一、概述
1．1非球麵光學零件的作用
非球麵光學零件是一種非常（cháng）重要（yào）的光學零件，常用的有拋物麵鏡、雙曲麵鏡、橢球麵鏡等。非球麵光學零件可以獲得球麵光學零件無可比擬的良好的成像質量，在光學係統中能夠（gòu）很好的矯正多種像（xiàng）差，改（gǎi）善成像質量，提高係統鑒別能力，它能以一個或幾個非球麵零件代替多個球麵零（líng）件，從而簡化（huà）儀器結構，降低（dī）成本並有（yǒu）效的減輕儀器重量。
非球麵光學零件在軍用和民用光電產品（pǐn）上的（de）應用也很廣泛，如在攝影鏡（jìng）頭和取景器、電視攝像管、變焦鏡頭、電影放影鏡頭、衛星紅外望遠鏡、錄（lù）像機鏡頭、錄像和錄音光（guāng）盤讀出頭、條形碼讀出頭、光纖通信的光纖接頭、醫療儀器等中。
1．2國外非球麵零件的超精密加工技術的現狀
80年代（dài）以來，出現了許多種新的非球麵超（chāo）精（jīng）密加工技術，主要有：計算機數控單點（diǎn）金剛石車削（xuē）技術、計算機數控磨削技術、計算機（jī）數控（kòng）離（lí）子束成形技術、計算機數控（kòng）超精密拋光技術和非球麵複印技術等，這些加工方法，基本上解（jiě）決了各種非球麵鏡加工中所存在的問題。前四種方法運用了數控技（jì）術，均具有加工精度（dù）較高，效率高等特點，適於批量生產。
進行（háng）非球麵零件加工時，要考（kǎo）慮所加工零件的材（cái）料、形狀、精度和口徑等因素，對於銅、鋁等軟質材料，可以用單點金剛石切削(SPDT)的方法進行超精加工，對於（yú）玻璃或塑料等，當前主要采用先超精密加工其模具，而後再用成形法生產非球麵零件，對於其（qí）它一些（xiē）高硬度的脆性材料，目前主要（yào）是通過超精密（mì）磨削和超精（jīng）密研磨、拋光等方法進行加工的，另外．還（hái）有非球麵零件的特種加工技（jì）術如離子束拋光等。
國外許（xǔ）多公司（sī）己將超精密車削、磨削、研磨以及拋光加工集成為一體，並且研製出超精（jīng）密複合加工係（xì）統，如Rank Pneumo公司生產的Nanoform300、 Nanoform250、 CUPE研製的Nanocentre、日本的 AHN60―3D、ULP一100A(H)都具有（yǒu）複合（hé）加工功能，這（zhè）樣可以便非球麵零（líng）件的加工更加靈活。
1．3 我國非球（qiú）麵（miàn）零件超精密加工技術的現狀
我國從80年（nián）代初才（cái）開始超精密加工技術的研究，比國外（wài）整整落後了20年。近年來，該項工作開（kāi）展較好的單位有北京機床研究所、中國航空精密（mì）機械研究所、哈爾濱工業大學、中科院（yuàn）長春光機所應用光學重點（diǎn）實驗（yàn）室等。
為更好的開展對此項超精（jīng）密加工技術的研究，國防科工委於1995年在中國航空精密機械（xiè）研究所首先建立了國內******個從（cóng）事超精密加工技術研究的重點實驗室。
二、非球麵零件（jiàn）超精密（mì）切削加工技（jì）術（shù）
美國Union Carbide公司於1972年研（yán）製成功了 R―θ方式的非球（qiú）麵創成加工機床。這是一台具有位置反饋的雙坐標數（shù）控車（chē）床，可實時改變刀座導軌的轉角θ和（hé）半徑 R，實現非（fēi）球麵的鏡麵加工。加工直徑達φ380mm，加工（gōng）工件（jiàn）的形狀精度為±O．63μm，表麵（miàn）粗糙度為 Ra0.025μm。
摩爾（ěr）公司於1980年首先開（kāi）發出了用3個（gè）坐標控製的M―18AG非球麵加工機床，這種（zhǒng）機床可加工直徑356mm的各（gè）種（zhǒng）非球麵的金屬反射鏡。
英（yīng）國 Rank Pneumo公司於1980年向市場推出了利用激光反饋控製的兩（liǎng）軸聯動加工機（jī）床(MSG―325)，該機床可加工直（zhí）徑為350mm的非球麵金屬反射鏡，加工（gōng）工件形狀精度達 0．25-0.5μm，表（biǎo）麵粗糙度 Ra在0．01-O．025μm之（zhī）間（jiān）。隨後又推出了ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等機床（chuáng），該公司又在上述機（jī）床的基（jī）礎上，於1990年開（kāi）發出（chū） Nanoform600，該機床能（néng）加工直徑為600mm的非球（qiú）麵反射鏡，加工工（gōng）件的形狀（zhuàng）精度優於0．1μm，表麵粗糙度優於0．01μm。
代表當（dāng）今員高水平的超精密金剛石車床是美國勞倫斯．利弗莫爾(LLNL)實驗室於1984年（nián）研製成（chéng）功的 LODTM，它可加工直徑達（dá）2100mm，重達4500kg的（de）工件其加工精度可（kě）達0．25μm，表麵粗糙度RaO．0076μm，該機床可加工平麵、球麵及非球麵，主要用於加工激光核聚變工程所需的零件、紅外線裝（zhuāng）置用的（de）零件和大型天體反射（shè）鏡等。
英國 Cranfield大（dà）學精密工程研究所(CUPE)研製的大（dà）型超精密金剛右鏡麵切削機床，可以加工大型 X射線天（tiān）體望遠鏡用（yòng）的非球麵反射鏡(***大直徑可達1400mm，***大（dà）長度為600mm的圓錐鏡)。該研究所還（hái）研製成功了可以加工用（yòng）於 X射線望遠鏡內側回轉拋物麵和（hé）外側回轉雙曲麵反（fǎn）射鏡的金剛石切削機床。
日本開發的超精密（mì）加工機床主要是用（yòng）於加工民用產品所需的透（tòu）鏡和反射鏡，目前日本製造的加工機床有：東芝機（jī）械研（yán）製的 ULG―l00A(H)不二越公司的 ASP―L15、豐田工機的 AHN10、 AHN30×25、 AHN60―3D非球麵加（jiā）工機床等。
三（sān）、非球麵零（líng）件（jiàn）超精密磨削加工技術
3．1非球麵零件超精磨削裝置
英國 Rank Pneumo公司1988年開發了改進型的 ASG2500、 ASG2500T、Nanoform300機床，這些機床不僅能夠進切（qiē）削加工，而且也可以用金剛石砂輪（lún）進（jìn）行磨削，能（néng）加工直徑為300mm的非球麵金屬反射鏡，加工工件的形狀精度為0．3-O．16μm，表麵（miàn）粗糙度達Ra0．01μm。
***近又推（tuī）出 Nanoform250超精密加工係統，該係統是一個兩（liǎng）軸超精密 CNC機床，在該機床（chuáng）上既能進行超精密車削又能（néng）進行超揚密磨削．還能（néng）進行超（chāo）精密拋（pāo）光。***突出的特點（diǎn）是可（kě）以直接磨削出能達到光學係統要求的具有光學表麵質量和麵型精度的硬脆材料光學零件。該機床采用了許多******的 Nanoform600、Optoform50設計思（sī）想（xiǎng），機床***大加（jiā）工（gōng）工件直徑達（dá）250mm，它通過一個升高裝（zhuāng）置使機床的***大加工工件直徑達到450mm，另外通過控製垂（chuí）直方向的液體（tǐ）靜壓導軌(Y軸（zhóu）)還能磨削非軸（zhóu）對稱零件（jiàn），機床數（shù）控係統（tǒng）的分（fèn）辨率達 O．001μm，位置反饋元（yuán）件采（cǎi）用了分（fèn）辨率為8．6nm的（de）光柵或分辨率為1．25nm的激光（guāng）幹涉儀，加工工（gōng）件的麵型精度達0.25μm，表麵粗糙度優於 Ra0．01μm。
Nanocentre250、 Nanocentre600是一種三（sān）軸超精密 CNC非球麵（miàn）範成裝置，它可以滿足單點和延性磨削兩（liǎng）個方麵的使用要求，通過合理化機床結構設計、利用高剛度（dù）伺服驅動係（xì）統和液體靜壓軸承使機床具有較高的閉環剛（gāng）度， x和 Z軸的分辨率為1．25nm，這個機（jī）床被認（rèn）為是符合現代工藝規範的。 CUPE生產的 Nanocentre非球麵光學零（líng）件加工機床，加工直徑達600mm．麵（miàn）型精度（dù）優於0．1μm，表麵粗（cū）糙度優於 Ra0.01μm。 CUPE還為美國柯達（dá）公司研究、設計和生產了當（dāng）今世界上***大的超精密大型 CNC光學零件磨床0AGM2500，該機床主要用於光學玻璃等硬脆材料的加工，可加工和測量2．5m×2．5m×O．61m的工件，它能加工出2m見方的（de）非對稱光學鏡（jìng）麵，鏡麵的形狀誤差僅為1μm。
日本豐田工機研製的 AHN60―3D是一台 CNC三（sān）維截形磨削和車削機床，它能在 X、 Y、和 Z三軸控製下磨削和車削軸向對稱形狀的光（guāng）學零件，可以在 X、 Y和（hé） Z軸二個半軸（zhóu）控製下磨削和（hé）車削非軸對稱光學零件，加工工（gōng）件的截形精度為0．35unl，表麵粗糙度達 Ra0．016μm。另外東芝機械研製的 ULG―100A(H)超精（jīng）密複合（hé）加（jiā）工裝置，它用分別控製兩個軸的方法，實現了對非球麵透鏡模具的切削和磨削，其 X軸和 Z軸的行程分別為150mm和100mm，位置反饋元（yuán）件是分辨率為0．01μm的光柵。
3．2非（fēi）球麵光學零件的 ELID鏡麵（miàn）磨削技術
日本學者大森整等（děng）人從1987年對超硬（yìng）磨料砂輪進行了研究，開發了使（shǐ）用電解 In Process Dressing(ELID)的磨削法（fǎ），實現了（le）對（duì）硬脆材料高品位鏡麵磨削和延性方式的磨削，現在該方（fāng）法己成功的應用於球麵（miàn）、非（fēi）球麵透鏡、模具的超精密加工。
① ELID鏡麵磨削原理
ELID磨削係統包括：金屬結合劑（jì）超微細粒度超硬磨料砂輪、電解修（xiū）整電源、電解修整電極、電解液(兼作磨削液（yè）)、接（jiē）電（diàn）電刷和機床設備。磨削過程中，砂輪通過接電電刷與電源的正極相接，安裝在（zài）機床上的修整電極與電源的（de）負極相接，砂輪和電極之間澆注電解液，這樣，電源、砂輪、電極、砂輪和電極（jí）之間的電解液形成一個完（wán）整的（de）電化學係（xì）統。
采用 ELID磨削時，對所用的砂輪、電源、電解液均有一些特殊要求。要求砂（shā）輪的結合劑有（yǒu）良好的導（dǎo）電性和電（diàn）解性、結合劑元素（sù）的（de）氫氧化物或（huò）氧化（huà）物不導電，且（qiě）不溶於（yú）水，ELID磨削使用的（de）電源，可（kě）以采用電（diàn）解加工的直流電源或（huò）采用各種波形的脈衝電（diàn）源或直（zhí）流基量脈衝電源。在（zài） ELID磨削（xuē）過程中，電解液除（chú）作為磨削液外，還起著降低磨削（xuē）區溫度和減少摩撩的作用，ELID磨削一般采用水溶性磨削液，全屬基結合（hé）劑砂輪的機（jī）械強度高，通過設定合適（shì）的電解量，砂輪磨損小。同時能得到高的形（xíng）狀（zhuàng）精（jīng）度。應用這個原理，能實現從（cóng）平（píng）麵到非（fēi）球麵，各種形狀的光學元件的超精密鏡麵磨削。
②ELID鏡麵磨削實驗係統
在 Rank Pneumo公司（sī）的 ASG―2500T機床上，裝上由砂輪、電源、電極、磨削液等組（zǔ）成大（dà）森整（zhěng） ELID係統毛坯粗成形加工時使用400、半精加工時使用1000或2000、作鏡麵磨削時（shí）使用4000(平均粒徑約（yuē）為（wéi）4μm)或8000(平均粒徑約為2μm)的鑄鐵結合劑金剛石砂輪，電解修（xiū）銳電源(ELID電源)，使用的是直流高頻脈衝電壓式專用電源，工作電壓為60V，電（diàn）流為 lOA。所（suǒ）用的磨削液，使用時要（yào）求用純水將水溶性磨削液 AFH―M和 CEM稀釋50倍。
③ ELID鏡麵磨削（xuē）實驗方法和實驗結果
作非球麵加工時，通過安裝在工件軸上的碗形砂輪(325鑄鐵結合劑金剛石（shí）砂輪為φ30×W2mm)進行平砂輪的隻成形體整，作10min的電（diàn）解初期修銳之（zhī）後，經過400的粗磨和1000的半精加工，***後再用4000進行 ELID鏡麵磨削，在超（chāo）精密非球麵加工機（jī）床上，借（jiè）助 ELID磨削技術，成功地加工（gōng）出了光學玻璃 BK―7非球麵透鏡。麵型精度達到優於（yú） o．2μm，表麵粗糙度達（dá）Ra20nm，而對於稍軟如 LASFN30和Ge等材料的非球麵加工，同樣（yàng）能達到麵型精度（dù）優於 O．2-O．3μm，表麵粗糙（cāo）度達 Ra30nm。
四、非球麵零件的超精密拋光(研磨)技術
超精密拋光是加工速度極慢的一種加工方法。不適合形狀範成法加工（gōng），近年來，由於短波長光學元件、OA儀（yí）器和 AV機器等的飛速發展，對零件的表（biǎo）麵粗（cū）糙度提出了更高的要求（qiú），到目前（qián）為止還（hái）沒有比超精密拋光更好的實用的方法，尤其（qí）當零件的表麵（miàn）粗糙（cāo）度要求優於 0．0lμm時，這種方法是不可缺少的，對形狀（zhuàng）精度要求很高的工件，如果采用強製進（jìn）給的方法進行（háng）切削或進（jìn）行磨（mó）削時，其形狀（zhuàng）精度將直接受到機床進給（gěi）定位精度的影響（xiǎng），達到所在反應，並由此引起的加工作用（yòng），在工（gōng）件表麵上存（cún）在同樣微（wēi）小凹的部分，在一般情況下，隻能獲得波紋（wén）起伏較大（dà）的表麵。
日本大阪大學工學部森勇芷教授等人利（lì）用 EEM開發了一種三軸(x、 z、 C)數控光學表麵範成（chéng）裝置，利用該裝置加工時，一邊在工（gōng）件表麵（miàn）上控（kòng）製聚胺脂球的滯留時間，一（yī）邊用聚（jù）胺脂球掃描加工對象的物全領域，利用該裝置能加工高精度的（de）任意曲麵。
五（wǔ）、非球麵零件等離（lí）子體的 CVM(Chemical Vaporization Machining)技術
目前廣泛采用的（de）切削、研磨（mó）、拋光（guāng）等機械（xiè）加工方法，由（yóu）於加工材料中存在微（wēi）細裂紋或結晶中的品格缺陷等原因，無論怎樣提高加工精度，改進加工裝置，總存在（zài）一定的局限性，為此（cǐ），日本大阪大學工學部森勇正教（jiāo）授提出了（le）一種用（yòng）化學氣體加工（gōng）的（de）新的加工工藝方法，稱為等離（lí）子 CVM法，這是一種利用原子化學反應，獲得超精密表麵的一種技術（shù），其加工原理和等離子體刻（kè）蝕一樣（yàng），在等離子體中，被激（jī）活（huó）的遊（yóu）離基（jī）和（hé）工件表麵（miàn）原於起反應，將之變成揮發性分子，並通過氣體蒸發實（shí）現加工的，在高壓力下所產生的等離子體，能夠生成密度非常高的遊（yóu）離基，所以這種加工方法能達到與機械加工方法相匹敵的加工速度。
目前公司（sī）經營項目有: CNC航（háng）空高精密機械零件加（jiā）工，CNC航空高精密樣機加（jiā）工、北京不鏽鋼零件加工（gōng）、各（gè）種高精密金屬零件、塑料加工，各種高精密工（gōng）裝夾（jiá）具加工（gōng）、 小批量研發模型樣機（jī）加工製作， 真空批量翻模（mó）加工製作， 矽膠，橡膠製（zhì）作，鈑金製作， 鋁合金批（pī）量高精密加工（gōng）製作，批量吸（xī）塑製作，產品過uv，產品結構設計，批（pī）量噴塗絲印（yìn），鐳雕激光打字等等。
在高壓力下，由於氣體分子的平均自（zì）由行程極小，等離子體局限在電極附近。所（suǒ）以可以通過電極掃描，加工（gōng）出（chū） O．01μm精度（dù）的任意形（xíng）狀的零件，另外可以以50μm／min的速度加工單晶（jīng）矽平麵，加工工件的表麵粗糙（cāo）度可達0.1nm(Rrms)。
下個世紀（jì），在矽芯（xīn）片加工和半導體（tǐ）曝光裝置用的非球麵透鏡加工等很多領域中，將應用 CVM技術，當前（qián）有人正在（zài）研究通過 CVM和 EEM的組合，加工同步加速器用（yòng）的 X射線反射鏡等原子級平（píng）坦（tǎn）的任意曲麵。
六、非球麵（miàn）零件複製技術
用控製除去厚度的拋光(研磨)方（fāng）法能夠製造出高精度的非球麵零件，但（dàn）和一般的光學零件加工方法相比，這種方法的加工效率（lǜ）很低，解決這個問題的（de）方法之一有複（fù）製技術，即塑料注射成（chéng）形和玻璃的模壓成形技術（shù），這種（zhǒng）技術能夠製造一部分（fèn）非球麵透（tòu）鏡。塑（sù）料透（tòu）鏡注射成形（xíng）是將熔（róng）化的樹（shù）脂注入模具內，一邊施（shī）加壓力，一邊冷卻固（gù）化的加工方法，這種方法能夠進行廉價、大批（pī）量生產，但存在塑料自身的某些問題，如溫度變化、吸濕（shī）導致（zhì）透鏡折射率的變化。
玻璃（lí）的模壓（yā）成形是代替切削、磨削、研磨（mó）加工透鏡、棱鏡的***佳的小（xiǎo）型零件大批量生產方法。模壓成形技術是將模（mó）具內的溫度控製（zhì）在衝壓的（de）玻璃轉（zhuǎn）移溫度以上p軟化溫度（dù）以下（xià），在模具（jù）內，進入（rù）有流動性的玻璃，加壓成形，並且保持這（zhè）種狀態20s以上，直到成形了的玻璃溫度分布均勻化，將（jiāng）模具的形（xíng）狀精度作到0．1 μm，表麵粗糙度作到0．01μm以下，在上（shàng）述條件下加壓成形，能加工出（chū）和模具精度相近（jìn）的零件。
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