MM《現代製造》15周年文集系列：超精密加工與光學器件製造

1891年,德國弗戈出版公司成立,歷經119年的發展，目前成為擁有20多家子公司的國際專業媒體集團，為機械、汽車、電子、化工、製藥、包裝、塑料和實驗與分析等行業提供100多種紙介期刊,1998 年中國機械工業信息研究院與德國弗戈工業媒體集團合資成立了北京弗戈，並首先引進了德國百年歷史的MM同信息院出版的《機電信息》版權合作。2002年更名為 MM《現代製造》——中國工業領域唯一的一本國際合作了解世界先進位造技術的周刊。2010 年經過認真細緻的籌備，「弗戈工業在線」(www.vogel.com.cn)正式上線，而MM《現代製造》也成為我國了解世界先進位造技術的一本專業刊物。 本文為該周刊為紀念發行15周年的專刊，通過該文我們可以了解到目前國際上先進位造技術的現狀和趨勢。超精密加工與光學器件製造作者：衛漢華 香港理工大學光學器件的超精密加工

圖1 典型的光學器件 超精密加工是指尺寸精度在100 nm 以內的加工技術。隨著航空航天、精密儀器、光學和激光技術的迅速發展，以及人造衛星姿態控制和遙測器件、光刻和矽片加工設備等各種高精度平面、曲面和複雜形狀零件的加工需求日益迫切，超精密加工的應用範圍日益擴大。它的特點是可直接加工出具有納米級表面光潔度和亞微米級形面精度的表面，藉以實現各種優化的、高成像質量的光學系統, 並促使光學電子設備的小型化、陣列化和集成化。 近年來，超精密加工開始從高技術裝備製造領域走向消費品生產領域。應用最為廣泛的是各種電子產品中的塑料成像鏡頭，如手機和數碼相機鏡頭、光碟讀取鏡頭、人工晶體等。同時，也開始用於各種自由曲面光學零件、微透鏡陣列、漸進式鏡片、菲涅爾透鏡、微溝槽陣列等各種光束處理鏡片的加工。與成像鏡頭相比，光束處理器件具有更為複雜的形面。若干典型的光學器件如圖1 所示。 此外，為了提高光束處理器件的加工效率，出現了若干新的加工技術，如刀具法向成型車削、飛刀切削、慢刀伺服車削等。單晶金剛石車削和法向成型車削 單晶金剛石車削（Single Point Diamond Turning）是最早出現的超精密加工工藝。單晶金剛石刀具是採用單晶金剛石製造的尺寸很小的切削刀具，由於其刀尖半徑可以小於0.1μm，工件加工後的表面粗糙度可達納米級。因此能在硬材料上直接切削出具有極光潔的表面和超高精度的微小三維特徵，適合用於塑料鏡頭注注塑模模芯、鋁合金反射鏡以及有機玻璃透鏡等零件的加工。美國Moore NanotechnologySystem 公司的450UPL 型超精密車床的外觀如圖2 所示。

圖 2 450UPL 超精密車床 通常，單晶金剛石車削加工只對X 軸和Z 軸進行軌跡控制，雖然理論上可以在一次車削過程中可以加工迴轉體的端面和內外成形表面，但由於刀具結構的限制，在加工LED準直鏡等落差較大的成形表面時，刀具與鏡面會發生干涉，往往無法一次完成整個鏡面的車削。 為了解決這類器件的加工，超精密車床製造商開發了刀具法向成形（Tool-normal Contouring）加工模式。將刀架安裝在迴轉B 軸上，機床對X、Z、B 軸同時進行控制，使刀具在車削過程中始終保持刀尖與工件曲面的法線重合，一次完成整個鏡面的車削，如圖3 所示。

圖3 刀具法向成形車削過程飛刀切削加工 除了迴轉對稱的鏡片外，各種波導器件在產品上的應用也越來越多，波導器件是一種引導和約束光傳播路徑和方向的光學器件。條形波導器件特點是鏡面曲率大、形狀狹長，採用一般車削加工的效率低而且加工範圍受車床的主軸迴轉半徑限制。飛刀切（Flycutting）是在超精密車床的基礎上，通過改變刀具和工件的裝夾方法，提高大麴率狹長工件切削效率的加工模式。它的原理是將刀具徑向安裝在圓柱形的刀盤前端上，再將刀盤安裝在車床主軸上隨主軸高速旋轉, 故稱為「飛刀」。工件則安裝在工作台上隨工作台進行直線進給，從而實現切削過程。條形波導器件和飛刀切削過程如圖4 所示。

圖4 飛刀切削過程 當一條刀具軌跡完成後，「飛刀」隨著主軸沿切削間距方向移動一定距離，轉為另一條軌跡的加工。 由於刀具每旋轉一周，刀具與工件只接觸一次，加工效率比較低，因此以飛刀切削平滑曲面時，一般採用聚晶金剛石材料的圓弧刀刃車刀來取代單晶金剛石尖刀，以盡量增大切削間距，同時提高主軸轉速，以提高加工效率。飛刀切削的另一種用途是加工具有微結構陣列的光學器件。微結構表面是指具有特定功能的微小表面拓撲形狀，形面精度達亞微米級的表面。如微結構陣列光學器件、菲涅爾透鏡、衍射光學元件、梯度折射率透鏡、閃耀光柵、多稜鏡等，典型的金字塔微結構如圖 5 所示。由於微結構陣列光學元件能大大提高光學器件的深寬比，有利於產品的小型化。

圖 5 微透鏡陣列鏡片 利用飛刀切削加工微結構陣列的原理是在整個面上完成一個方向的加工後，根據要加工的微結構形狀的需要將工件轉動一定的角度再進行另一個方向的加工，直到加工出所需要的線性槽微結構、由多條相交線組成的微槽結構陣列，重複性的稜柱矩陣、金字塔矩陣等。藉助飛刀加工的自由曲面陣列鏡片的模具如圖6 所示。

圖 6 自由曲面陣列鏡片的模具 飛刀切削過程是斷續加工，刀具隨刀盤每旋轉一周，刀具與工件只接觸一次，在每次切削過程中切深又是隨刀盤的旋轉角度不斷變化，使刀具和主軸承受較大的衝擊載荷，因此超精密車床主軸適宜採用具有較佳阻尼特性的靜壓軸承主軸。快刀和慢刀伺服車削技術 飛刀銑削雖然可以加工部分微結構，但飛刀加工時工件的安裝與調整比較困難，加工面形仍然受刀具尺寸的影響。此外，非幾何形狀的反光罩、正弦相位板等具有自由曲面陣列的光學器件，由於其微結構的排列為非相交線組成，難以採用飛刀切削加工。慢刀伺服和快刀伺服車削是兩種近年發展比較快的超精密加工技術，這兩種技術均能顯著提高微結構陣列和自由曲面光學器件的加工效率。 (1) 慢刀伺服（Slow Tool Servo）車削是對車床主軸與Z 軸均進行控制，使機床主軸變成位置可控的C 軸，機床的X、Z、C 三軸在空間構成了柱坐標系，同時，高性能和高編程解析度的數控系統將複雜面形零件的三維笛卡爾坐標轉化為極坐標，並對所有運動軸發送插補進給指令，精確協調主軸和刀具的相對運動，實現對複雜面形零件的車削加工。慢刀伺服車削Z 軸和X 軸往往同時作正弦往複運動，需要多軸插補聯動，如圖7 所示。因此，在加工前需要對零件面形進行多軸協調分析，進而確定刀具路徑和刀具補償。此外，慢刀伺服受機床滑座慣性和及電動機響應速度影響較大，機床動態響應速度較低，適合加工面形連續而且較大的複雜光學器件。

圖 7 慢刀伺服車削（2）快刀伺服（Fast Tool Servo）車削與慢刀伺服的差別在於：將被加工的複雜形面分解為迴轉形面和形面上的微結構，然後將兩者疊加。由X軸和Z 軸進給實現迴轉形面的軌跡運動，對車床主軸只進行位置檢測並不進行軌跡控制。藉助安裝在Z 軸但獨立於車床數控系統之外的冗餘運動軸來驅動刀具，完成車削微結構形面所需的Z 軸運動。這種加工方法具有高頻響、高剛度、高定位精度的特點。

圖8 快刀伺服刀架 快刀伺服是一套伺服控制的刀架及其控制系統，金剛石刀具在壓電陶瓷驅動下可以進行Z 軸的往複運動。控制系統在實時採集主軸角度信號的基礎上，實時發出控制量，控制刀具實時微進給，從而實現刀具跟蹤工件面形的起伏變化，如圖8 所示。快刀伺服在加工前僅需對零件面形進行精確計算，生成能表徵零件面形的數據文件。此外，快刀伺服系統的運動頻響高、行程只有數毫米，更適於加工面形突變或不連續、有限行程內的微小結構。 隨著太空探測、衛星通信和能源技術的發展，超精密加工技術的應用範圍正在急劇擴大。例如，具有巨大的產業、經濟、科技和社會效應的太陽能利用和半導體照明等戰略性新興產業都離不開超精密加工技術的支撐。因此，超精密加工已成為衡量一個國家製造科技水平的重要標誌。
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