摘要：敘述了激光核聚變、大型非球面和共形光學(xué)零件的超精密加工技術(shù);將超精密切削、磨削、計(jì)算機(jī)數(shù)控拋光和連續(xù)拋光技術(shù)結(jié)合起來,成功地應(yīng)用于激光核聚變光學(xué)零件的超精密、批量制造;分析了研制大型非球面光學(xué)零件超精密加工裝置應(yīng)該解決的關(guān)鍵問題,并提出了解決方法。

關(guān)鍵詞：光學(xué)零件 非球面 共形光學(xué) 超精密加工

超精密加工技術(shù)廣泛應(yīng)用于國家重大型號工程，例如激光核聚變磷酸二氫鉀( Potassium Dihydrogen Phosphate ，KDP) 晶體及聚焦透鏡，航天某型號大型平面反射鏡，國家重點(diǎn)型號大型拋物面鏡以及大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡( The Large Sky Area Multi-Object Fiber Spect roscopic Telescope ， LAM-OST) ，國家重大科學(xué)工程中的反射鏡等。為獲得高質(zhì)量影像，縮小體積，減輕重量，很多武器裝備都采用非球面光學(xué)零件；為進(jìn)一步提高視場與分辨率的發(fā)展需要，光學(xué)零件的尺寸也愈來愈大；為減小武器的運(yùn)動阻力及提高武器的隱身性能，現(xiàn)有的發(fā)展趨勢是使用共形光學(xué)(Conformal Optics) 零件代替球面光學(xué)零件。

1 激光核聚變光學(xué)零件超精密加工技術(shù)

我國正在研制的激光核聚變裝置需要大量的高精度、大口徑光學(xué)元件，要按期、保質(zhì)、保量地制造這些光學(xué)元件，必須突破現(xiàn)有的工藝水平，采用高效的先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)。借鑒美國國家點(diǎn)火裝置(National Ignition Facility ，NIF) 的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國的實(shí)際情況，將超精密加工技術(shù)應(yīng)用到激光核聚變光學(xué)元件的精密制造中。

1.1 大口徑平面光學(xué)元件超精密加工

激光核聚變裝置中的光學(xué)元件大多數(shù)是矩形、方形或多邊形的，同圓形元件相比，這些元件的加工具有明顯的邊緣效應(yīng)(特別是角上) 。就目前的技術(shù)水平而言，要達(dá)到工程所要求的透射波前( P - V 值( Peak to Valley ，即峰- 谷值) ， λ/ 6 ) 和反射波前( P - V 值，λ/ 4) 是比較困難的，必須采用先進(jìn)制造技術(shù)。

大量試驗(yàn)證明，電解在線修整磨削法( Elect rolytic In-Process Dressing ，EL ID) 的生產(chǎn)效率明顯高于傳統(tǒng)研磨工藝，該工序有望取代傳統(tǒng)拋光前的粗加工———銑磨和粗拋，唯一的缺點(diǎn)是精度略低(相對于精密拋光) 。

使用小工具數(shù)控拋光加工340 mm ×340 mm ×60 mm的平面反射鏡，初始反射波前誤差為3. 5λ( P -V 值，λ = 0. 632 8μm) ，經(jīng)過僅30 h 的拋光，反射波前誤差P - V 值收斂至0. 26λ ，均方根值為0. 035 λ ，如圖1 所示(圖中標(biāo)尺列出的“+ 、- ”值應(yīng)當(dāng)用不同的色彩表示，黑白照無法區(qū)分，只是一個(gè)示意圖) 。從圖中明顯地看到通常所說的“碎帶”誤差，在強(qiáng)激光系統(tǒng)中，這種高頻誤差必須嚴(yán)格控制。因此這種工藝方法不能作為強(qiáng)激光系統(tǒng)光學(xué)元件的最終加工。

在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，利用連續(xù)拋光技術(shù)加工的大口徑光學(xué)元件的精度能夠滿足工程要求，但存在的問題是加工周期長，對人的依賴性太強(qiáng)。

上述3 種技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，都不能單獨(dú)滿足工程的需要。將這3 種技術(shù)合理地結(jié)合起來，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，就能夠滿足工程的需要。具體思路是首先采用EL ID 磨削技術(shù)，將光學(xué)元件毛坯精密磨削到1λ以內(nèi)；然后用數(shù)控加工機(jī)床修正局部誤差，將光學(xué)元件加工到工程所要求的面形精度；最后使用大型環(huán)拋機(jī)，將光學(xué)元件精密拋光至工程要求，這一工序主要解決表面粗糙度和波紋度的問題。

1.2 KDP 晶體超精密加工

激光核聚變KDP 晶體加工通常采用超精密切削的方法，NIF 裝置中KDP 晶體尺寸是450 mm ×450mm ，透射波前是λ/ 4 。我國現(xiàn)在還沒有能加工出這個(gè)精度的機(jī)床，而且KDP 晶體不能像其他光學(xué)元件那樣采用手工修研的辦法來加工，所以必須研制自己的KDP 晶體超精密加工機(jī)床。圖2 是240 mm ×240 mmKDP 晶體的加工樣品，從圖中可以看出明顯的加工痕跡，這種刀痕給晶體的透射波前添加了小尺寸的周期性擾動，是必須抑制的制造誤差。筆者經(jīng)過研究認(rèn)為主要是由工作臺和進(jìn)給絲桿之間的傳遞誤差引起的。研制新機(jī)床時(shí)，一定要研制新的進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)，以減少KDP 晶體的波紋度。

1.3 方形非球面透鏡超精密加工

大口徑方形非球面透鏡的高精度加工一直是光學(xué)加工領(lǐng)域的重大難題，國內(nèi)僅有少數(shù)單位從事這方面的研究，積累的經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)較少，僅能滿足單件生產(chǎn)的需要。為了解決方形非球面透鏡的加工問題，我們從以下3 方面進(jìn)行研究：

(1) 按傳統(tǒng)方法加工以方形透鏡對角線為直徑大小的圓形透鏡，透鏡滿足工程技術(shù)要求后，再切割成所需尺寸的方形透鏡(即先加工后切割) 。

(2) 將滿足尺寸要求的方形材料拼合粘接成圓形工件后，按圓形非球面透鏡加工方法加工到滿足工程指標(biāo)要求后脫膠，得到要求的方形透鏡(即先切割后加工) 。

(3) 因?yàn)榉叫畏乔蛎嫱哥R不能用手工方法修磨，所以必須采用先進(jìn)的制造技術(shù)———計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成形技術(shù)，根據(jù)定量測量的面形數(shù)據(jù)，建立加工過程的控制模型，并在工件表面精確定位后，通過控制材料的去除量實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件表面的精密加工。

2 大型光學(xué)零件超精密加工技術(shù)

2.1 研究工作現(xiàn)狀

超精密加工分兩大類：一類采用運(yùn)動復(fù)印原理，另一類采用壓力復(fù)印原理?；谶\(yùn)動復(fù)印原理的超精密機(jī)床有美國的大型光學(xué)零件金剛石立式車床(LODTM) 和英國的超精密大型CNC 光學(xué)零件磨床(OAGM2500) ；基于壓力復(fù)印原理的技術(shù)有計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面(CCOS) 成形技術(shù)，1994 年Tinsley 公司與Itek、Eastern - Kodak 等公司合作，利用CCOS 技術(shù)完成了對哈勃望遠(yuǎn)鏡主鏡的修復(fù)工作，加工出的非球面校正鏡修正了主鏡制造過程中的誤差，提高了成像質(zhì)量。我國大型非球面的加工能力與發(fā)達(dá)國家相比有較大差距，目前，大多數(shù)大型非球面光學(xué)元件用經(jīng)典研磨拋光的方法制造。長春光機(jī)所研制了FSGJ - 1 型數(shù)控非球面光學(xué)加工中心，它集銑磨成形、磨邊、精磨拋光和檢測于一體，最大加工直徑為800 mm ，面形誤差小于30 nm ( 均方根值) ， 表面粗糙度值小于Ra 2nm。

2.2 超精密切削和磨削

根據(jù)國家武器、背景項(xiàng)目及將來型號發(fā)展的需求，我國正集中全國有優(yōu)勢的單位聯(lián)合攻關(guān)，研制大型非球曲面超精密加工裝置，裝置具有金剛石車削、銑削、磨削和檢測功能。金剛石車削裝置用于加工各種金屬反射鏡；超精密銑削裝置主要用于核聚變KDP 晶體和鈹鏡等平面類零件的加工；超精密磨削裝置用于強(qiáng)激光裝置中大型非球面的加工。#p#分頁標(biāo)題#e#

在設(shè)計(jì)機(jī)床時(shí)，需要根據(jù)機(jī)床最終加工工件的精度要求，合理分配各部件的精度。因?yàn)楣ぜ叽绱?，熱量引起的變形將?yán)重影響裝置的總體精度，所以一方面要在裝置的關(guān)鍵部件，特別是發(fā)熱源處，加恒溫水(或油) 冷卻并進(jìn)行溫度控制，以減少熱變形的影響；另一方面可采用誤差補(bǔ)償技術(shù)，以提高機(jī)床精度，這樣便能適當(dāng)降低機(jī)床零部件的設(shè)計(jì)精度。

對于大口徑光學(xué)元件，必須考慮支撐方式和重力變形引起的誤差，利用有限元分析技術(shù)研究支撐方式及重力變形對加工精度的影響。

在設(shè)計(jì)超精密銑削時(shí)，必須考慮以下幾個(gè)問題：

(1) KDP 晶體的特殊加工要求，根據(jù)晶體的各向異性特點(diǎn)，確定正確的加工方式； (2) 正確理解透射波前的概念，根據(jù)工件的透射波前，確定合適的機(jī)床零部件精度； (3) 為解決KDP 晶體加工過程中出現(xiàn)的擾動(見圖2) ，在設(shè)計(jì)機(jī)床時(shí)要合理設(shè)計(jì)機(jī)床的驅(qū)動機(jī)構(gòu)。

2.3 超精密計(jì)算機(jī)控制拋光

超精密EL ID 磨削技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制拋光技術(shù)相結(jié)合，可以解決大型玻璃非球面零件的超精密加工問題。為了同上述大型非球曲面超精密加工裝置相配套，我國正在研制五軸聯(lián)動的計(jì)算機(jī)控制拋光裝置，裝置的最大加工直徑為1 300 mm ，主要用于解決大型光學(xué)零件的最終拋光問題，面形精度為λ/ 20 (均方根值) ，表面粗糙度值為Ra 1 nm。

在超精密加工領(lǐng)域，可以說如果沒有先進(jìn)的檢測技術(shù)就沒有超精密加工技術(shù)。我國以前從國外引進(jìn)的設(shè)備就是由于檢測裝置的不配套，沒有發(fā)揮原引進(jìn)設(shè)備的優(yōu)越性。CCOS 技術(shù)優(yōu)越于傳統(tǒng)手工加工的重要標(biāo)志就是它有定量的檢測結(jié)果作為指導(dǎo)，所以必須研究超精密拋光用在線定量檢測技術(shù)，檢測系統(tǒng)的精度為λ/ 40 。

數(shù)控拋光由于使用了比被加工元件外形尺寸小得多的拋光磨頭，被加工表面呈現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)方法加工表面的特征，表面面形中包含了較多的中高頻成分(從圖1 中可以明顯地看出) ，所以應(yīng)該重點(diǎn)研究拋光磨頭的軌跡規(guī)劃和加工工藝的優(yōu)化，以降低被加工表面中的中高頻誤差。由于被加工工件的尺寸太大，需要研究被加工零件本身重量對工件精度的影響。

3 共形光學(xué)元件超精密加工技術(shù)

最近美國發(fā)現(xiàn)一種高性能任意形狀的光學(xué)零件，比球面、平面、輕度非球面具有更好的空氣動力性能，它就是共形光學(xué)零件。共形光學(xué)指的是設(shè)計(jì)、制造和使用既不是平面也不是球面的光學(xué)窗口和整流罩，包括軸對稱和非軸對稱零件，以及與非球面、球面、圓柱面、圓錐面、平面和尖頂形狀組合的零件。

飛機(jī)的光學(xué)窗口和導(dǎo)彈上的整流罩安裝有光學(xué)系統(tǒng)，用于導(dǎo)航、跟蹤和偵察，其形狀一般為球面和平面，這有一定的阻力。以前，設(shè)計(jì)師對此沒有別的選擇，但現(xiàn)在可以采用共形光學(xué)零件，它能夠優(yōu)化飛機(jī)外形以符合動力性能要求，顯著減小阻力；同時(shí)能優(yōu)化飛機(jī)形狀，以使雷達(dá)上的(或用其他方法檢測出的) 反射截面積最小，從而具有更好的隱身性能；共形光學(xué)元件替代球面光學(xué)窗口還能夠提供大的視場。

美國為了加工這種新型光學(xué)零件，專門研制了新的超精密機(jī)床Nanotech 500FG，該機(jī)床是一計(jì)算機(jī)數(shù)控、多軸、超精密加工系統(tǒng)，能夠加工任意形狀的共形光學(xué)表面，加工工件的最大尺寸為250 mm ×250 mm×300 mm。機(jī)床具有多軸磨削和金剛石車削的能力，能夠加工大離軸扇形零件，實(shí)現(xiàn)了延性方式超精密磨削(Ductile Grinding) ，加工工件具有光學(xué)表面質(zhì)量，通常很少需要或不需要后續(xù)拋光。為了同該機(jī)床配套，還使用了磁流體拋光(MRF) 技術(shù)和可測量自由曲面的納米級測量精度的坐標(biāo)測量機(jī)。使用該機(jī)床能夠直接磨削出共形光學(xué)零件，加工零件的面形精度優(yōu)于0. 375μm( P - V 值) ，表面粗糙度優(yōu)于Ra0. 002 7μm。

4 我國超精密加工技術(shù)的發(fā)展方向

國內(nèi)從20 世紀(jì)80 年代初開始超精密加工技術(shù)的研究，先后從國外引進(jìn)了Taylor Hopson 公司的超精密機(jī)床MSG- 325 、Nanoform 300 和Nanoform 250 ；同時(shí)北京機(jī)床研究所、北京航空精密制造研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位相繼研制成功超精密機(jī)床；長春光機(jī)所研制了FSGJ - 1 數(shù)控非球面光學(xué)加工中心。但總體來說與世界先進(jìn)水平還有一定差距，所以現(xiàn)正集中全國力量攻關(guān)，研制大型光學(xué)零件超精密加工裝置。

超精密加工技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向是大型非球面零件超精密加工；另一發(fā)展方向是共形光學(xué)零件超精密加工，它廣泛應(yīng)用于國防工業(yè)，能夠大大提升武器的綜合性能，而能夠加工共形光學(xué)元件的超精密機(jī)床，國外對我國是禁運(yùn)的。所以為提高我國超精密加工技術(shù)水平，滿足航空、航天、武器等國防現(xiàn)代化的需要，必須研制自己的下一代共形光學(xué)元件超精密加工機(jī)床。