毕业论文-透镜的加工与制造工艺

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1、透镜的加工与制造工艺——激光微纳实验室成家豪2220150088学习了金属切削理论这门基础课程，了解了很多有关切削的基础知识。在此我结合实验室的激光微纳的研究方向：空间光整形。通过空间光整形的知识与金属切削的知识相结合，我在这里对透镜的加工与制造工艺做一个综述。透镜在激光微纳的实验中必不可少，无论是激光的产生与整形，都需要通过透镜的一系列性质对激光进行不同程度上的控制。而透镜的加工更是与金属切削理论的精密加工紧密相关。由于透镜在生产和实验中都具有高精度的要求，因此对加工的工艺有非常高的要求。本文主要介绍菲涅尔透镜的加工。菲涅尔透镜具有不逊于传统

2、透镜的光学聚焦和光学成像性能，因其质量轻、厚度薄、门径大、结构紧凑等优点，在太阳能热水器、太阳能电站及显像领域奋着广泛的应用。菲涅尔透镜(Fresnellens),又名螺纹透镜，多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的，镜片表而一而为光而，另一而刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是根据光的干涉及扰射以及相对灵敏度和接收角度耍求来设计的。透镜的要求很高。目前，大直径菲涅尔透镜的制造，主要通过超精密金刚石车削加工技术加工出模具，利用模压成型工艺制作大直径菲涅尔透镜。菲涅尔透镜的介绍阁一为菲涅尔透镜模具示意阁。菲涅尔透镜模具具有同心圆环式细齿沟槽

3、表面，相邻环带的角度和深度有细微变化。环距小，环数众多，刀具加工轨迹由一簇相互之间不连续的同心圆环构成，需要机床进行成千上万次的退刀、进刀。同时，相邻环带的倾角冇微小差距，需对刀具所在冋转轴进行微调。整个加工过程屮，机床各轴不停地起动、停止以及微调，这样对机床的重复定位精度要求极高。另外，为提高光学性能，菲涅尔透镜工作表面的表面粗糙度要求极高，应达到纳米级精度，因此对加工工艺水平提出了很高的要求。大直径菲涅尔透镜在大型照明系统和空间太阳能电池光伏系统等领域中,A有重要的军事及商业应用价值，但其加工难度高，只有日木、美国等发达国家掌握了大型菲涅尔

4、透镜加工的关键技术和加工设备。UTD-3400B国内也有其他相关企业进行菲涅尔透镜产品的设计和生产，加工工艺技术逐步提高，生产规模日益扩大。临邑宇影光学仪器有限公司，从1968年成立至今从事菲涅尔透镜的生产，专注于光学设计，各种类型菲涅尔透镜模具制造及成形工艺的研究，相继开发出太阳能光伏聚光、背投影屏幕、投影仪等用途的菲涅尔透镜产品。国家高新技术企业成都菲斯特科技有限公司，致力于菲涅尔透镜的研宂，开发市场，拥有先进的大型单点金刚石超精密模具加工设备和多种生产手段，擅长大型、高精度菲涅尔透镜的设计、开发和生产，国内最大的单点金刚石超精密加工机床，

5、能够加工高精密微细结构，加工工件直径可达2000mm。通过对己掌握资料的分析研究，提出了以下关于大直径菲涅尔透镜模具加工设备及其加工工艺研究的发展趋势：(1)光学系统的设计研宄传统的菲涅尔透镜是同心圆环状，环带工作面是平面。最新设计可以使每个工作面只有准确的非球面轮廓，避免了由沟槽宽度引起的对聚焦精度的限制。同时，同心圆环式可以设计成阿基米德螺线式，更适合金刚石车削加工，能够降低对机床的精度要求，并可以提高加工效率。改善光学设计，提高光学性能和可加工性，是菲涅尔透镜发展的基本方向。(2)机床系统的设计研究超精密机床仍然是大直径菲涅尔透镜模再加工

6、必不可少的基础设备，机床性能直接影响模具的加工质量。高刚度、高精度冋转主轴，导轨的进给稳定性和定位精度，高刚度、高回转精度B轴，运动控制技术等是机床系统的关键组成部分，也是未来研宄的重点所在。另外，随着民用产品的市场需求不断增大，对机床加工效率的要求也会越来越高。(1)加工工艺技术的优化研究专用金刚石刀具的设计与刃磨是加工制造中的重要一环。优化刀具角度、几何形状以及提高刃磨工艺水平是研究的重要N容。工件变形受切削力、切削热的影响，因此需要对切削力、切削热的变化规律进行研究，以保证模具的面形精度。另外，切削参数直接影响到加工稳定性和工件加工质量，

7、通过理论研究和实验分析优化切削参数是研究的重点。菲涅尔透镜的金刚石车削加工工艺分析:根据金刚石尖刀的加工特点，我们对所设计的菲涅尔透镜的金刚石刀具加工工艺进行了分析：(1)菲涅尔透镜的环带工作面的角度a对加工的影响。从图2中我们可以看到随着工作面的角度a的大小决定了加工时需要使用的金刚石尖刀的刀尖角度的大小。a越大，需要的尖刀的刀尖角度越小。但是金刚石尖刀的这种结构特点决定了它的刀尖角度越小，造成刀尖强度越小。容易产生刀尖的刃崩与磨损，因此设计时应避免采用过大的工作面角度a。(2)金刚石尖刀刀尖半径对透镜衍射效率的影响。由于刀具有一定的半径R，

8、实际切削表面如图3,其中阴影为理想衍射结构。实际面形与理想衍射结构的差别将在环带过渡处造成遮挡效应。图屮黑色部分为拦光区域，入射到这一区域内的光线将偏