摘要：敘述了激光核聚變、大型非球面和共形光學零件的超精密加工技術;將超精密切削、磨削、計算機數控拋光和連續拋光技術結合起來,成功地應用于激光核聚變光學零件的超精密、批量制造;分析了研制大型非球面光學零件超精密加工裝置應該解決的關鍵問題,并提出了解決方法。
關鍵詞：光學零件 非球面 共形光學 超精密加工
超精密加工技術廣泛應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，國家重點型號大型拋物面鏡以及大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡( The Large Sky Area Multi-Object Fiber Spect roscopic Telescope ， LAM-OST) ，國家重大科學工程中的反射鏡等。為獲得高質量影像，縮小體積，減輕重量，很多武器裝備都采用非球面光學零件；為進一步提高視場與分辨率的發展需要，光學零件的尺寸也愈來愈大；為減小武器的運動阻力及提高武器的隱身性能，現有的發展趨勢是使用共形光學(Conformal Optics) 零件代替球面光學零件。
1 激光核聚變光學零件超精密加工技術
我國正在研制的激光核聚變裝置需要大量的高精度、大口徑光學元件，要按期、保質、保量地制造這些光學元件，必須突破現有的工藝水平，采用高效的先進光學制造技術。借鑒美國國家點火裝置(National Ignition Facility ，NIF) 的經驗，結合我國的實際情況，將超精密加工技術應用到激光核聚變光學元件的精密制造中。
1.1 大口徑平面光學元件超精密加工
激光核聚變裝置中的光學元件大多數是矩形、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(特別是角上) 。就目前的技術水平而言，要達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，必須采用先進制造技術。
大量試驗證明，電解在線修整磨削法( Elect rolytic In-Process Dressing ，EL ID) 的生產效率明顯高于傳統研磨工藝，該工序有望取代傳統拋光前的粗加工———銑磨和粗拋，唯一的缺點是精度略低(相對于精密拋光) 。
使用小工具數控拋光加工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(圖中標尺列出的“+ 、- ”值應當用不同的色彩表示，黑白照無法區分，只是一個示意圖) 。從圖中明顯地看到通常所說的“碎帶”誤差，在強激光系統中，這種高頻誤差必須嚴格控制。因此這種工藝方法不能作為強激光系統光學元件的最終加工。
在試驗過程中發現，利用連續拋光技術加工的大口徑光學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。
上述3 種技術各有優缺點，都不能單獨滿足工程的需要。將這3 種技術合理地結合起來，發揮各自的優勢，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，將光學元件毛坯精密磨削到1λ以內；然后用數控加工機床修正局部誤差，將光學元件加工到工程所要求的面形精度；最后使用大型環拋機，將光學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 。我國現在還沒有能加工出這個精度的機床，而且KDP 晶體不能像其他光學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。筆者經過研究認為主要是由工作臺和進給絲桿之間的傳遞誤差引起的。研制新機床時，一定要研制新的進給驅動系統，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加工領域的重大難題，國內僅有少數單位從事這方面的研究，積累的經驗及技術較少，僅能滿足單件生產的需要。為了解決方形非球面透鏡的加工問題，我們從以下3 方面進行研究：
(1) 按傳統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要求后脫膠，得到要求的方形透鏡(即先切割后加工) 。
(3) 因為方形非球面透鏡不能用手工方法修磨，所以必須采用先進的制造技術———計算機控制光學表面成形技術，根據定量測量的面形數據，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現光學元件表面的精密加工。
2 大型光學零件超精密加工技術
2.1 研究工作現狀
超精密加工分兩大類：一類采用運動復印原理，另一類采用壓力復印原理。基于運動復印原理的超精密機床有美國的大型光學零件金剛石立式車床(LODTM) 和英國的超精密大型CNC 光學零件磨床(OAGM2500) ；基于壓力復印原理的技術有計算機控制光學表面(CCOS) 成形技術，1994 年Tinsley 公司與Itek、Eastern - Kodak 等公司合作，利用CCOS 技術完成了對哈勃望遠鏡主鏡的修復工作，加工出的非球面校正鏡修正了主鏡制造過程中的誤差，提高了成像質量。我國大型非球面的加工能力與發達國家相比有較大差距，目前，大多數大型非球面光學元件用經典研磨拋光的方法制造。長春光機所研制了FSGJ - 1 型數控非球面光學加工中心，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
根據國家武器、背景項目及將來型號發展的需求，我國正集中全國有優勢的單位聯合攻關，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激光裝置中大型非球面的加工。#p#分頁標題#e#
在設計機床時，需要根據機床最終加工工件的精度要求，合理分配各部件的精度。因為工件尺寸大，熱量引起的變形將嚴重影響裝置的總體精度，所以一方面要在裝置的關鍵部件，特別是發熱源處，加恒溫水(或油) 冷卻并進行溫度控制，以減少熱變形的影響；另一方面可采用誤差補償技術，以提高機床精度，這樣便能適當降低機床零部件的設計精度。
對于大口徑光學元件，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研究支撐方式及重力變形對加工精度的影響。
在設計超精密銑削時，必須考慮以下幾個問題：
(1) KDP 晶體的特殊加工要求，根據晶體的各向異性特點，確定正確的加工方式； (2) 正確理解透射波前的概念，根據工件的透射波前，確定合適的機床零部件精度； (3) 為解決KDP 晶體加工過程中出現的擾動(見圖2) ，在設計機床時要合理設計機床的驅動機構。
2.3 超精密計算機控制拋光
超精密EL ID 磨削技術和計算機控制拋光技術相結合，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動的計算機控制拋光裝置，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。
在超精密加工領域，可以說如果沒有先進的檢測技術就沒有超精密加工技術。我國以前從國外引進的設備就是由于檢測裝置的不配套，沒有發揮原引進設備的優越性。CCOS 技術優越于傳統手工加工的重要標志就是它有定量的檢測結果作為指導，所以必須研究超精密拋光用在線定量檢測技術，檢測系統的精度為λ/ 40 。
數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，被加工表面呈現出不同于傳統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) ，所以應該重點研究拋光磨頭的軌跡規劃和加工工藝的優化，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 共形光學元件超精密加工技術
最近美國發現一種高性能任意形狀的光學零件，比球面、平面、輕度非球面具有更好的空氣動力性能，它就是共形光學零件。共形光學指的是設計、制造和使用既不是平面也不是球面的光學窗口和整流罩，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。
飛機的光學窗口和導彈上的整流罩安裝有光學系統，用于導航、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，設計師對此沒有別的選擇，但現在可以采用共形光學零件，它能夠優化飛機外形以符合動力性能要求，顯著減小阻力；同時能優化飛機形狀，以使雷達上的(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；共形光學元件替代球面光學窗口還能夠提供大的視場。
美國為了加工這種新型光學零件，專門研制了新的超精密機床Nanotech 500FG，該機床是一計算機數控、多軸、超精密加工系統，能夠加工任意形狀的共形光學表面，加工工件的最大尺寸為250 mm ×250 mm×300 mm。機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，實現了延性方式超精密磨削(Ductile Grinding) ，加工工件具有光學表面質量，通常很少需要或不需要后續拋光。為了同該機床配套，還使用了磁流體拋光(MRF) 技術和可測量自由曲面的納米級測量精度的坐標測量機。使用該機床能夠直接磨削出共形光學零件，加工零件的面形精度優于0. 375μm( P - V 值) ，表面粗糙度優于Ra0. 002 7μm。
4 我國超精密加工技術的發展方向
國內從20 世紀80 年代初開始超精密加工技術的研究，先后從國外引進了Taylor Hopson 公司的超精密機床MSG- 325 、Nanoform 300 和Nanoform 250 ；同時北京機床研究所、北京航空精密制造研究所、哈爾濱工業大學等單位相繼研制成功超精密機床；長春光機所研制了FSGJ - 1 數控非球面光學加工中心。但總體來說與世界先進水平還有一定差距，所以現正集中全國力量攻關，研制大型光學零件超精密加工裝置。
超精密加工技術的一個發展方向是大型非球面零件超精密加工；另一發展方向是共形光學零件超精密加工，它廣泛應用于國防工業，能夠大大提升武器的綜合性能，而能夠加工共形光學元件的超精密機床，國外對我國是禁運的。所以為提高我國超精密加工技術水平，滿足航空、航天、武器等國防現代化的需要，必須研制自己的下一代共形光學元件超精密加工機床。
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