一、概述
1．1非球麵光學零（líng）件的（de）作用
非球麵光學零件（jiàn）是一種（zhǒng）非常重要的光學零件，常用的有拋物麵鏡、雙曲麵鏡、橢球麵鏡（jìng）等。非（fēi）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（zài）光學係統中能夠很好的矯正多種像差，改善成像質量，提高係統鑒別能力，它能以一個或幾個非球（qiú）麵零件（jiàn）代替多個球（qiú）麵零件，從而簡化儀器結構（gòu），降低成本並有效（xiào）的減輕儀器重量（liàng）。
非球麵光學零件（jiàn）在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（jǐng）器、電視攝像管、變焦鏡頭、電影放（fàng）影鏡頭、衛星紅外望遠鏡、錄像機鏡頭、錄像和錄音光盤讀（dú）出頭（tóu）、條形碼讀出（chū）頭、光（guāng）纖通（tōng）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（gōng）技術的現狀
80年代（dài）以來，出現了許多種（zhǒng）新（xīn）的非球麵超精密加工技（jì）術，主要有：計算機數控單點金剛石車削技術、計算機數控（kòng）磨削技術、計算機數控離子束成形技術、計算機數控超精（jīng）密拋光技（jì）術和非球麵複印技術等，這些（xiē）加（jiā）工方法（fǎ），基本上（shàng）解決了各種非球麵鏡加（jiā）工中所存在的問題。前四種方法運用了數（shù）控技術，均具有加工精度較高，效率高（gāo）等特點，適於批量生（shēng）產。
進行非球麵零件加（jiā）工時，要考（kǎo）慮所加工零件的材料、形狀、精度和口徑等因素，對於銅、鋁等軟質材料，可（kě）以用單點金剛石切削(SPDT)的方法進（jìn）行超精加工，對於玻璃或塑料等，當前主要（yào）采用先超精密加工其模具，而後再用（yòng）成形法生產非球麵零件，對於其它一些高（gāo）硬度的脆性材料，目前主要是通過超精密磨削和超精密研磨、拋光等（děng）方法進（jìn）行加工的（de），另外．還有非球麵零件的特種加工技術如離（lí）子束拋光（guāng）等。
國外許多公司己將超精密車削、磨削、研磨以及拋光加工集成（chéng）為一體，並且研製出超精密複合加工係（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)都具有複合（hé）加工（gōng）功能（néng），這樣（yàng）可以便非（fēi）球麵零件的加工更加靈活（huó）。
1．3 我國非球麵零件超精密（mì）加工技術的現狀
我國（guó）從80年代初才開始超精密加工（gōng）技術的研究，比國外（wài）整整落後（hòu）了20年。近年來，該項工作開展較好的單位有北京機床研究所、中國航空精密機械研（yán）究所、哈爾濱（bīn）工業大學、中科院長春光機所應用光學重點實驗室（shì）等。
為更好的開展（zhǎn）對此項（xiàng）超（chāo）精密加工技（jì）術的研究，國防科工委於1995年在中國航空精密（mì）機械研究所首先建立了國內******個從事超（chāo）精密加工技術研究的重點實驗室。
二、非球麵零件超精密切削（xuē）加工技術（shù）
美國Union Carbide公司於1972年研製成功了 R―θ方式的非球麵（miàn）創成加工機床。這是一台（tái）具有位置反饋的雙（shuāng）坐標數控（kòng）車床，可實時改變刀座導軌的轉角θ和半徑 R，實（shí）現非球麵的鏡麵加工。加工直徑達φ380mm，加工工件的形狀精（jīng）度為±O．63μm，表（biǎo）麵粗糙（cāo）度為 Ra0.025μm。
摩爾公司於1980年（nián）首先開發出了用3個坐標控製的M―18AG非球麵加工機（jī）床，這種機床可加工直徑356mm的各種非球麵的金屬反射鏡。
英國 Rank Pneumo公司於1980年向市（shì）場推出了利用激光反饋控製的（de）兩軸聯動加工機床（chuáng）(MSG―325)，該機床可加工直徑（jìng）為350mm的非球麵金屬（shǔ）反射鏡，加工工件形狀精度達 0．25-0.5μm，表麵粗糙度 Ra在0．01-O．025μm之間。隨後又推（tuī）出了ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等機床，該公司又在上述機床的基礎（chǔ）上，於1990年開發出 Nanoform600，該機床能加工直徑為600mm的（de）非球麵反射鏡，加工工件的形狀精度優於（yú）0．1μm，表麵粗糙度優於0．01μm。
代表當（dāng）今員高水（shuǐ）平的超精密金剛石車床是美國勞倫斯（sī）．利弗莫爾（ěr）(LLNL)實驗室於1984年研製成功的 LODTM，它可加工直徑達2100mm，重達（dá）4500kg的工件其加工精度可達0．25μm，表麵粗糙度RaO．0076μm，該機床可加工平麵、球（qiú）麵（miàn）及非球麵，主要用於加工激光核聚變工程所需（xū）的零件、紅外（wài）線裝置用的零件和大型天體反射鏡等。
英國 Cranfield大學精密工程研究所(CUPE)研製（zhì）的大型超精密金剛右鏡麵切削機床，可以加工大型 X射線天體（tǐ）望遠鏡用的非球麵反射鏡(***大直徑可達1400mm，***大長度為600mm的圓錐鏡)。該研（yán）究所還研（yán）製成功了可以加（jiā）工用於（yú） X射線望遠鏡內側回轉拋物麵和外側回轉雙曲麵反射鏡的金剛石切削機床（chuáng）。
日本開發的超精密（mì）加工機床主要是用於加工民用產品（pǐn）所需的透鏡和反射鏡，目前日本製造的加工機床有：東芝機械（xiè）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（jī）床（chuáng）等。
三、非球麵（miàn）零件超精密磨削加工技術
3．1非球麵零件超精磨削（xuē）裝置
英國 Rank Pneumo公司1988年開（kāi）發了改進型（xíng）的 ASG2500、 ASG2500T、Nanoform300機床，這些機床（chuáng）不僅能夠進切削加工，而且也可以用（yòng）金（jīn）剛石砂輪進行磨削，能加工（gōng）直徑為300mm的（de）非球麵金屬反射鏡，加工工件的形狀精度為0．3-O．16μm，表（biǎo）麵（miàn）粗糙度達Ra0．01μm。
***近又（yòu）推（tuī）出 Nanoform250超精密加工（gōng）係統，該係統是一個兩軸超精密 CNC機（jī）床，在該（gāi）機床上既能進行超精密車削又能（néng）進行超揚密磨削．還（hái）能進行超精密拋光。***突出的特點是可以（yǐ）直接磨（mó）削出能達到光學（xué）係統要求的具有光學表麵質量（liàng）和麵型精度的硬脆（cuì）材料光學零（líng）件。該機床采用了許多******的 Nanoform600、Optoform50設計思想，機床***大加工工件直徑（jìng）達250mm，它通過一個升高裝置使機床的***大加工工件直徑達到450mm，另外通（tōng）過控製垂直方向的液體靜壓導軌(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（wèi）置反饋元件（jiàn）采用了（le）分辨（biàn）率為8．6nm的光柵或分辨率為1．25nm的激光（guāng）幹涉（shè）儀，加工工件的（de）麵（miàn）型精度達0.25μm，表麵粗糙度優於 Ra0．01μm。
Nanocentre250、 Nanocentre600是一種三軸超精密 CNC非球麵範成裝置，它可以滿足單點和延性磨削（xuē）兩個（gè）方麵的使用要求，通過合理化機床結構設計、利用高剛度伺服驅動係統和液體靜壓軸承使機（jī）床具有較高的閉環剛度， x和 Z軸的分辨率為1．25nm，這個機床被認為是符合現代工藝規（guī）範的。 CUPE生產的 Nanocentre非球麵光學零件加工機床，加工直徑達（dá）600mm．麵型精度優於0．1μm，表麵粗糙度優於 Ra0.01μm。 CUPE還為美國柯達公司研（yán）究、設計和生產（chǎn）了當今世界上***大（dà）的超精（jīng）密大型 CNC光學零件磨床0AGM2500，該機（jī）床主要用於（yú）光學玻璃等硬脆材料的加工，可加工和測量（liàng）2．5m×2．5m×O．61m的工件（jiàn），它能加工（gōng）出2m見方（fāng）的（de）非對稱光學鏡（jìng）麵，鏡麵的（de）形狀誤差僅為1μm。
日本豐田（tián）工機研製的 AHN60―3D是一台 CNC三維截形磨削和車削機床，它能在 X、 Y、和 Z三軸控（kòng）製下（xià）磨削和車削軸向對稱形狀的（de）光學零件（jiàn），可以在 X、 Y和 Z軸二個半軸控（kòng）製下磨削和車削非軸對稱光學零件，加工工件（jiàn）的截（jié）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)超精密複合加工裝置（zhì），它（tā）用（yòng）分別（bié）控製兩個軸的方法，實現了對非球麵透鏡模具的切削和（hé）磨削，其 X軸和 Z軸的行（háng）程分（fèn）別為150mm和100mm，位置反饋元件是分辨率為0．01μm的光（guāng）柵。
3．2非球麵光學零（líng）件的 ELID鏡麵磨削（xuē）技術
日本學（xué）者大森整等人從1987年對超硬（yìng）磨料砂輪進行（háng）了研（yán）究，開發了使用電解 In Process Dressing(ELID)的磨削法，實現了對硬脆材料高品位鏡麵磨削和延性方式的磨削，現在該方法己成功的應用於球麵、非球麵透鏡、模具（jù）的超精（jīng）密加工。
① ELID鏡麵磨削原理
ELID磨削係統包括：金屬結合劑超微細（xì）粒（lì）度超硬（yìng）磨（mó）料砂輪、電解修整（zhěng）電源、電解修整電極、電解液(兼作磨削液)、接電電刷和機床設備。磨削過程中，砂輪通過接電電刷與電（diàn）源的正極相接，安裝在機（jī）床上的修整電極與電源的負極相接，砂輪和（hé）電極之間澆注電解液，這樣，電源、砂輪、電（diàn）極、砂輪和電（diàn）極之間的（de）電解液形成一個完整的電化學係統。
采用 ELID磨削時，對所用的砂輪、電（diàn）源、電解（jiě）液均有一些特殊要求。要求砂輪的結合劑有良好的導電性和電解性、結合劑元素的氫氧化物或氧化物不導電，且不溶於水，ELID磨（mó）削使用的電源，可以采（cǎi）用電解加工的直流電源或采用各種波形的脈衝電源或直流基量脈衝電源。在 ELID磨削過程中，電解液除作為磨削液外，還起著降低磨（mó）削區溫度和減少摩撩的作用（yòng），ELID磨削一（yī）般采用水溶性磨削（xuē）液，全屬基結合劑砂輪的機（jī）械強度高，通過設定合（hé）適的電解量，砂輪磨損小。同時（shí）能得到高（gāo）的形狀精度。應用這個原理，能實現從平麵到非球麵（miàn），各種形（xíng）狀的光學元（yuán）件的超精密鏡麵磨削。
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、電源（yuán）、電極、磨削液等組成大森整 ELID係統（tǒng）毛（máo）坯粗成形加工時使用400、半（bàn）精加工時使用1000或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（wéi）2μm)的鑄鐵結合（hé）劑金剛石砂輪，電解修銳電源(ELID電源)，使用的（de）是直（zhí）流高頻脈（mò）衝電壓式專用電源，工作電壓為60V，電流為 lOA。所用的磨削液，使用時（shí）要（yào）求（qiú）用純水將（jiāng）水溶性磨削液 AFH―M和 CEM稀釋50倍。
③ ELID鏡麵磨削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（zhù）鐵結合劑金剛石砂輪為φ30×W2mm)進行平砂輪的隻成形體整，作10min的電（diàn）解初期修銳之後（hòu），經過（guò）400的粗磨（mó）和1000的半精加工，***後再用4000進行 ELID鏡麵（miàn）磨削，在（zài）超精密非球麵加工機床上，借助 ELID磨削技術，成（chéng）功地加工出了光學玻璃 BK―7非球麵透鏡。麵型精度達到優於 o．2μm，表麵粗糙度（dù）達Ra20nm，而對於（yú）稍軟如 LASFN30和Ge等材（cái）料的非球麵加工，同樣能達到麵型精度優於 O．2-O．3μm，表麵粗糙度（dù）達 Ra30nm。
四（sì）、非球麵零件的超精（jīng）密拋（pāo）光(研（yán）磨（mó）)技術
超（chāo）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，近年來，由於短波長光學元（yuán）件、OA儀器和 AV機器等的飛速發展，對零件的表麵粗糙度提出了更高的要求，到目前為（wéi）止還沒有比超精密拋光更好的實用的方法，尤其當（dāng）零件的表麵粗糙度要求優於 0．0lμm時，這種（zhǒng）方法是不可缺少的，對（duì）形狀精度（dù）要求很高的工件（jiàn），如果采用強製進給（gěi）的方法進行切削（xuē）或進行磨削時，其形狀精度將直接受（shòu）到機床進給定位（wèi）精度的影（yǐng）響，達到（dào）所在反應（yīng），並由此引起的加工（gōng）作用，在工件表麵（miàn）上存在同樣微小凹的部分，在一般情況下，隻（zhī）能（néng）獲得波紋起伏較大的表麵。
日本（běn）大阪大學工學部森勇芷教授等人利用 EEM開發了一種三軸(x、 z、 C)數控光學表麵範（fàn）成裝置，利（lì）用該裝置加工時，一邊在工件表麵上控製聚胺脂球（qiú）的滯留時間，一邊用聚胺（àn）脂（zhī）球（qiú）掃描加工對象的物全領域，利用該裝置能加（jiā）工高精度的任意曲麵。
五、非球麵零件（jiàn）等離子體的 CVM(Chemical Vaporization Machining)技術
目前廣泛采用的切削、研磨、拋光等機械加工方法（fǎ），由於（yú）加工材料中存在微細裂紋或結晶中的品格缺陷等原因，無論怎樣提高加工精度，改進加工裝置，總存（cún）在（zài）一定的局限性，為（wéi）此，日本大阪大學工學（xué）部森勇正教授提出了一種用化學氣體加工的新的加工工藝方法，稱為等離子 CVM法，這是一種利用原子化學反應（yīng），獲得超精密表麵（miàn）的一（yī）種技術，其加工原（yuán）理和等離子體刻蝕一樣，在等離（lí）子體中（zhōng），被激（jī）活的遊離基和工件表麵原於起反應（yīng），將之變成揮發性分子，並通過（guò）氣體蒸發實（shí）現加工的，在高壓力下所產（chǎn）生的等離子體，能夠（gòu）生成密度非常高的遊（yóu）離基（jī），所以這種加工方法能達（dá）到與機械加工方法相匹敵的（de）加工速度。
目前（qián）公司經營項目有: CNC航空高精密（mì）機械零件加工，CNC航空（kōng）高精密樣機加工、北京不鏽鋼零件加工、各種高精密金屬零件、塑料加工，各種高精密工裝夾具加工、 小批量研（yán）發模型樣機加工製作， 真空批量翻模加工製作， 矽膠，橡膠製作，鈑金製（zhì）作， 鋁合金批量高精密加工製作，批量吸塑製作，產（chǎn）品（pǐn）過uv，產品結構設計，批量噴塗絲印，鐳雕激光打字等等。
在高壓力下，由於（yú）氣體分子的平均自由行程極小，等離子體局限在電（diàn）極附近。所以可（kě）以通過（guò）電極掃描，加工出 O．01μm精度的任（rèn）意（yì）形狀的（de）零件，另（lìng）外可以以50μm／min的速（sù）度（dù）加（jiā）工單晶矽平（píng）麵，加工（gōng）工（gōng）件的表麵粗糙度可（kě）達0.1nm(Rrms)。
下個世紀，在矽芯（xīn）片加工和半導體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，當前有（yǒu）人正在研究通過 CVM和 EEM的組（zǔ）合，加工（gōng）同步加速器（qì）用的（de） X射線反射鏡等原子級平坦的任意曲（qǔ）麵。
六、非球麵（miàn）零件複製技術
用控（kòng）製除去厚度的拋光（guāng）(研（yán）磨)方法能（néng）夠製造出高精（jīng）度的非球麵零（líng）件，但和（hé）一般的光學零（líng）件加工方法相比，這（zhè）種（zhǒng）方法的加工效率很低，解決這個問題的（de）方法之一有複製技術，即塑料注射成形和玻璃的（de）模壓成形技術，這種技術能（néng）夠製造一（yī）部分（fèn）非（fēi）球（qiú）麵透鏡。塑料透鏡注射（shè）成形是將熔化的樹（shù）脂注入（rù）模具內，一邊施加（jiā）壓力，一邊冷卻固化的（de）加工方法，這種方法能夠進行廉價、大批量生（shēng）產，但存在塑料自身的某些（xiē）問（wèn）題，如溫（wēn）度變化、吸濕（shī）導致透鏡折射率的變化。
玻璃的模壓成形是代替切削、磨削、研磨加工透鏡、棱鏡的***佳的小型零件大批量生產方法。模壓（yā）成形技術是將模具內的（de）溫度（dù）控製在衝壓（yā）的玻璃轉移溫度（dù）以上p軟化溫度以（yǐ）下，在模具內，進入有流動（dòng）性（xìng）的玻璃，加壓成形，並（bìng）且保（bǎo）持這種狀態20s以上，直到成形了的玻璃溫度分布均勻化，將模具的形狀精度作到（dào）0．1 μm，表麵粗糙度作到0．01μm以下，在上述條件（jiàn）下加壓成形（xíng），能加工出和模具精度相近的零件。
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