很早就在日本采用，1983年“北总”是从日本引进PenTaxK1000相机开始引进这种技术和设备的。而部分技术人员和工人早在这以前从事劳务出口时，在日本已经接确此项工艺，但由于我们在八十年代初期，虽然引进了设备，而在工艺结构上还不完善，没有相应配套的工装和辅料，所以采用上述设备后，生产效率并不高。
加之当时，生产批量不大，没能引起人们的注意和足够的认识。但是一些专家看到了此种工艺的特点，它很适合中国国情。因此北总在1983年于江西召开的工艺研讨会上把它列入了三条高效生产线之内。这三条生产线即：平面高效生产线（228厂承担）、球面单件生产线（308和598厂承担），刚性上盘球面零件高效生产线（248和原5208厂承担）。
单件加工在大批量生产中，目前在中国的光学行业起着重要作用。但在上个世纪末和本世纪初世界光学仪器行业发展很迅速，同时光电仪器在更多的领域得到应用。在光学加工方面除了对批量有较大的要求外，更重要的是要提高加工精度，扩大加工范畴。因而国内光学工艺方面的专家对非球面加工，自聚焦透镜制造，导波器件制造进行了研究和探讨，而且取得了初步成果。经过几十年的努力，我国光学行业建立了自己的光学加工工艺，研制出一系列的光学加工设备。有些设备已成为国内名牌产品，有的已出口援外或外贸出口。这些设备有Q826、Q875、Q835A、QM-80、YG367、YG368、QA8510等名牌设备，最近我们又研制出了环抛机床和下摆机床。
二、实习目的
了解现代光学冷加工工艺的发展，通过自己动手完成两个凸透镜零件的加工，是学生所学得理论知识与实际相结合，巩固消化所学的知识，托宽知识面，培养实践操作技能。为以后的找工作打下牢固色基础。
三、实习时间
2011年7月5日---7月11日
四、实习地点
西安工业大学金花校区
五、实习部门和单位：教五二楼光学冷加工实验室
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。
实验室含光学工艺、光学检测、薄膜技术、微光电器件制造与检测等实验室，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等研究领域的关键技术装备，设备总值3000余万元，是光学工程及相关专业的教学、科研实践基地。光学工艺实验室曾被评为“全国高校先进实验室”。
实验室主要研究方向：薄膜与等离子体技术、光学制造与检测技术、微光电器件制造技术及应用。
实验室拥有德国莱堡，俄罗斯真空设备厂，中国南光机器有限公司，北京仪器厂，沈阳科学仪器厂等厂家的光学多层镀膜机、真空实
验台、硬质涂层镀膜机、磁控溅射镀膜机、真空电弧镀膜机等各类设备10余台（套），相关薄膜特性检测设备近10台。
六、实验内容
光学冷加工过程分为以下几个主要步骤：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。
在这个工艺过程中我们主要是进了粗磨车间实习，由于学校所用玻璃毛坯是已经经过初加工处理，已到达相关要求，所以可以直接进行粗磨加工。实习过程中了解到，粗磨主要目的是去除毛坯余量，粗磨加工的结果要求将一面加工成凹面，曲率半径为R=33.81，另一面加工成凸面，半径为R=119.12，厚度为 1.85-1.95，可根据公式sinx=D/【2*（R+r）】, 3、当磨轮选定后，D和r均为定值，只要调节两轴夹角，即可以得到不同曲率半径的球面。
1、球面铣磨原理采用斜截圆原理
4、加工凸面时，外凸包使实际加工的曲率半径增大，内凸包使曲率减小。
5、铣磨过程优劣的指标有尺寸精度、磨削效率、工件表面粗糙度、磨轮的磨耗比等。
6、面型的检验使用的是建议球面检测仪，与标准件数据对比来检测加工是否合格。
在铣磨过程中，由于加仪器较多，铣磨一会用球面检测仪测时结果可能偏大，则需将角度调大点。检测其达到相应的技术要求方能送精磨车间精磨以及抛光
（二）、磨边与精磨工艺
1、定心磨边
（一般工艺流程中，铣磨之后是精磨，因为仪器夹具直径的限制，所以本次实习中先进行定心磨边，磨小外圆尺寸使零件
可以装夹到精磨夹具中。）
透镜的定心磨边是使透镜的光轴与圆柱面几何轴线重合（或基
准轴），同时把外圆磨到给定的尺寸。
定心磨边的步骤：
1）.定心：通过一定的方法寻找并确定透镜光轴与基准轴重合
的位置，即使透镜诸光学表面定心顶点处的法线与基准轴重合
的位置。
2）.磨边：相对于确定了的透镜光轴，磨削透镜的外圆，以获得光轴与基准轴重合的外圆直径，达到所要求数值的透镜。
定心的方法有许多中，本次实习所用方法为机械定心法。
被定心透镜放在一对同轴精度高、端面精确垂直于轴线的夹头之间，利用弹簧压力来实现定心的。使透镜整个表面与接头端面接触，这时透镜的两个表面的球心位于接头的轴线上，使透镜被夹紧的同时达到定心的目。机械法定心的特点操作简便，加工效率高，适用于中等尺寸、中等精度透镜的大批量生产。其他还有光学定心法、自准直像定心法、光学电视定心法、透射像定心法等。
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。一般采用401#冷却液、GX水基冷却液等。
2、精磨
精磨的目的：使零件表面的凹凸层深度和裂纹层深度进一步减小；获得所需的尺寸精度。
此次实习精磨使用的是高速精磨机，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”。每道精磨工序时间为40s。精磨的冷
却液为水。
（三）：抛光工艺
抛光的目的是消除精磨的破坏层，达到规定的表面要求；精修面形，达到图纸要求的光圈数N和局部误差；为后续特种工艺创造条件。
（三）：抛光工艺
抛光的目的是消除精磨的破坏层，达到规定的表面要求；精修面形，达到图纸要求的光圈数N和局部误差；为后续特种工艺创造条件。
抛光的机理是机械磨削、化学作用和表面流动理论。
抛光后零件的检验主要是利用光圈数来判定，光圈数的检验原理是等厚干涉。
（图二）不同类型的精磨金刚石丸片磨具
抛光的工艺中，所用的抛光液为Fe2O3，夹具为比较柔软的纤维布料，其具体操作步骤为：
将休整好的抛光模上紧在机床的光轴上，把待加工的零件放置在相应的夹具内，与机床上的抛光模相贴，调整机床的摆幅，启动机床对零件的第一面进行抛光，抛光完工后重复上述步骤，对零件进行第二面抛光，在抛光过程中，操作者必须对每件零件进行相应的自检，如零件的中心厚度、表面光洁度、光圈及光圈不规则度等。
图三、精磨抛光机
（四）：镀膜工艺
薄膜的作用在于改进基底的性能或功能。实现特定的光学特性
优化表面性能，改善表面特性，进行微细加工，实现微制造；
产生新功能特性。
光学薄膜器件主要采用真空环境下的热蒸发方法制造。常用的薄膜制备方法有热蒸发、溅射、离子束辅助蒸发、电镀。
各种光学玻璃因为其使用目的和环境的不同，对工艺的要求和光线的通透等也就不相同，镀膜这道工序就是为了满足这些要求而对光线光路等做出相应的调整。
镀膜要求较高，学校所采用的是箱式电子真空镀膜机，在指导老师的介绍下，其基本原理是通过电子枪发射出来的电子在磁场的作用下受洛仑兹力作用而打在膜料上使膜料蒸发较均匀的粘附在片上，然后烘烤镜片使膜料粘固。
镀膜后的镜片通过封光光光度计来检查其光谱曲线来计算其反射率、透射率等是否达到技术要求。同时还可根据反射率的变化来估算薄膜厚度。
在这种镀膜方式下，由于边缘线速度与中心线速度是不相同的，温度也并非出处相同，所以不能保证光学表面镀膜的均匀，边缘和中心必然存在一定的偏差。
镀膜机工作时要求真空环境，真空等级分为初真空，低真空，高真空，极高真空，超高真空，一般要求工作环境为高真空,所处气压为10－3～10－5Pa。
镀膜后的检验方法主要有判别颜色，观察器件的表面光洁度，测试所镀膜层的牢固度（使用擦拭法）。
镀膜的具体工序如下所示：
1．1．操作人员，必须取得岗位资格证书
2. 膜料的选择膜料SiO2纯度≥99.99％
3．工房的要求温度控制在22°C±4°C，湿度≤80％，工房内一切设施摆放整洁。
4．清洁基片用脱脂布蘸醇醚混合液擦拭零件表面，若表面印记不能用混合液擦去，可用细抛光粉擦，然后用醇醚混合液擦干，以哈气检查表面清洁程度。
5．装料装件将擦拭干净的基片放置在镀膜用夹具上，并调整好夹具及基片的位置，以便蒸发时目测干涉色的变化，同时将蒸发源及膜料装好。
6．开冷却水和扩散泵
7．抽低真空打开机械泵低阀，抽低真空，打开低真空测量表头（热电偶真空计），测低真空度。
8．离子轰击当真空抽至10～20Pa时开始轰击，轰击电流50～150uA，启动工转旋转工作，将低阀关闭，抽预阀（管道），当真空度降至20Pa时，关闭预阀，重新抽低阀，重复动作维持真空度在10～0.1Pa之间，时间10～20分钟。
9．开高阀离子轰击10～20分钟，低真空在1～10Pa时，打开高真空阀门，待离子轰击辉光消失后，切断轰击电源。10．烘烧 250°C～300°C
11．测高真空当真空度到0.001Pa时，用电离真空计测量
12．预熔除气当真空度至0.008Pa时开始预熔除气，预熔缓慢，至膜料彻底变为流动的液体。
13．蒸镀当温度达到250°C～300°C时，真空度达到0.005～0.007Pa，即可蒸发，蒸发电流应比预熔时的
电流略低，避免出现“打点子”，用目测观测反射色控制膜
厚，到达指定颜色时停止蒸镀。
14．冷却，充气当真空室温度降至200°C时，充气
15．送检
五、检测技术与方法
激光干涉仪使用干涉形成干涉条纹的的情况，用标准具与被测器件相比较得到相对差来判断被测器件的平整情况。当被测器件为平面时，原理如下图：
应该注意的是，在上图中，由干涉条纹求出的光程差是实际被测件光程差的2倍，所以在求实际被测件与标准器件差时应为通过干涉条纹求出的厚度差的1/2.
当被测器件为球面时，原理图如下