1.1非球麵光學零件的作用
非球麵光學零件是一種非常重要的光學零件，常用（yòng）的有拋物麵鏡、雙曲麵鏡、橢球麵鏡等。非球麵（miàn）光學零件可以獲得（dé）球麵光學零件無可比擬的（de）良好的成像質量，在光學係統中能夠很好的矯正多（duō）種像差，改善成像質量，提高係統鑒別能力，它能以一（yī）個或幾個非球麵零件代替（tì）多個球（qiú）麵零件，從而簡化儀器結構，降低成本並有效的減輕儀器重量。
非球（qiú）麵光學零件在（zài）軍用和民用光電產品上（shàng）的應用也很（hěn）廣泛，如在攝影鏡頭和取景器、電視攝像管、變焦鏡頭、電影放（fàng）影鏡頭（tóu）、衛星紅外望遠（yuǎn）鏡、錄像機（jī）鏡頭、錄像和錄音光盤讀出頭、條形碼讀出頭、光纖通信（xìn）的光纖接頭（tóu）、醫療儀器等中。
1.2國外非球麵（miàn）零件的超精密（mì）加工技術的現狀
80年代以來（lái），出現了許多種新的非（fēi）球麵超精密加工技術，主要有：計算機數控單（dān）點金剛石車削技術、計算機數控磨削技術、計（jì）算機數控離（lí）子束成形技術、計算機數控超精密（mì）拋光技術（shù）和非（fēi）球（qiú）麵複印技術等，這些加工方法，基本上解決（jué）了各（gè）種非球麵鏡加工中所存在的（de）問題。前四種方法運用了（le）數（shù）控技術，均具有加工精度較高，效率高等特點，適於批（pī）量生產。
進（jìn）行非球麵零件加工時，要考慮所加工（gōng）零件的材（cái）料、形狀、精度和（hé）口徑等因素，對於銅、鋁等軟質材料，可以用單（dān）點金剛石（shí）切削(SPDT)的（de）方法進（jìn）行（háng）超精加工（gōng），對於玻璃或塑（sù）料等，當前主要采用先超精密加工其模（mó）具，而後再用成形法生產非球麵零件，對於（yú）其它一些高硬度（dù）的（de）脆性材（cái）料，目前主要是通過超精密磨削和超精密研磨、拋光等方法進行加工的（de），另外.還（hái）有非球（qiú）麵零件的特（tè）種（zhǒng）加（jiā）工技術如（rú）離子束拋光等。
國外許多公司己將超精密車削、磨（mó）削、研磨以及拋光加工集成為（wéi）一體，並且研製出超精密複合加工係統，如Rank Pneumo公司生產的Nanoform300、Nanoform250、CUPE研製的Nanocentre、日本（běn）的AHN60―3D、ULP一100A(H)都具（jù）有（yǒu）複合加工功能，這樣可以便非球（qiú）麵零件的加工更加靈活。
1.3我國非球麵零件超精密加工技術（shù）的現狀
我國從80年代初才（cái）開始超精密加工技術的研究（jiū），比國外整（zhěng）整落（luò）後了20年。近（jìn）年來，該項工作開展較好的（de）單位有北京機床研究所（suǒ）、中國航空（kōng）精（jīng）密機械研究所、哈爾濱工業大學（xué）、中科院長春光（guāng）機所應用光學重點（diǎn）實驗室等。
為更好的開展對此項超精密加工技術的研究，國防科工委於1995年在中國航空精密機械研究所首先建立了國內******個從事超精密加工技術研究的重點實驗室。
2.非球麵零件超精密切削加工技術
美國（guó）Union Carbide公（gōng）司於1972年（nián）研製成（chéng）功了R―θ方式的非球（qiú）麵創成加工機床（chuáng）。這是一台具（jù）有位置反（fǎn）饋的雙坐標數控車床，可實時（shí）改變（biàn）刀座導軌的轉角θ和半（bàn）徑R，實現非球麵的鏡麵加工。加工直徑達φ380mm，加（jiā）工工件的形狀精度為±O.63μm，表麵（miàn）粗糙度為Ra0.025μm。
摩爾公司（sī）於1980年首先開（kāi）發出了用3個坐標控製的M―18AG非（fēi）球麵加（jiā）工機床，這種（zhǒng）機床（chuáng）可加（jiā）工直徑356mm的各種非球麵的金屬反射鏡。
英國Rank Pneumo公司於1980年向市場推出了利用激光反饋控製的兩軸聯（lián）動加工機床(MSG―325)，該機床可加工直（zhí）徑為350mm的非球麵金屬反射鏡，加（jiā）工工件形狀精度（dù）達0.25-0.5μm，表麵粗糙度Ra在0.01-O.025μm之（zhī）間。隨後又推出（chū）了ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等機床，該公司又在上述機床的基礎上，於（yú）1990年開發出Nanoform600，該機床能加工直徑為600mm的非球麵反射鏡，加工工件的形狀精度優於0.1μm，表麵粗糙度優於0.01μm。
代表當今員高水平（píng）的超精密金剛石車床是美國勞倫（lún）斯.利弗莫爾(LLNL)實驗室（shì）於1984年研製成功的LODTM，它可加工直徑達2100mm，重達4500kg的工件其加工精（jīng）度可達（dá）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（yòng）於加工激光核（hé）聚變工程所（suǒ）需的零件、紅外線裝置用的零件和（hé）大型天（tiān）體反射鏡等。
英國Cranfield大（dà）學精密工（gōng）程研究所(CUPE)研製的大（dà）型（xíng）超精密（mì）金剛右鏡麵切（qiē）削機床，可以加工（gōng）大型X射線天體望遠鏡用的非球麵反射鏡(***大直徑可達（dá）1400mm，***大（dà）長度為600mm的圓錐鏡)。該研究所還研製成功了可以加工用於（yú）X射線望（wàng）遠鏡內側回轉拋物麵和（hé）外側回轉雙曲麵反射鏡的金剛石切（qiē）削機床。
日本開發的超精密加工機床（chuáng）主要是用於加工民用產品所需的透鏡（jìng）和（hé）反射鏡，目前日本製造的加工機床有：東芝機械研製的ULG―l00A(H)不二越公司的ASP―L15、豐田工機的AHN10、AHN30×25、AHN60―3D非球麵加工機床等。
3.非球麵零（líng）件超精密磨（mó）削加工（gōng）技術
3.1非球（qiú）麵零件超精（jīng）磨削裝置
英國Rank Pneumo公司1988年開發了改進（jìn）型的ASG2500、ASG2500T、Nanoform300機（jī）床，這些機（jī）床不僅能夠進切削加工，而且也可以用金剛石砂輪進行磨削，能加工直徑為300mm的（de）非球麵金屬反射鏡，加工工件（jiàn）的形狀精度為（wéi）0.3-O.16μm，表麵粗糙度達Ra0.01μm。***近又推出Nanoform250超精密加工係統，該係統是一個兩軸超精密CNC機床，在該機床上既能進（jìn）行超精密車削又能進行超揚密磨削.還能進行超精密拋光。***突出的特點是可以直接磨（mó）削（xuē）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（jiàn）。該機床采用了許多******的Nanoform600、Optoform50設計思（sī）想，機床***大（dà）加工工件直徑達250mm，它通過一個升高裝置使機床的***大加工工件直徑（jìng）達到450mm，另外通過控製垂直方向的液體（tǐ）靜壓導軌(Y軸)還能磨削非軸對稱零件，機床數控係統的分辨率達O.001μm，位置反饋元（yuán）件采（cǎi）用了分（fèn）辨率為8.6nm的光柵或（huò）分辨率為1.25nm的（de）激光幹涉儀，加工工件（jiàn）的麵型精度達0.25μm，表麵粗糙度優（yōu）於Ra0.01μm。
Nanocentre250、Nanocentre600是一種三軸超精密CNC非球麵範成裝（zhuāng）置，它可以滿足單（dān）點和延性磨削兩個方麵的（de）使用要求，通過合理化機床結構設（shè）計、利用高剛度伺服驅動係統和（hé）液體靜壓軸承使機床具有較高的閉環剛度，x和Z軸的分辨率為1.25nm，這（zhè）個機床被認為是（shì）符合現代工藝規範（fàn）的。CUPE生產的Nanocentre非球麵光學零件加工（gōng）機床，加工直（zhí）徑達600mm.麵（miàn）型精度優於0.1μm，表麵粗糙度優於Ra0.01μm。CUPE還（hái）為美國柯達公司研究、設計和生產了當今世（shì）界上***大的超精密大型CNC光學零件磨床0AGM2500，該機（jī）床（chuáng）主要用於光學玻璃等硬脆材（cái）料的加工，可加工和（hé）測（cè）量2.5m×2.5m×O.61m的工（gōng）件（jiàn），它能加（jiā）工出2m見方（fāng）的非對（duì）稱光學鏡麵，鏡麵的（de）形狀誤差僅為1μm。
日本豐田工機研製的AHN60―3D是一台CNC三維截形（xíng）磨削和車削機床，它能（néng）在X、Y和Z三軸控製下磨削和車削軸向對稱形狀的（de）光學零（líng）件（jiàn），可以在X、Y和Z軸二個半軸控製下磨削和車削非軸對稱光學零件，加工工件的截形精度為0.35unl，表麵粗糙度達Ra0.016μm。另外東芝機械研製的ULG―100A(H)超精密複合加（jiā）工（gōng）裝置，它用分別控製兩個軸（zhóu）的方法（fǎ），實現了對非球麵透鏡模具的切削和磨削（xuē），其X軸和Z軸的（de）行程分別為150mm和100mm，位置反饋元件是分辨率為0.01μm的光柵。
3.2非球麵光學零件的ELID鏡麵磨削技術（shù）
日本學者大森整等人從1987年對超（chāo）硬磨料砂輪進行了研究，開發了（le）使用電解In Process Dressing(ELID)的磨削法，實現了對硬（yìng）脆材料（liào）高（gāo）品位鏡麵磨削和延性方式（shì）的磨削，現在該方法己成功的應（yīng）用於球麵、非球麵透鏡、模具的超精密加工。
①ELID鏡麵磨削原理
ELID磨削係統包括：金屬結（jié）合劑超微細粒度超硬磨料（liào）砂輪、電解修整電源、電解修整電極、電解液(兼作（zuò）磨（mó）削液)、接電電刷和機床設備。磨削過程中，砂輪通過接電電刷與電源的正極相接，安裝在機床上的修整電極與電源（yuán）的負極相接，砂（shā）輪和電極（jí）之間澆注（zhù）電解液，這樣（yàng），電源、砂輪、電極、砂（shā）輪和電極之間的電解液形成一個完整的電化學係統（tǒng）。
采用（yòng）ELID磨削時，對（duì）所用的砂輪、電源、電解液（yè）均有一些特殊要求。要求砂輪的結合劑有良（liáng）好的導電性和電解性、結（jié）合劑元素的氫（qīng）氧化物或氧化物不導電，且不溶於水，ELID磨削使用的電（diàn）源，可以采用電解加工的（de）直流電源（yuán）或采用各種波形的脈衝（chōng）電源或直流基（jī）量脈衝電源。在ELID磨削過程中，電解液除作為磨削液（yè）外（wài），還起著降低磨削區溫度和減少摩撩的作用，ELID磨削一般（bān）采用水溶性磨削（xuē）液，全屬基（jī）結合劑砂輪的機械強度高，通過設定合適（shì）的（de）電解量，砂輪磨損小。同時能得到高的形狀精度。應用這個原理，能實現從平麵（miàn）到非球麵，各種形狀的光學元（yuán）件的超精密（mì）鏡麵磨削。
②ELID鏡麵磨削實驗係統
在Rank Pneumo公司的ASG―2500T機床上，裝上由砂輪、電（diàn）源、電極、磨削液等組成大森整ELID係統毛坯粗（cū）成形加工時使（shǐ）用400、半精加工（gōng）時使（shǐ）用1000或（huò）2000、作鏡麵磨削時使用4000(平均粒徑約為4μm)或8000(平均粒徑約為2μm)的（de）鑄鐵結合（hé）劑金剛石砂輪，電解修銳電（diàn）源(ELID電源)，使（shǐ）用的是直（zhí）流高頻脈衝電壓式專用電源，工作電壓（yā）為60V，電流（liú）為lOA。所用的磨（mó）削液，使用時要求用純水將水溶性磨削（xuē）液AFH―M和CEM稀釋50倍。
③ELID鏡麵磨削實驗方法（fǎ）和實驗結果
作非球麵（miàn）加工時，通過安裝在工（gōng）件軸上的碗形砂輪(325鑄鐵結合劑金剛石砂（shā）輪為（wéi）φ30×W2mm)進行平砂（shā）輪的隻（zhī）成形（xíng）體整（zhěng），作10min的（de）電解初期修（xiū）銳之後，經過（guò）400的粗（cū）磨（mó）和1000的半精加工，***後再用4000進行ELID鏡麵磨（mó）削，在超精（jīng）密非球（qiú）麵加工機床（chuáng）上，借助ELID磨削技術，成功地加工出了（le）光學（xué）玻璃BK―7非球（qiú）麵透鏡。麵型精度達到優於o.2μm，表麵粗糙度達Ra20nm，而對於稍軟如LASFN30和Ge等（děng）材料的非球麵加工（gōng），同樣能達到麵型精度優於O.2-O.3μm，表麵粗糙度達Ra30nm。
4.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（yī）種加工方（fāng）法。不適合形狀範成（chéng）法加工，近年來，由於短波長光學元件、OA儀器（qì）和AV機器等的飛速發（fā）展，對零件的表麵粗糙度提出了更高的要求，到目前為止還沒有比超精（jīng）密拋光（guāng）更好的實用的方法（fǎ），尤其當零件的（de）表（biǎo）麵粗糙度要求優於0.0lμm時，這種方法是不可缺少的，對形狀精度（dù）要求很（hěn）高的工（gōng）件，如果采用強製進給（gěi）的方法進（jìn）行切削或進行磨削時，其形狀精度將直接受到機床進給定位精度（dù）的（de）影響（xiǎng），達到所在反應，並由此引起的加工作用，在工件表麵上存在同（tóng）樣微小凹的部分，在一般情況下，隻能獲得波紋起伏較大（dà）的表麵（miàn）。
日本大阪大學工學部森勇芷教授等人利用EEM開發了一（yī）種三軸(x、z、C)數（shù）控光學表麵範成裝（zhuāng）置，利用該裝置加（jiā）工時，一邊在工件表麵（miàn）上控製（zhì）聚胺脂球的滯留時間，一邊用聚胺脂球（qiú）掃描加工對象的（de）物全領域（yù），利用該（gāi）裝置能加工高精度的任意曲麵。
5.非球麵零件等離子體的CVM(Chemical Vaporization Machining)技術
目前廣泛采（cǎi）用的（de）切削、研磨、拋（pāo）光等機（jī）械加工方法，由於加工（gōng）材料中存在微細裂紋或結晶中的品格缺陷等原因，無論怎樣提（tí）高加工精度，改進（jìn）加工裝置，總存在一定的局限性，為此，日本大阪大學工學部森勇正教授提出（chū）了一種用化學氣體加工的新的加工工藝方法，稱為等離（lí）子CVM法，這是（shì）一種利用原子化學（xué）反應，獲得超精密表麵的一種（zhǒng）技術，其加工原理和等離子（zǐ）體刻蝕（shí）一樣，在等離子體中，被激活的遊離基和（hé）工件表麵原於起反應，將之變成揮發性分（fèn）子，並通過氣體蒸發實現加工的，在高壓力下（xià）所產生的等離子體，能夠生成密度非常高的遊離基，所（suǒ）以這種（zhǒng）加工方（fāng）法能達到與機械加工方法相匹敵的加工速度。在高（gāo）壓力下，由（yóu）於（yú）氣體分子的平均自由行程（chéng）極小，等離子體（tǐ）局限在電極附近。所以可以通過電（diàn）極掃描，加工出O.01μm精度的任意形狀的零件，另外（wài）可以以（yǐ）50μm／min的速度加工單晶矽平麵，加工工件的（de）表麵粗糙（cāo）度可達0.1nm(Rrms)。
下個世紀，在矽芯片加工和半（bàn）導體曝光裝置用的（de）非球麵透鏡加工（gōng）等很多領（lǐng）域中，將應用CVM技術，當前有人正在（zài）研（yán）究通過CVM和EEM的組合，加工同（tóng）步加速器用的X射線反射鏡等原子級平坦的任意曲麵。
6.非球麵零（líng）件複製技術
用控製除去厚度的拋光(研磨)方法能夠製造出高精度的非球麵零件，但和一般的（de）光（guāng）學零件加工方法相比（bǐ），這種方法的加工效率很（hěn）低，解決這個問題的方法之一有複製技術，即塑料（liào）注射成形和玻璃的模壓成形技術，這種（zhǒng）技術能夠製造一（yī）部分非（fēi）球麵透鏡。塑料透鏡注射成形是將熔化的樹脂（zhī）注入模具內，一邊施加壓力，一邊冷卻固化的加工方法，這（zhè）種方法能夠進行廉價（jià）、大（dà）批量（liàng）生產（chǎn），但存（cún）在（zài）塑料自身的某些問題，如溫度變化、吸濕（shī）導致透鏡（jìng）折射率的變（biàn）化。
玻璃的模壓成形是代替切削、磨削、研（yán）磨加工透鏡、棱鏡的***佳的小型零件大（dà）批量生產方法。模壓成形技術是將模具內的溫度控製在衝壓的玻璃轉移溫度以上p軟化溫（wēn）度以下，在（zài）模具內，進入有流動（dòng）性的玻（bō）璃，加壓成形，並且（qiě）保持這種狀態（tài）20s以上，直到成（chéng）形了的玻璃溫度分布均勻化，將模具的形狀精度（dù）作到0.1μm，表麵粗糙度作到0.01μm以下，在上述條件下加壓成形，能加（jiā）工出和模具精度相近的零件。
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