一、概述
1．1非球麵光學（xué）零件的作用
非（fēi）球麵光學零件是（shì）一種非常（cháng）重要的光學零件，常用的（de）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（miàn）光學零件（jiàn）無可比（bǐ）擬的良好的成像質量，在光學係統中能夠很好的矯（jiǎo）正多種像差，改（gǎi）善成像質量，提高係統鑒別（bié）能力，它能以一個或幾個非球麵零件代替多個球麵零件，從而簡化（huà）儀器（qì）結構，降低成（chéng）本並有效的減輕儀器重（chóng）量。
非球麵光學零（líng）件在軍用（yòng）和民用光（guāng）電產品上的應用也很廣泛，如在攝影鏡頭（tóu）和取景器（qì）、電視攝像管、變焦鏡頭、電影放影鏡頭（tóu）、衛星（xīng）紅外望遠鏡、錄像機鏡頭、錄像和錄音光盤讀出頭、條形碼讀出頭、光纖通信的光纖接頭、醫療儀（yí）器等中。
1．2國外非球麵零件的超精密加工技術的現（xiàn）狀
80年代以來（lái），出現了（le）許多種新的非球麵超精密加工技術，主要有：計算機數控單點（diǎn）金剛石車削技術、計算機數控磨削技術、計算機（jī）數控離子束成形技術、計算機數控超精密拋光技術和非球麵複印技術等，這些加工方法，基本（běn）上解決（jué）了各種非球麵鏡加工中所（suǒ）存在的（de）問題。前四種方法運用了數控技術，均具有加工精度較高，效率高等特點，適於批量生產。
進行非球麵零件加工時，要考慮所加工零件的材（cái）料、形狀、精度和口徑（jìng）等因素，對於銅、鋁等軟質材料，可以用單點金剛石（shí）切削（xuē）(SPDT)的（de）方法（fǎ）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，對於其它一（yī）些高硬度的脆（cuì）性（xìng）材料，目前主要是通過超精密磨削和超（chāo）精密研磨、拋光等方法進行加工的（de），另外．還有非球麵零件的特種加工技術如離子束拋光等。
國外許多公司己將超精密車削（xuē）、磨削、研磨以及拋光加（jiā）工集成為一體，並且研製出超精密（mì）複合加工係統，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（dōu）具有複合加工功能，這樣可以（yǐ）便非球麵零件（jiàn）的加工更加靈活（huó）。
1．3 我國（guó）非球麵零件超精密加工技術的現狀
我國從80年代初才（cái）開始超精（jīng）密加工技術的研究，比（bǐ）國外整整落後了20年。近年（nián）來，該項工作開展較好的（de）單位有北京機床研究所、中國航空精密機械研究所、哈爾濱工業大學、中科院長（zhǎng）春光機所應用光學重點（diǎn）實（shí）驗室等。
為更好的開展對此項超精密加（jiā）工技術的研究，國防科工委於1995年在中（zhōng）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（gōng）技術研究的重點實（shí）驗室（shì）。
二、非（fēi）球麵零件（jiàn）超精密切削加工技術
美（měi）國Union Carbide公司於1972年研製成功了 R―θ方式的非球麵創成加工（gōng）機床（chuáng）。這是一台具有位置反饋的雙坐標數控（kòng）車床，可實時改變刀座導軌的轉角θ和半徑 R，實現非（fēi）球麵的鏡麵加（jiā）工。加工直徑達φ380mm，加工工件的形狀精度為±O．63μm，表（biǎo）麵粗糙度（dù）為 Ra0.025μm。
摩爾公司於1980年首先開發（fā）出（chū）了用3個坐（zuò）標控製的M―18AG非球麵加工機床，這種機床可加工直徑356mm的各種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（guāng）反饋控製的兩軸聯動加工機床(MSG―325)，該機床可加工直（zhí）徑為350mm的非球麵金屬反（fǎn）射鏡，加工工件形狀精度達 0．25-0.5μm，表麵粗（cū）糙（cāo）度 Ra在0．01-O．025μm之間。隨後又（yòu）推（tuī）出了ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等機床，該公司（sī）又在上述機床的基礎（chǔ）上，於（yú）1990年開發出 Nanoform600，該機床（chuáng）能加工直徑為600mm的非球（qiú）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。
代表當今員高水平的超精密金剛石車床是美國勞（láo）倫斯．利弗（fú）莫爾(LLNL)實驗室於1984年研製成（chéng）功的 LODTM，它可加工直徑達2100mm，重達4500kg的工（gōng）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（miàn）、球（qiú）麵及非球麵，主要用於加工激光核聚（jù）變工程所需的零件、紅外線裝置用的零件和大型天體反射鏡等。
英國（guó） Cranfield大學精密工程研究所(CUPE)研製的大（dà）型超精密金剛右鏡麵切（qiē）削機床，可以加工大型 X射線天體望遠鏡用的非球麵反射鏡(***大（dà）直徑可達（dá）1400mm，***大長度為600mm的（de）圓錐鏡)。該研究所還研製成功了可以加工用於 X射線望遠鏡內側回轉（zhuǎn）拋物麵和外側回轉雙曲麵反射鏡的金剛石切削機床。
日本開發的超精密（mì）加工機床主（zhǔ）要是用於加工民用產品所需的透鏡和反（fǎn）射鏡（jìng），目前（qián）日本製造的加工機床有：東芝機械研製（zhì）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）床等。
三、非球麵零（líng）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年開發了改進（jìn）型的 ASG2500、 ASG2500T、Nanoform300機床，這些機（jī）床不僅能夠（gòu）進切削加工（gōng），而且也可以用（yòng）金剛石砂輪進行磨削，能（néng）加工直徑為300mm的非球麵金屬反（fǎn）射鏡，加工（gōng）工件的形狀精度為0．3-O．16μm，表（biǎo）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（chāo）精密 CNC機床，在該機床上既（jì）能進行超精密車削又能進行超揚密磨削．還能進行（háng）超精密（mì）拋光。***突出的特點是可以直接磨削出能達到光學係統要求的（de）具有光學表麵質量和麵型精度（dù）的硬脆材料光學零件。該機床采用了許多******的 Nanoform600、Optoform50設計思想，機床***大（dà）加工工件直徑達250mm，它（tā）通（tōng）過一個（gè）升高裝置使機床的***大加工工件直徑達（dá）到450mm，另外通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，位置反饋（kuì）元件采用了（le）分辨率為8．6nm的（de）光柵或分辨率為1．25nm的激光幹涉儀，加工工件的麵型精度達0.25μm，表麵粗糙度優於（yú） Ra0．01μm。
Nanocentre250、 Nanocentre600是一種三軸（zhóu）超精（jīng）密 CNC非球麵（miàn）範成裝（zhuāng）置，它可以滿足單（dān）點和延性磨削兩（liǎng）個（gè）方麵的使（shǐ）用要求（qiú），通過（guò）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床具有較（jiào）高（gāo）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（xiàn）代工藝規範的。 CUPE生產的 Nanocentre非球麵光學零件（jiàn）加工（gōng）機床，加（jiā）工直徑達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究、設計和生產了當今（jīn）世界上***大的超（chāo）精密大型 CNC光學零件磨床0AGM2500，該機床主（zhǔ）要用於（yú）光（guāng）學玻（bō）璃等（děng）硬脆材料的加工，可加工（gōng）和測量2．5m×2．5m×O．61m的（de）工件，它能加工出2m見方的非對稱光學鏡麵，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三維截形（xíng）磨（mó）削和（hé）車削（xuē）機床（chuáng），它（tā）能在 X、 Y、和 Z三軸控製下磨削和車削（xuē）軸向對稱形狀的光學零件，可（kě）以在 X、 Y和（hé） 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)超精密複合加工裝置，它用分別控（kòng）製兩個軸的方法（fǎ），實（shí）現了對非球麵（miàn）透鏡模具的切削和（hé）磨削，其 X軸和（hé） Z軸的行程（chéng）分別為150mm和100mm，位置反饋（kuì）元件（jiàn）是分辨（biàn）率為0．01μm的光柵。
3．2非（fēi）球（qiú）麵光學零件的 ELID鏡麵磨削技術
日本學者大森整（zhěng）等人從1987年對超硬磨料砂輪進行了研究，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（mó）削和延性方式的磨削，現在（zài）該方法己成功的應用於球（qiú）麵、非球麵（miàn）透（tòu）鏡、模具的超精密加工。
① ELID鏡麵磨削原理
ELID磨削係統包（bāo）括：金（jīn）屬（shǔ）結合（hé）劑（jì）超微細粒度超硬磨（mó）料砂輪、電解修整電源、電解修整電極、電解液(兼作（zuò）磨削液)、接電電刷和機床設備。磨削過程中，砂輪（lún）通過接電電刷與電源的正極相接，安裝在機床（chuáng）上的修整電極與電（diàn）源的負極相接，砂輪和電極之（zhī）間澆注電解液，這（zhè）樣，電源、砂輪、電極、砂輪和電極之間的電解液形成一個完整的電化學係統。
采用 ELID磨削時，對（duì）所用的砂輪（lún）、電（diàn）源、電解液均有（yǒu）一些特殊（shū）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（róng）於水，ELID磨（mó）削使用的電源，可以采用電解（jiě）加工的直流電源或采用各種（zhǒng）波形的脈衝電源或直流（liú）基量脈衝電源。在 ELID磨削過程中，電解液除（chú）作為磨削（xuē）液外，還起著降低磨削區溫度和（hé）減少摩撩的作用，ELID磨削一般采（cǎi）用水溶性磨（mó）削液，全屬基結合劑砂輪的機械（xiè）強（qiáng）度高，通過設定合（hé）適的（de）電（diàn）解量，砂輪磨損小。同時能得到高的形狀（zhuàng）精度。應用（yòng）這個原理，能實現從平麵到非球麵，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公司的 ASG―2500T機床上，裝上由（yóu）砂（shā）輪、電源、電（diàn）極、磨削液等組成大森（sēn）整 ELID係統毛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（jìng）約為4μm)或8000(平均粒徑約為2μm)的鑄（zhù）鐵結合劑金剛石砂輪，電解修銳（ruì）電源(ELID電源（yuán）)，使用的是直流高頻脈衝電壓式專用電源，工作電壓（yā）為60V，電流為 lOA。所用的磨削液，使用時（shí）要求用純水將（jiāng）水（shuǐ）溶性磨（mó）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鑄鐵（tiě）結合劑金剛石砂輪為φ30×W2mm)進（jìn）行平砂輪的（de）隻成形體整，作（zuò）10min的電解初期修銳之後，經（jīng）過400的粗磨和1000的半（bàn）精加工，***後再用4000進行 ELID鏡麵磨削，在超精密非球麵加（jiā）工機床上，借（jiè）助 ELID磨削技術，成功地加工出了光學玻璃 BK―7非球麵透鏡。麵型（xíng）精度達（dá）到（dào）優於 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（gōng），同樣能達到麵型精度優於 O．2-O．3μm，表麵粗糙度達 Ra30nm。
四、非球麵零件的超精密拋光(研磨)技（jì）術
超精密拋光是加（jiā）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，到目前為止還沒有比超精密拋光更（gèng）好的實用的方法（fǎ），尤其當零件的（de）表麵粗糙度（dù）要求優於 0．0lμm時，這種方（fāng）法是不可缺少的，對形狀精度要求很高的工件（jiàn），如果采用強（qiáng）製進給的（de）方法進行切削或進行磨削時，其形（xíng）狀精度將直接受到機床進給定位（wèi）精度的影響，達到所在（zài）反應，並由（yóu）此引起的加（jiā）工作用，在工件表麵上（shàng）存在同樣微小凹的部分，在一般情況下（xià），隻能獲得波紋起伏（fú）較大的表麵。
日本大阪大學工學部（bù）森勇芷（zhǐ）教（jiāo）授等人利（lì）用（yòng） EEM開發（fā）了一種三軸(x、 z、 C)數控光學（xué）表麵範成裝置，利用該裝置加工時，一邊在工件表麵上控製聚胺脂球的滯留時間，一邊用聚（jù）胺脂球掃描加工（gōng）對象的物全領域，利用該裝置能加工高精度的任意曲麵。
五、非球麵（miàn）零件等離子體的 CVM(Chemical Vaporization Machining)技術
目前廣泛采用的切削、研（yán）磨、拋光等機械加工方法，由於加工材料中存在（zài）微細裂紋或結晶中的品格（gé）缺陷等（děng）原因，無（wú）論怎樣提高加工精度，改進加工裝置，總存（cún）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了一（yī）種用化學氣體加工的新（xīn）的（de）加工工藝方法，稱為等離子（zǐ） CVM法，這是一種利用原子化（huà）學反應，獲得超精密表麵的（de）一種技術，其加工原理和等離子體刻蝕一樣，在等離子（zǐ）體中，被激活的（de）遊離基和工件表麵原於起反應，將之變成揮發性（xìng）分子，並通過氣體蒸發實現加工的，在高（gāo）壓力下所產生的等離子體，能夠生成（chéng）密度非常高（gāo）的遊離基，所以這種加（jiā）工方法能達到與機械加工方法相匹敵（dí）的加工速度。
目前公司經營項（xiàng）目有: CNC航空高精密機械零件加（jiā）工，CNC航空高精密樣機加工、北京不（bú）鏽鋼零件加工、各種高精密金屬零件、塑料加工，各種（zhǒng）高精（jīng）密工裝（zhuāng）夾具加工、 小批量研發模型樣機加工製作， 真空批量翻模加（jiā）工製作， 矽膠，橡膠製作（zuò），鈑金製作， 鋁合金批量高精密（mì）加工製作，批量吸塑製（zhì）作，產品過（guò）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（yóu）於氣體分子的（de）平（píng）均（jun1）自由行程極小，等離子體局限在電極附近。所以可（kě）以（yǐ）通過電極掃描，加（jiā）工出 O．01μm精度的任意形狀的（de）零件，另外可以以50μm／min的速度加工單晶矽平麵，加工工件的表麵（miàn）粗糙度可達0.1nm(Rrms)。
下個世（shì）紀，在矽（guī）芯片加工和（hé）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，當前有人正在研究（jiū）通（tōng）過（guò） CVM和 EEM的組合，加工同步加速器用的 X射線反射鏡等原子級平坦的任意曲麵。
六、非球麵零件複製技術
用控製除去厚度的拋（pāo）光(研磨)方（fāng）法（fǎ）能（néng）夠製造出高精度的非球麵（miàn）零（líng）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很低，解決這（zhè）個問題的方法之一有複（fù）製技術，即（jí）塑料注射成形和玻璃的模壓成形（xíng）技術，這種技術能夠製造一（yī）部分非球麵透鏡。塑料透鏡注射成形是將熔化的樹脂注入模具內（nèi），一邊施加壓力，一邊冷卻固化的加工方法，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（wèn）題，如（rú）溫（wēn）度變化、吸（xī）濕導致透鏡折射率的變化。
玻璃的模壓成形是代替切削、磨（mó）削、研磨加工（gōng）透鏡、棱鏡的***佳的小型零件大批量生產方法。模壓成形技術是將（jiāng）模（mó）具（jù）內的（de）溫度控製在衝壓的玻璃轉移溫度以上p軟化溫度以下，在（zài）模具內，進入有流動性（xìng）的玻璃，加壓（yā）成形，並且保持這種狀態20s以上，直到成形（xíng）了的玻璃（lí）溫度分布均勻化，將模（mó）具的形狀精度作到0．1 μm，表麵（miàn）粗糙度作（zuò）到0．01μm以下，在上述條件下加壓成形（xíng），能（néng）加工出和模具精度相近（jìn）的零件。
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