1.1非（fēi）球麵光學零件的作用
非球麵光（guāng）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（miàn）鏡等。非球麵光學零件可以獲（huò）得球麵光學零件無可比擬的良好的成像質量，在光學係統中能夠很好的矯正多種（zhǒng）像差，改善（shàn）成像質（zhì）量，提高係統鑒（jiàn）別能力（lì），它（tā）能（néng）以一個或幾個非球麵零件代替（tì）多個球麵零（líng）件，從而（ér）簡化（huà）儀（yí）器結構，降低成本並有效的減輕儀器重量。
非球麵光學零（líng）件在軍用和民用光（guāng）電產品上的應用也很廣泛，如在攝影鏡頭和取景器、電視攝像管、變焦鏡頭（tóu）、電（diàn）影放影鏡頭、衛星（xīng）紅外望遠鏡、錄像機鏡頭、錄像和錄音光盤（pán）讀出頭、條形碼讀出（chū）頭、光纖通信的光纖接頭、醫療儀器等（děng）中。
1.2國外非球麵零件的超（chāo）精密加工技術（shù）的現狀
80年代以來，出（chū）現（xiàn）了許多種新的非球麵超精密加工技術，主要有：計算機（jī）數控單點金剛石車削技術、計算機數控磨削技術、計算機數控離子束成形（xíng）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，基本上解決了各種非（fēi）球麵鏡加工中（zhōng）所存在的問題。前四種方法運（yùn）用了數控技術，均具有加工精度（dù）較高，效率（lǜ）高等特點，適於批量生產。
進行非球麵（miàn）零件（jiàn）加工時，要考慮所加工零件的材料、形狀、精度（dù）和口徑等因素，對於銅、鋁（lǚ）等軟質材料，可以用單點金剛石切削(SPDT)的方法進行超精加（jiā）工，對於玻（bō）璃或塑料等，當前主要采（cǎi）用先超精密加工其模具，而後再用成形法（fǎ）生（shēng）產非球麵零件，對於其它一些高硬度的脆（cuì）性材料（liào），目前主要是通過超精密磨削和超（chāo）精密研磨、拋光（guāng）等方法進行加工的，另外.還有非球麵零件（jiàn）的特種加工技術如離子束（shù）拋光等。
國外許多公司己將超精密車（chē）削、磨削、研磨以及拋光加工集成為一體，並且（qiě）研製出超（chāo）精密複合（hé）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（yī）100A(H)都具有（yǒu）複合加工功能，這樣可（kě）以便非球麵零件的加工（gōng）更加（jiā）靈活。
1.3我（wǒ）國（guó）非（fēi）球麵零（líng）件超（chāo）精密（mì）加工技術（shù）的現狀
我國從80年代初才開始超精密加工技術的研究，比國外整整（zhěng）落後了（le）20年。近年來（lái），該（gāi）項工作開展（zhǎn）較好的單位有北京機床研究所、中國航空精（jīng）密機械研究所、哈爾濱工業大學、中科（kē）院長春光機所應用光學重（chóng）點實驗室等。
為更好的開展對此項超精密加工技（jì）術的研究，國防（fáng）科工（gōng）委於1995年在中（zhōng）國（guó）航空精密（mì）機械研究所首先（xiān）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（shù）
美國Union Carbide公司於1972年研製成功了R―θ方式的非球麵創成加工機床。這是一台具有位（wèi）置反饋的（de）雙坐標數控車床，可實時改（gǎi）變刀座導軌的轉角θ和（hé）半（bàn）徑R，實現（xiàn）非（fēi）球（qiú）麵的鏡麵加工。加工（gōng）直徑達φ380mm，加工工件的形狀精度（dù）為±O.63μm，表麵粗糙度為Ra0.025μm。
摩爾公司於1980年首先開發出了用3個坐標控製的M―18AG非球麵加工（gōng）機床，這種機床可加工直徑356mm的各種（zhǒng）非球麵（miàn）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兩軸聯動加工機床(MSG―325)，該（gāi）機床可加工（gōng）直徑為350mm的非球麵金屬反射鏡，加工工件形狀精度達0.25-0.5μm，表麵粗糙度Ra在（zài）0.01-O.025μm之間。隨後又推出了ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等（děng）機床，該公司又在上述（shù）機床的基礎上，於1990年開（kāi）發出Nanoform600，該機床能加（jiā）工直徑為600mm的非球麵反射鏡，加工工（gōng）件的形狀精度優於0.1μm，表麵粗糙度（dù）優於0.01μm。
代表（biǎo）當今員高水平的超精密金剛石車床是美國勞倫斯.利（lì）弗莫爾(LLNL)實（shí）驗室於1984年研（yán）製成功的LODTM，它可（kě）加（jiā）工直徑達2100mm，重（chóng）達4500kg的工件其加工精度可達0.25μm，表麵粗糙（cāo）度RaO.0076μm，該機床（chuáng）可加工平麵、球麵及非球麵，主要用於加工激光（guāng）核聚變工程所需的零件、紅（hóng）外（wài）線裝置用的零件（jiàn）和大（dà）型天體反射鏡等。
英國（guó）Cranfield大學精密工程研究所(CUPE)研製的大型超精密金剛右鏡麵切削機床，可以加工大（dà）型X射線天體望遠（yuǎn）鏡（jìng）用的（de）非球麵反射鏡(***大直徑可（kě）達1400mm，***大長度為600mm的圓錐鏡)。該研究所還研製成功了可以加工用於X射線望（wàng）遠鏡內側回（huí）轉拋物麵和外側回（huí）轉雙曲麵反射鏡的金剛石切削機床。
日（rì）本開發的（de）超精密加工機床主要是用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（fēi）球麵加工（gōng）機床等。
3.非球麵零件超（chāo）精密磨削加工技術
3.1非球麵零（líng）件超精（jīng）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的非球麵金（jīn）屬反射鏡（jìng），加工工件的形狀精度為0.3-O.16μm，表麵粗糙度達Ra0.01μm。***近又推出Nanoform250超精密（mì）加工係（xì）統，該係統是一個兩軸超精密CNC機床，在該機床上既能（néng）進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（de）特點是可以直（zhí）接磨（mó）削（xuē）出能達到光學係統要求的具有光學表麵質量（liàng）和麵型（xíng）精度的硬脆材料光學零件。該機床采用了許多******的Nanoform600、Optoform50設計思想（xiǎng），機床（chuáng）***大（dà）加工工件直徑達250mm，它通過一個升高裝置使機床的***大加工工件直徑達到450mm，另外通過控製垂直方向的（de）液體靜壓導軌(Y軸)還能（néng）磨削（xuē）非軸（zhóu）對稱（chēng）零件，機床數控係（xì）統的分辨率達O.001μm，位置反饋元件采用了分辨（biàn）率為8.6nm的光柵或分辨率為1.25nm的激（jī）光幹（gàn）涉儀，加工工件的麵型精度達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兩個方麵的使用要求，通過合理化機床結構（gòu）設計、利用高剛（gāng）度伺服驅動係（xì）統和（hé）液（yè）體靜壓軸承使機床具有較高的閉（bì）環剛度，x和（hé）Z軸的分辨率為1.25nm，這（zhè）個機床被認為是符合現代工藝規範的。CUPE生產的Nanocentre非球麵光學零件加工（gōng）機床，加工直（zhí）徑達600mm.麵型精度優於（yú）0.1μm，表麵粗糙度（dù）優於Ra0.01μm。CUPE還為美國柯達公司研究、設計（jì）和生產了當（dāng）今世界上***大的超精密（mì）大型CNC光學零件磨床0AGM2500，該機床主要用於光學玻璃（lí）等硬脆材料的加工（gōng），可（kě）加工和測量2.5m×2.5m×O.61m的工件（jiàn），它能加工出（chū）2m見方的非對稱光學鏡麵，鏡麵（miàn）的形狀誤差僅（jǐn）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，它能在X、Y和Z三軸控製下磨削和車（chē）削軸（zhóu）向對稱（chēng）形狀的光學零件，可以在X、Y和Z軸二個半（bàn）軸控製下磨（mó）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（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（fèn）別為150mm和100mm，位置反（fǎn）饋元件是分辨（biàn）率為0.01μm的光柵。
3.2非球麵光學零件的ELID鏡（jìng）麵磨削技術
日本學者大森整（zhěng）等人從1987年（nián）對超硬磨料砂輪進行了研究（jiū），開發了使用電解In Process Dressing(ELID)的磨削法（fǎ），實現了對硬脆材料高品位鏡（jìng）麵磨削和延性方式的（de）磨削，現（xiàn）在該方法己成功的應用於球麵、非球麵透（tòu）鏡、模具的超精密加工。
①ELID鏡麵磨削原理
ELID磨削係統包括：金屬結合劑超微細粒度超硬磨料砂輪、電解修整電源、電解修整電極、電解液(兼作磨削（xuē）液)、接電電刷和機床設備。磨削過程中，砂輪通過接電電刷（shuā）與（yǔ）電源的正極相接，安裝在機床（chuáng）上的修整電（diàn）極與電源的負極（jí）相接，砂輪和電極之間澆注電解液，這樣，電源、砂輪、電極（jí）、砂輪和電極之間的電解（jiě）液（yè）形成一個完整的電化學係統。
采用ELID磨削時，對所用的（de）砂輪、電源、電解液均有一（yī）些（xiē）特殊要求（qiú）。要求砂輪（lún）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（yú）水，ELID磨削使（shǐ）用的電源，可以采用電解（jiě）加工的直流電源或采（cǎi）用各種波（bō）形的脈衝電源（yuán）或直流（liú）基（jī）量脈衝電源。在ELID磨削過程中，電解液除作為磨削液外（wài），還起著降低磨削區（qū）溫度和減少摩撩的作（zuò）用（yòng），ELID磨削一般采用水溶（róng）性磨削液，全（quán）屬基結合劑砂輪的機械強度高，通過設（shè）定合適的電解量，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公司的ASG―2500T機床上，裝上由砂輪、電源、電極（jí）、磨削液（yè）等組成大森整ELID係統毛坯粗成形加工時使用400、半精加工時使（shǐ）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（lì）徑約為2μm)的鑄鐵結合（hé）劑金剛石砂（shā）輪（lún），電解修銳（ruì）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，電流為lOA。所用的磨削液（yè），使用時要求用純水將水溶（róng）性磨削液AFH―M和（hé）CEM稀釋（shì）50倍。
③ELID鏡麵磨削實驗方法（fǎ）和實驗結（jié）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（jìn）行平砂輪的隻成形體整，作10min的電解初期修銳之後（hòu），經過400的粗磨和1000的半（bàn）精加工，***後再用4000進行ELID鏡麵磨削，在超精密非球麵加工機床（chuáng）上，借助ELID磨削技術，成功地（dì）加工出了光（guāng）學玻璃BK―7非球麵透鏡。麵型精度達到優於o.2μm，表麵粗糙度達Ra20nm，而對於（yú）稍軟如（rú）LASFN30和Ge等材料（liào）的非球麵（miàn）加工，同樣能達到（dào）麵型精度優於（yú）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（mó）)技術
超精密拋光（guāng）是加工（gōng）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（guāng）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（wéi）止還（hái）沒有比超精密拋光（guāng）更好的（de）實用的方法（fǎ），尤其當零件的表麵粗糙度要求優於0.0lμm時，這種方法是（shì）不（bú）可（kě）缺少（shǎo）的，對形狀精度要求很高的工（gōng）件，如果采用強製（zhì）進給的方法進行切削或進行磨削時，其形狀精度（dù）將直接受到機床進給（gěi）定位（wèi）精度的影響，達到所在（zài）反應，並由此引起（qǐ）的（de）加工作用，在工件表麵上存在同樣微小凹的部分，在一般情（qíng）況下，隻能獲得波紋起伏較大的表麵（miàn）。
日本大阪（bǎn）大（dà）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（chéng）裝置，利（lì）用該裝置加工時，一邊在工件表麵上控製（zhì）聚胺脂球的滯留時間，一邊用聚胺脂球掃描加工（gōng）對象的物全領域，利用該裝置能加工高精度的任意曲麵。
5.非球麵零件等離子體的CVM(Chemical Vaporization Machining)技術
目前廣泛采用的（de）切（qiē）削、研磨、拋光等機械加工方法，由於加工材料中存在微細裂（liè）紋或結晶中的品格缺陷（xiàn）等（děng）原因，無論怎樣（yàng）提高加工精度，改進加（jiā）工裝置（zhì），總存在一定的局限性，為（wéi）此，日本大阪大學（xué）工學部（bù）森勇正教授提（tí）出了一（yī）種用化學氣體加工的（de）新的加工（gōng）工藝方法，稱為等離子CVM法，這是一種（zhǒng）利用原子化學反應，獲（huò）得超精密表麵的一種技術，其加工原理和等離子體刻蝕一樣，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（zài）高壓力下所產生的等離子體，能夠生成（chéng）密度非常高的遊離基，所（suǒ）以這種（zhǒng）加工方法能達到（dào）與機械加（jiā）工方法相匹敵的加工速度。在高壓力下，由於氣體分子的平均自由行程極小，等（děng）離子（zǐ）體局限在電極附（fù）近。所（suǒ）以可以通（tōng）過（guò）電極掃描，加工出O.01μm精度的任意形狀的零件，另外可以以50μm／min的速度（dù）加工單晶矽（guī）平麵，加工工件的表麵粗（cū）糙度可（kě）達0.1nm(Rrms)。
下個世紀，在矽芯片加工和半導體曝光裝置用的非球麵透鏡加工（gōng）等很多領域中，將應用CVM技術，當前有人正（zhèng）在（zài）研究通過CVM和（hé）EEM的組合，加工同步加速器用的X射線（xiàn）反射鏡等原子級平坦的任意曲麵。
6.非球麵零件複製技術
用（yòng）控製除去厚度的（de）拋光(研磨)方法能夠製造出高精度的非球麵（miàn）零件，但和（hé）一般的光學零件加（jiā）工方法相比，這種（zhǒng）方法的加工效率（lǜ）很（hěn）低，解決這個（gè）問題的方法之一有複製技術，即塑料注射成形和玻璃的模壓成（chéng）形技術，這（zhè）種技術能夠（gòu）製造一部分非球麵透鏡。塑料透鏡注射成形是將熔化的樹（shù）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、大批量生產，但存在塑（sù）料自身的某些問題，如溫度變化、吸濕導致透鏡折射（shè）率的（de）變化。
玻璃的模壓成（chéng）形是代替切削、磨削、研磨加工透鏡、棱鏡的***佳的（de）小型零件大批量生產方法。模壓成形（xíng）技術是將（jiāng）模具內的溫度（dù）控製在衝壓的玻（bō）璃轉移溫度以上p軟化溫度以下，在模具內，進入（rù）有流動性的玻璃，加壓（yā）成形，並且保持這種狀態20s以上，直到成形了的玻璃溫度分（fèn）布均勻（yún）化，將模具的形狀精度作（zuò）到0.1μm，表麵粗糙（cāo）度作到（dào）0.01μm以下，在上述條件下加壓成形，能加工出和模具精度相近的零件。
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