小半径柱面镜光学加工工艺研究

摘要：针对某新型导弹激光系统提出的小半径柱面镜，通过对传统柱面镜加工方法的综合分析比较，选择合适的加工方法、用不同抛光模层进行抛光比较，对多种分离器材料和分离器槽的长短、模具的摆动幅度等进行工艺试验，使小圆棒柱面镜的表面粗糙度最小值达到Ra 0.005 m，优于设计图纸表面粗糙度Ra 0.01 m的要求，后续再磨去多余的半个圆柱，形成并达到平面的技术要求，满足了此半圆柱状的小半径柱面镜全部技术条件，形成稳定批产加工能力。

关键词：物理光学；非球面；柱面镜；抛光

引言

随着军方对武器装备产品性能需求的不断提高，武器装备对光学系统的要求也不断提高。正因非球面光学零件可以获得球面光学零件无可比拟的良好的成像质量，用一个或几个非球面零件代替多个球面零件，在光学系统中能够很好地简化组件结构，有效地减轻组件质量，并矫正多种像差，改善成像质量，提高系统鉴别能力，从而提高其光学性能。柱面镜是非球面透镜中常见的一种，其与子午)弧矢截面的交线分别为两圆弧的交线与两平行的直线，两截面成像性质若分别用球面系统来描述，则一个截面有光焦度，而另一截面是无光焦度的，当一平行激光束通过柱面镜时，可以使焦点沿一个方向拉开成一条线，柱面镜的这一特性在某些特殊场合有其特定的用途。如最新某型导弹的激光系统中，就采用了多个半径R1mm的小半径柱面镜参与成像。

1 柱面镜加工方法综述

1.1 粗磨

通常小半径柱面镜的粗磨，是将方形毛坯胶到胎具上，组成圆柱体后加工外圆获得柱面。厚度等于或大于柱面曲率半径R的零件，一般先粗磨成整体圆柱，待精磨、抛光完工后再磨去多余部分。圆柱的粗磨可用常规外圆磨床，较小直径的圆柱可用无心磨床。当柱镜数量不多时，也可先用手工在粗磨机上磨去方形毛坯的四角，然后将圆柱安装在仪表车床的主轴上，再在车床刀架上安装与水平面倾斜成一定角度的平铁板来加工外圆。平板宽度约为柱体长度的1/5~2/5，并应通过手动或附加的连杆机构做左右运动。中等以上曲率半径的柱面镜的粗磨可利用铣磨机成形。

1.2 精磨

小半径柱面镜的精磨，当数量不多时，仍可采用手工加仪表车床的方法，仅换用精磨磨料而已。当数量较多时，可用上、下平模，中间夹分离器的方法，其中上平模约比下平模小20%~40%。分离器厚度一般比圆柱直径小1mm左右。精磨过程中应定时将圆柱调头，以避免锥度。固定分离器另外一种方式是由外挡圈换为中间芯轴。对于中等半径的柱面镜，铣磨成形后常胶到胎具上组成镜柱来精磨。然后安装镜柱于车床主轴上，再将模具安装在车床刀架上后加散料磨料精磨。对于凹柱面镜和不适于胶成柱体的大半径柱面，常常是先胶成镜盘，然后在专用柱面机床上用相应的柱面模具精磨。

1.3 抛光

抛光的运动方式类似于精磨，一般在抛光模上粘一层厚约3mm~5mm的毛毡，抛光模长度约为柱体长度的1/3。图1所示细小柱镜加工方法，其抛光模通常是在平模上粘一层呢子做成。

图1.细小柱面镜加工方法示意图