河 南 工 业 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文
5.1球面样板的精度分析 .................................................... 14 5.2球面样板的精度检验 .................................................... 15 6.光学冷加工工艺和设备现状及其发展 ............................................ 16 7.国外光学加工技术的发展现状 .................................................. 22 结 论 ...................................................................... 28 致 谢 ...................................................................... 29
V
河 南 工 业 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文
球面样板的加工工艺
专业 精密机械技术 班级 0902 姓名
指导老师：
1. 绪 论
1.1 光学样板的重要性
光学样板简称样板，是光学零件制造过程中使用最广泛、最简便的一种精密测量工具。样板按用途分为标准样板和工作样板，前者用于复制工作样板，后者用于在生产中检验光学零件；按形状又分为球面样板、平面样板和柱面样板等。 样板在光学零件制造中占有重要地位，标准样板的精度好坏直接影响到工作样板的优劣，而工作样板的优劣又直接影响到光学零件的面形精度，乃至影响光学系统的成像质量。因此在光学零件生产的技术准备阶段就必须先设计和制造一套标准样板和一定数量的工作样板。
1.2球面样板的应用
图（1.1）
光学样板是人造熔融石英材质的光学平板之一，被用作平面元件的平面度测量时的标准平面。也被称为牛顿样板，日系企业也称为原器。 把被测件放在光学平板上就会出现牛顿环，根据牛顿环的数量和形状，检验和测量被测件的面精度。牛顿环是两个表面间的间隙引起的干涉条纹。一个间隔相当于测量波长的一半。(牛顿环法)每个光学样板都被放置在一个保护木合内，并附有实测的干涉条纹照片和表面形状数
1
河 南 工 业 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文
1.3球面标准样板
在球面零件加工时，曲率半径的准确度通常是靠与光学样板比对来保证的。光学样板是精密的光学计量器具，它可以分为工作样板和标准样板。
图（1.2）
在球面零件加工时，曲率半径的准确度通常是靠与光学样板比对来保证的。光学样板是精密的光学计量器具，它可以分为工作样板和标准样板。
在制造曲率半径小于35毫米的球面标准样板时，通常直接加工成玻璃球或者超半球形状。用精度为0.001毫米的千分尺直接测量出球的直径。
图（1.3）
其它标准样板的曲率半径则由环形球径仪来测量。根据您的要求创思可以设计和加工A或B级的标准样板。
选择精度等级，确定曲率半径公差范围 样板精度允差值：（GB1240-76） 精度等级 A B 0.5-5 球面标准样板曲率半径R（mm） >5-10 >10-35 >35-350 >350-1000 >1000-40000 允差（±） 微米 样板曲率半径R的百分数 1.0 2.0 0.02 0.03 0.03R1000 3.0 5.0 0.03 0.05 0.05R1000 0.5 1.0 2
河 南 工 业 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文
表（1.1）
确定球面的矢高理论值h
式中：R - 球面半径
: D - 通过钢球中心的圆周直径；
: h - 钢球顶点所决定的平面到球面顶点的距离； : ρ - 钢球半径（测凸面取\， 测凹面取\）
确定球面的矢高公差Δh，见图（1.4）所示：
式中： ΔR - 半径允差值
图（1.4）
2.球面标准样板设计
2.1 球面加工各工序曲率半径的工艺设计原则
在加工平面零件时，在各工序完工的表面都是平面，这样可以使表面的各部位都是均匀的去除。而加工球面零件时，其表面在各工序应如何加工呢？下面我们进行讨论。 2.1.1球面的余弦磨削
以加工平面的经验，我们将一个球面在不改变其曲率半径的情况下磨削这个球面，最终它仍是由原来相同的球面。球面上的各点向下加工的尺寸都是一致的，新球面是被均匀加工出来的。采用这种方法加工，它的表面加工量真的是均匀的
3
河 南 工 业 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文
吗？
当加工一个曲率半径为R的凸球面时，如果加工前的曲率半径也为R，加工量为△时。加工前后如上图，一个球面初始曲率半径为R，绕Y轴进行旋转进行研磨加工，其中心在Y轴方向研磨量为△后，形成一个曲率半径为R的新球面，球心从原位置O1沿Y轴移至O2。原球面参加研磨的各点沿Y轴移动量都是△。由于球面上都向下方去除了尺寸△，因此有人主观的认为球面是均去除的，球面就应该是这样加工的。实际上球面零件表面加工后的缺陷深度，是在球面的径向方向上均匀的，而不是在纵轴方向，球面的去除量也应当按径向来计算的。当球面的张角很小时径向和轴向的区别不大，但是当球面的张角较大时差别就非常明显了。球面的去除量是以一球面上的各点到另一球面最小距离对应点间的距离，当加工量远远小于球面的曲率半径时可以用两球面径向的间距来计算。现在我们来讨论张角γ方向的去除量：
球面的去除情况如图所示，O1A为原球面的半径R，与新球面交于B，O2B为新面的半径R，C为B点在Y轴上的垂点，γ1、γ为A、B点对两球面的张角。
O1A = O2B = R， BC = Rsinγ， O2C = Rcosγ， O1C = Rcosγ-△， 公式见《常用公式推导》 从我们推导出的公式δ=△COSγ
可以看出，球面的径向去除量随张角的增
加而减少，并成余弦函数分布。因此，我们将一个球面在不改变其曲率半径的情况下进行磨削，就叫做余弦磨削。这个公式不仅适用于凸面，也同样适用于凹面。
这个结论告诉我们，在加工球面时，采用各工序曲率半径不变的方式加工的球面是有问题的。球面中心的缺陷被去除掉后，不能保证球面边缘的缺陷被去除，因为球面边缘的去除量比中心少，特别是球面张角很大的情况。如果将球面边缘的缺陷全部去除掉，球面中心的去除量又会很大，需要增加加工工时，在工艺设计上是不合理的。
注意球面余弦磨削的公式是在去除量远远小于球面曲率半径的情况下推导出来的，它是一个近似公式，不是精确公式。特别是去除量很大或球面曲率半径
4