光学零件工艺学

光学零件工艺学（精选三篇）

光学零件工艺学 篇1

“光学零件工艺学”[1,2,3]是一门理论与实践结合密切的学科基础课程,面向我院光信息科学与技术、光电信息工程和测控技术与仪器三个本科专业,该课程在光学制造人才培养过程中起着承上启下的作用,是光电类专业技术人员所必备的一门专业基础知识。但是,近年来教学改革趋向于通识教育,拓展专业进行大学科教育计划,致使专业课时大为削减,更为严重的是学习光学仪器专业的毕业生居然不知道透镜是如何制作出来的,这是当前光学教育改革中的误区。学生虽然学习了光学零件制造技术的相关理论知识,但是由于企业的市场竞争十分严峻,现行的光学加工企业都存在对工艺技术保密的问题,使得学生很少知道在企业一线透镜究竟是如何加工的[4,5]。而传统的教学模式远远不能满足开放教育的现代化教学手段的需要,因此有必要对独立学院《光学零件工艺学》课程的教学方法做以研究和探索,以增强独立学院学生的实践性和工程应用能力。

1 光学零件工艺学课程的特点

“光学零件工艺学”课程的特点是:(1)与工程实践结合非常紧密;(2)是学生基础知识运用的集中体现;(3)是学生实践能力培养的关键环节。本门课程是介绍光学系统中光学零件制造过程和工艺,加工对象有玻璃、塑料、晶体、金属等多种材料,加工设备仪器各异,加工方法、过程和工艺复杂,涉及学科较多,教学内容繁杂,学生学习时感觉困难,因此,如何使学生很好理解和掌握制造理论并能理论结合实际,是本门课程教学改革的重点和方向。

2 光学零件工艺学课程教学方法的改革措施与手段

为了很好地解决教学内容中传统与现代技术发展、教学与前沿科学研究脱节的问题,进一步加强了理论与实践的有机结合与融会贯通,并结合光学零件工艺学课程的实践性强、涉及的学科较多、教学内容繁杂、重点较难把握等特点,在课堂上采用了实物教学法、实例讨论式教学法和研究型教学法等相结合的灵活多样的教学方法,旨在调动学生学习的积极性、主动性,培养学生提出问题、分析问题和解决问题的创新思维的能力。

2.1 实物教学法

将光学零件或相关材辅料等实物引入课堂教学,如透镜、棱镜、反射镜、磨具、磨料等,教师将实物与授课内容结合起来,可以很好地将一些抽象的概念以简单形象的形式展示出来。例如讲到棱镜的平行差时,教师结合棱镜实物解释第一和第二平行差的概念,学生就很容易理解第一平行差和角度的关系,第二平行差和棱及面的关系,而且印象深刻;再比如讲到抛光纸,具有实物教学可以有效吸引学生的注意力,学生自然而然地将理论与实际联系在一起,有事半功倍的效果。

2.2 讨论式教学

课堂教学时,有意识地给出与教学内容相关的实例,启发学生思考问题。比如在讲透镜的加工时,可以用学生熟悉的加工眼镜作为实例,以毛坯到成型的眼镜为主线开始讲解。提出毛坯是怎样得到的、如何磨出球面、如何得到镜面,减小像差如何定心磨边等问题;在讲到具体的某种加工工艺时,如抛光工艺,提出为了得到光学镜面,如何选择工装夹具、磨料以及其它工艺参数等问题,通过具体问题引导启发学生思考,使学生在思考、讨论和解决问题的过程中逐步了解和掌握透镜加工所需要的主要工序、加工原理、工艺参数以及所涉及的材辅料、加工设备、检测仪器等等。实例讨论式教学方法有利于培养学生思考问题、分析问题及解决问题的能力,而且记忆深刻。

2.3 研究型教学方法

将一些与课程内容有关的实际科研成果或问题带入课堂,培养学生的创新思维能力。例如在学习高精度平面的加工技术时,将超光滑表面光学零件的加工技术作为科研问题带给学生,指出如何得到超光滑表面的光学零件、如何测量如此高要求的面形和粗糙度等是当前研究的热点问题,指导学生分析关键问题所在以及解决的问题的思路,让学生开动脑筋,发挥他们的聪明才智。这些教学方法使学生认识到自己学习的知识与最新的高科技是息息相关的,还有很多高技术的实际问题需要现在所学习的知识去解决,从而激发了学习的积极性,也吸引了不少学生参与讨论并提出很多建设性意见。另一方面,鼓励和引导学生深入思考课堂内容,并带出相应的研究性问题。比如,在讲到透镜加工中厚度的控制时,让学生知道目前国内需要一种实用的非接触测量透镜厚度的方法,从而吸引了大批学生参与讨论和设计。对于一些有创意的方案,可以予以支持。这种研究型教学方法可以使学生得到实际锻炼,对培养学生的动手能力和创新精神大有益处。同时将在光学先进制造技术领域取得的最新研究成果引入课堂,丰富了知识体系、更新了教学内容。

2.4 加强多媒体课件建设

光学零件工艺学是一门理论与实践结合紧密的课程,对于一些比较抽象的概念,可充分利用现代信息技术,制作包括三维动画、现场录像、图片、文本、声音解说等生动形象的多媒体教学课件应用于课堂教学,彻底地将复杂的光学零件加工过程或概念生动、形象地表现出来,使授课内容变得生动、丰富、活泼,学生可以更直观地理解教学内容,极大地激发学生的学习兴趣,以期收到良好的教学效果。

2.5 作业、考试等教改举措

为了更加合理的考核学生,培养学生平时自觉学习的良好习惯,采用将学生平时成绩纳入到最后的考核。平时成绩包括课堂参与情况、课后答疑情况、作业成绩等,课程总成绩包括平时成绩、期终考试成绩和实验成绩。按照理论知识、动手能力、创新素质并重的培养目标,课程考核采用理论考试成绩+平时作业+课堂表现+实验成绩=100分来进行考核与评价,实习成绩单独计算。理论考试部分包括填空、简答、计算和设计等;作业有课后作业、章节作业和课程大作业,课后作业是为巩固课堂上讲授的内容而设计的,一般为概念和简单计算,章节作业是为系统掌握每章所涉及的内容,大都是工艺因素的讨论和疵病分析,课程大作业一般是一个光学零件的工艺规程设计,目的是使学生全面系统的巩固本课程所学习的内容;课堂表现指学生课堂提问、讨论回答问题的参与程度,评价学生学习主动性与思考问题能力;实验部分通过实验设计、实验过程和实验报告情况进行评估。这种多层面的考核方法全面调动了学生学习的主动性和积极性,避免了过去仅凭期末考试考核学生成绩时的临时突击复习应付考试的问题,使学生掌握的知识更加牢固、持久、且能够灵活应用。实践证明,这些措施既调动了学生课堂上学习的积极性,又培养了学生良好的学习习惯。

2.6 认知实验与实习相结合

加强校企合作,将光学零件制造工艺的认知感知和验证型实验放在校外生产实习实训基地中进行,在理论课讲授之前安排生产实习。主要内容为光学零件加工工艺流程的操作实验。学生可以在产线师傅的指导下,完成平面、球面光学零件的全部加工过程,包括下料、铣磨、精磨、抛光、定心磨边、镀膜等加工过程和相应的光学零件加工过程中的检验实验。主要目的是帮助学生了解光学零件加工基本流程、使用设备和仪器的结构和功能、基本装置功能、进行动手能力训练。生产实习是完成一个光学零件的完整加工工艺的实践,近两年尝试将生产实习提前到该课程之前进行,使学生提前对课程有一个总体概念,认知感知光学零件制造技术特点和基本工艺流程,这一做法提供直观感受和亲身体验,为学生进行光学零件工艺学课程学习奠定了基础,实践证明提高了课堂的教学效果,学生反映良好。

3 结论

针对光学零件工艺学课程实践性强的特点,在课堂上采用了实物教学法、实例讨论式教学法和研究型教学法等相结合的灵活多样的教学方法,旨在调动学生学习的积极性、主动性,培养学生提出问题、分析问题和解决问题的创新思维的能力,探索了更适合独立学院光电类专业学生的教学方法,促进教学质量的提高。

参考文献

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零件尺寸设计工艺 篇2

【关键词】生产效率；劳动成本

【中图分类号】THl26

【文献标识码】A

【文章编号】1672—5158（2012）10-0139-02

零件工作图是制造零件的重要技术文件，设计人员对所设计的零件，不仅要保证设计要求，同时还应满足工艺要求，零件尺寸设计工艺性的好坏直接影响产品质量和成本，同时也是衡量设计人员工艺水平的标志，本文着重探讨零件尺寸设计应遵循的工艺准则。

一、非问题尺寸设计应标准化、规格化

零件尺寸的标准化、规格化，对提高零件的工艺性具有重要的意义。它是实现典型工艺规程的重要条件，有利于提高生产率。

设计中采用标准直径和长度，会使工艺过程简化。φ80mm以下的孔采用标准直径，加工时便可用标准钻头、扩孔钻、铰刀和量规完成加工和测量，而不需专门备制。实际上，成形刀具、定尺寸刀具、量规、卡规等均按标准尺寸或标准工艺尺寸制造，选取标准尺寸轴径的轴，可采用棒料作坯料进行加工，既省时又省料。选用标准锥度、T型槽、砂轮越程槽、倒角、燕尾槽等，不但能减少工艺装备种类、互换性好，而且可以加速设计进程；对生产单位来说，可广泛采用标准工装，提高效率，降低成本。因此，在进行零件尺寸设计时，要认真执行国家标准。长度、直径、角度、锥度及其偏差，都有标准数值，应从中选择。零件上的标准结构要素，在确定结构形式、公差等级后，应按相应的标准规定标注尺寸及其偏差，以利加工制造及提高产品质量和效率。

二、尺寸设计要正确选择基准

基准是用来确定生产对象上几何要素问的几何关系所依据的那些点、线、面。基准是几何要素之间位置尺寸标注、计算和测量的起点。由于基准应用场合和功能不同，可分为设计基准和工艺基准。

1　设计基准

设计图样时所采用的基准称为设计基准。设计基准是根据零件的工作条件和性能要求而确定的。在设计时，以设计基准为依据，标了一定的尺寸或相伴位置要求。

如图1所示的轴套零件，各外圆和孔设计基准是零件的轴线，左端面I是台阶端面Ⅱ和右端面Ⅲ的设计基准，孔φD的轴线是外圆表面Ⅳ径向圆跳动的设计基准。

2、工艺基准

工艺过程中所采用的基准称这工艺基准。在加工过程中，按其用途不同，分为工序基准、定位基准和测量基准。

1　工序基准是在工序图中用来确定本工序所加工表面加工后的尺寸、形状、位置的基准。加工时工序基准选用不同，工序尺寸也不同，如图2所示，其中a图选用端面M作为工序基准，b图选用端面N作为工序基准。

2　定位基准是加工中用做定位的基准，用来确定工件在机床上或夹具中的正确位置。加工中尽可能选用设计基准作为定位基准，以避免因定位基准与设计基准不重合而引起的定位误差。

如图3所示为车床主轴箱简图，设计要求车床主轴中心高为H1＝205＋0.1mm，设计基准是底面M。镗削主轴支承孔时，如果以底面M为定位基准，定位基准与设计基准重合，镗孔时高度尺寸H1误差控制在±0.1mm范围内即可。但由于主轴箱底面不平整，批量加工时，装夹不方便，因而常以顶面N为定位基准，此时主轴支承孔轴线的高度尺寸为H。加工时由于定位基准与设计基准不重合，主轴的中心高H1必须由H2和H共同保证。通过解相关尺寸链用极值法保证。

3　测量基准是测量时所采用的基准，是据已加工的表面位置的点、线、面。

选择测量基准与工序尺寸标注的方法关系密切，通常情况下测量基准与工序基准是重合的。

如图4所示工件，测量基准选择不同，测量结果不同。如图b所示，采用小圆柱面的上素线A作为测量基准时，测得加工上表面到小圆柱面上素线的距离为10mm，如果采用大圆柱面的下素线B作为测量基准，则测量加工上表面到大圆柱面下素线的距离为50mm。所以说选择测量基准与工序尺寸标注方法有关，通常情况下测量基准与工序基准要重合。

通过上述分析，可见机械工程人员在进行图纸设计时，一定要考虑多方面问题，从而提高工件加工效率，降低加工成本。

（一）零件尺寸的加工工艺性

1　按加工顺序标注尺寸，可避免尺寸换算提高效率。

2　要考虑零件加工方法，如果采用多头专用镗床进行镗孔，同孔心距尺寸和公差可由机床和镗模保证；若采用坐标法镗孔，则必须将孔距尺寸和公差换算成直角坐标形式，这样尺寸标注才能和加工方法相适应。

3　同道工序加工尺寸应尽量集中标注同道工序加工尺寸应集中标注，有利于工艺人员查找编制TZ规程，有利于工人查找加工。

4　零件外形尺寸和内形尺寸宜分开标注外形尺寸标注在主视图上方，内形尺寸标注在主视图下方，这样内外形尺寸一目了然，寻找方便。

（二）零件尺寸的测量工艺性

零件尺寸应尽量能直接测量，否则不但要进行尺寸换算，而且误差较大。一般来说，凡是符合加工顺序的尺寸标注，大多是便于测量的。另外，应尽量避免在机械量具难以接触的表面标注尺寸。在满足精度要求的基准上，允许改变尺寸标注形式。

零件尺寸的测量工艺性，还表现在测量时的难易程度。如果把尺寸标注在假想的面、线、点上则无法测量。所以，尺寸一定要标注在实面上，特别是有公差要求的尺寸更应该这样标注。

（三）尺寸标注时要与零件的精度要求相适应。

根据零件的功用和在部件或产品中的配置合理的选定尺寸公差，也是衡量设计人员业务水平的标志。有时，我们看到在一些重要零件尺寸上没标注公差要求，而在另一些不重要的零件尺寸上却标注了严格的公差，这不仅会导致加工费用增加，而且会严重的影响产品质量。

零件的尺寸，凡是影响产品性能、工作精度互换性的都叫主要尺寸，例如规格性能尺寸、配合尺寸、安装尺寸、影响零件在部件中准确位置的尺寸等。主要尺寸在图上要直接标注，并给出公差带代号或尺寸的极限偏差值。从机械加工考虑，公差大，精度底，加工易、成本低、周期短；公差小，则相反。因此，就是主要尺寸也是区别对待，在满足设计要求的前提下，应尽量选用较低精度的尺寸公差。

（四）要与生产类型相适应

生产类型是决定工艺方法的重要因素之一。不同的生产类型，不仅零件的结构形状应与之相适应，而且尺寸标注也要和工艺过程相适应。大批量生产和单件小批生产的工艺过程截然不同。前者广泛采用组合、成形、专用刀具、专用夹具和量具，自动、半自动机床，专用机床，数控机床等；而后者大多采采通用万能机床，通用刀具、夹具、量具等。这些都将会反映到尺寸设计中。

光学零件工艺学 篇3

激光陀螺光学腔体内孔加工成型后,机械加工导致残余应力和亚表层损伤等缺陷,孔壁会留下凸凹不平的机械破坏层。激光陀螺光学块体要求其毛细孔回路内部表面光滑,以减少材料的放气,这是影响陀螺应用的关键技术之一。采用传统的抛光方法无法实现孔壁的抛光,这就需要使用化学溶液对其进行抛光,获得光滑的玻璃表面。

化学抛光是利用酸对玻璃表面的化学均匀侵蚀作用,及时除去侵蚀后生成的盐类,获得平滑、光洁表面的过程[1]。对精密、复杂微晶玻璃光学零件进行化学抛光,可去除机械加工产生缺陷,减少加工产生的应力。化学抛光不受零件表面形状限制、加工效率较高。因此研究光学微晶玻璃化学抛光技术,解决复杂结构光学零件内孔及光学表面的抛光问题,具有重要意义。

1 微晶玻璃化学抛光机理

光学微晶玻璃要求具有较高的透明度和很低的线胀系数,其主晶相是β一石英固溶体。β一石英固溶体可以从含有Li2O、A12O3、Si O2组成的基础玻璃中以微晶析出(固溶体析晶),这样得到的微晶玻璃含有β一石英固溶体和残余玻璃相[2]。一般微晶玻璃的主要组分为:Si O2、A12O3、Li2O、Mg O、P2O3等。

化学抛光侵蚀用酸为氢氟酸,以溶解掉玻璃表面层的硅氧化物,根据残留盐类溶解度的不同,得到有光泽的表面或无光泽的表面。玻璃与氢氟酸的反应非常的复杂,反应生成的氟化物、氟硅酸盐等还有氢氟酸和水[3]。氢氟酸与Si O2的反应如下:

具有极性的Si-O基可写成Siδ+…Oδ-的形式,分别受到F-亲核或H+亲电子的进攻,≡Si-OH还继续与氢氟酸反应如:

微晶玻璃中的其他氧化物与氢氟酸的反应为

Si F4在一般的条件下为气态,但在氢氟酸中来不及挥发,而与HF继续反应,生成络合的氟硅酸。

由于氢氟酸容易挥发,抛光溶液中可以采用氟化物(氟化氨、氟化氢氨等)加入盐酸和硫酸,发生反应。通过化学反应产生氢氟酸,生成HF平稳。

2 化学抛光工艺试验

2.1 抛光液组成的确定

抛光液组成是化学抛光的关键,抛光液的配比、浓度、添加剂的选择直接决定了腐蚀速率和表面质量[4]。采用氢氟酸和氟化氨作为刻蚀剂,抛光表面不够平滑、光亮[5]。根据微晶玻璃的组成和抛光后玻璃表面质量要求,及考虑化学反应的平稳性,确定合适微晶玻璃的抛光液的组成为:氟化氢氨、水、添加试剂。研究确定了氟化氢氨质量分数为15~20%为合适的配比。抛光溶液体系随着化学反应进行,产生氢氟酸稳定,抛光均匀,有利于生成高质量的抛光表面。

2.2 抛光工艺流程及试验

在抛光技术的研究中,抛光技术方案的确定是关键。根据抛光零件抛光的表面质量要求研究确定了光学零件化学抛光的工艺流程如图1,按照工艺流程对激光陀螺光学零件进行抛光试验。

零件的清洗是化抛中的重要环节,清洗是为了去除抛光表面的油脂、污垢[6]。零件表面的洁净度影响抛光表面质量,如果零件表面残存污垢,会阻碍化抛液的侵蚀,造成抛光不均匀,表面质量变差。抛光过程中需要根据抛光液、抛光工艺选择适合的掩膜,对光学零件不需要抛光的部位进行保护,本工艺试验采用PVC粘结贴。抛光时工件转动或是对溶液进行搅动,使抛光液及时带走表面的反应物,消除因反应不均匀造成的浓度梯度,反应速率区域一致[7]。抛光过程中时间、温度是重要的工艺参数,影响抛光表面质量和去除量的大小,本试验确定化抛的适宜温度为80~90℃,抛光时间为10~25 min,抛光过程中最重要的是根据化学抛光体系、抛光规律,计算拟定化抛时间,使实际化抛量与理论相符,实现光学零件的“确定性”抛光。

由于激光陀螺的毛细孔无法测量其粗糙度及表面形貌,采用表面粗糙程度情况相当的微晶玻璃片进行抛光试验(Φ27.28 mm,厚度4 mm)。

3 抛光试验结果与讨论

3.1 抛光表面的形貌

抛光表面形貌主要指化学抛光后玻璃表面反应产物的尺寸与分布,不仅影响到总的透过率,也影响到外表细腻程度[8]。采用金像显微镜测量化抛前后的表面形貌,对比照片如图2:凸凹不平的机械加工破坏层,化学抛光后变得很光滑而平整,抛光产物晶粒尺寸小、分布均匀,抛光表面细腻、平滑。

3.2 抛光表面的质量

化学抛光后玻璃表面的性质取决于化抛液和化学反应后所生成盐类的性质、溶解度的大小、结晶的粗细程度以及是否容易从玻璃表面被清除[9,10]。采用扫面电子显微镜(SEM)表征了抛光前后的表面质量,照片如图3所示:侵蚀前表面凸凹不平,表面为机械加工的破坏层及附着大量的微晶晶粒;化学抛光后形成了光滑、透明的表面,表面生成一些微细小的晶粒。在该抛光体系中,抛光反应生成的盐类有很好的溶解度、生成的盐随反应的进行被溶液所溶解,不断的从玻璃表面去除,因此玻璃表面受到均匀侵蚀,得到平滑的表面。

采用轮廓议测量化抛前后的表面粗糙度,测量结果见图4,化学抛光前零件表面粗糙度Ra=1.331μm,化学抛光后Ra=0.260μm,经过化学抛光表面粗糙度明显减小。在化学抛光过程中,抛光后的表面粗糙度与抛光前表面有关,抛光表面质量遵循复印规律:即抛光前表面质量好,抛光后表面质量会更好,反之,表面质量按原来的缺陷复印、扩大。因此,要获得好的抛光表面,在零件加工成型时需控制光学零件孔壁的表面质量。

3.3 抛光表面光亮度

光学表面抛光光亮度,用可见光范围内的透过率来表征。采用可见紫外分光光度计测量了抛光片在可见光范围内的透过率,透过率曲线如图5:化抛前光学表面为毛的表面,可见透过率仅为9~10%,化学抛光后可见透过率达到了88~90%。

研究认为抛光后光亮程度,与抛光溶液的组成、抛光产物颗粒分布有关,本抛光过程中附着玻璃表面的侵蚀产物颗粒分布稀疏,总的透过率较高。激光陀螺毛细孔内壁抛光后,达到光亮、透明、平滑的效果,满足高精度陀螺腔体加工的要求。

3.4 抛光去除量

化学抛光工艺技术研究中,其主要技术指标就是表面质量和尺寸精度,在保证抛光表面质量的同时,控制去除量,实现“确定性”化抛是关键。在化抛溶液确定后,化抛去除量由溶液的温度、抛光时间及被抛光件在溶液中的运动速率等参数确定[11]。如图6、7,化抛去除量为19~97μm,通过试验研究出了去除量与温度、时间、抛光件的运动方式的规律性。化学抛光中通过拟定、计算准确的抛光时间,控制化抛去除量,实际化抛量与理论计算值相符,实现了光学零件的“确定性”化学抛光。

4 结论

通过试验研究,确定了微晶玻璃光学零件的化学抛光工艺流程;采用氟化氢氨、水、添加试剂组成的抛光液进行化学抛光,得到光滑、透明的玻璃表面。表面粗糙度Ra=1.331μm的玻璃表面,化学抛光后Ra=0.260μm,可见光透过率为88%~90%,化学抛光去除量0~100μm。抛光后的表面质量与抛光液的组成、抛光液浓度、抛光工艺参数等因素有关,通过对微晶玻璃化学抛光技术的研究,实现了复杂结构光学零件的“确定性”化学抛光。同时该方法还适合不同形状光学零件表面及内孔的化学抛光。

摘要：针对激光陀螺光学腔体这种复杂结构的光学零件,采用传统的光学抛光的方法无法对其凹槽、孔道进行抛光的问题,提出了一种采用化学溶液对玻璃进行侵蚀的化学抛光技术。本文分析了微晶玻璃的组成及化学抛光的机理,制备了适合的化学抛光溶液,设计了抛光技术方案、工艺流程及方法。对化学抛光后的光学表面进行了测试、分析,结果表明:采用NH4HF2、H2O、添加剂组成的化抛溶液,抛光后能够得到光滑、透明玻璃表面,抛光表面的粗糙度可达0.20.3μm,可见光透过率88%90%,化学抛光去除量为0100μm,本研究实现了复杂结构的光学零件的“确定性”化学抛光。

关键词：微晶玻璃,化学抛光,确定性,光学加工

参考文献

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