角锥棱镜加工工艺研讨

0引言

角锥棱镜是一个由三个相互垂直的反射平面（俗称小面）和一个入射平面（俗称大面）构成的四面体。角锥棱镜由于具有使入射光线沿原方向返回的光学特性，因而在激光测距、激光通讯、精密仪器等领域有着广泛的运用［1，2］。与其他光学元件相比，除了有面形和尺寸公差等要求外，还有透过波前差和反射光束的平行差要求，因此角锥棱镜是一种加工难度大的光学元件［3］。目前角锥棱镜的加工方法有两种：一种是角锥棱镜毛坯逐面加工法［4］，即棱镜的第一个直角面可按照一般研磨工艺加工，利用手工或光胶法精磨抛光第二个直角面，采用T型夹具精磨抛光第三个面，最后加工大面与各直角面夹角为54°44＇，此工艺适合大口径（Φ＞15mm），加工过程中需要反复的检验和修正，工艺要求高，加工效率低；另一种是立方体切角法［5］，即首先铣磨出一个立方体，依次逐个加工立方体的六个面，且直角和平行度也在1"以内，加工完毕后，把这些面保护好，再对正方体进行切割斜面，一个立方体最多可以切下8个锥体棱镜，适合小口径（Φ＜15mm），加工过程中容易产生崩边，材料浪费多。在这两种加工工艺中，为保证面形精度和二面角精度，需要使用手工或光胶法加工，手工加工是光学工艺人员一点一点地用工具去除工件中多余的部分，需要边加工边检测，直到工件合格为止，此种加工方法加工周期长，对加工人员技术水平要求高，不适宜批量和大量生产。而光胶法是利用光胶工具的高精度来复制出高精度的产品，因此在批量加工前需要生产出高精度的光胶工具，且光胶工具需要反复修正维护，费时费力［6］。为了满足角锥棱镜在实际生产工艺中的效率和成本要求，本文设计了适宜角锥棱镜的靠体，在铣磨成型、粗修及精修、粗抛工序中成盘加工工件，使角锥棱镜整体工艺方案加工工序减少，生产节奏快，效率高，精度可保证。

1角锥棱镜加工工艺简介

我们自20世纪70年代就开始了角锥棱镜的加工工艺的研究，成功地探索出了采用配重分离器进行精加工工艺的方法，并提出“自差法”检测高精度锥体棱镜的方法［7］，形成了一套行之有效的加工工艺，工艺流程为立方体加工切割、铣磨成型、粗磨及精磨、粗抛及精抛、最后进行滚圆。由于在精抛过程中采用了分离器加工，因此角锥棱镜的四个表面能够保证有很好的面形，并以配重块边加工边检测来保证角锥棱镜的二面角精度。

1．1靠体设计

靠体上盘是在光胶法的基础上发展起来的一种棱镜上盘方法，通过翻转靠体就可以连续加工几个面，适宜批量生产加工，具有高的生产效率。在靠体上盘中，靠体的制造误差都会反映到零件的制造误差上［8］，为了降低角锥棱镜靠体的制造误差，就必须保证靠体的精度。通过在金属角锥棱镜靠体外包裹一层K9光学玻璃能够使靠体的二面角精度保持在5″，靠体如图1所示。角锥棱镜的靠体形状与被加工的棱镜是一致的，加工过程中用靠体二面角角度精度保证角锥棱镜的二面角角度精度，故对靠体的要求有以下几点：（1）靠体角度精度的确定。由于金属靠体材质为45号钢，无法利用比较测角仪来检测其二面角精度，因此在金属靠体的三个小面上粘贴5mm厚的光学玻璃，并利用配重分离器对粘贴有光学玻璃的靠体进行二面角修正，使其精度保证在5″。金属靠体在与光学玻璃的结合过程中需要选用有足够粘性的胶，以保证靠体在进行铣磨时玻璃与金属靠体不脱胶。（2）靠体与棱镜的结合。靠体与棱镜的结合过程需要选用火漆作为粘结材料，火漆具有足够高的粘性，可保证靠体翻转时不与棱镜脱胶。火漆的主要成分是松香和沥青，具有熔点低的特点，在棱镜加工结束下盘时，棱镜加温后用小木锤轻轻敲击靠体就可下盘。（3）靠体与垫板的结合。垫板用K9玻璃制作，其直径与厚度之比以不使垫板产生变形为准，为了使靠体与垫板的牢固结合，在金属靠体及外层玻璃上开一个螺纹孔，用螺栓来实现靠体与垫板的紧密结合，其成盘效果如图2所示。

1．2工艺流程

（1）切割。根据角锥棱镜的技术要求来确定毛坯立方体的尺寸和加工余量，用金刚石锯片将立方体毛坯切割成两块角锥棱镜的毛坯。由于金刚石锯片的厚度为2mm，立方体对角切割深度一般在30～70mm，因此切割工序的加工余量控制在1～2mm。（2）铣磨。用粗砂将切割完的毛坯角锥棱镜大面上的切痕去除，再将毛坯大面与靠体大面粘接在一起。在粘接过程中要保证毛坯面的一个小面与靠体相对的小面平行，将靠体放在平面铣磨机磁力工作台面上进行铣磨，铣磨工序的加工余量控制在0．5mm。（3）粗磨和精磨。粗磨和精磨的目的是使光学工件表面的凸凹层深度和裂纹层深度减小［9］。将经过铣磨后的角锥棱镜工件及靠体成盘固定在玻璃垫板上，用螺栓固定，在环抛机上进行粗磨和精磨。粗磨和精磨的砂分别为W280和W60，加工完第一面后翻转靠体进而成盘加工第二个面和第三个面，经过粗磨和精磨加工后的工件表面粗糙度由肉眼观察，无砂眼和擦痕即可，粗磨和精磨的单面加工余量取0．2～0．25mm。（4）粗抛．粗抛的目的是将经过粗磨和精磨的工件进行抛亮，经过粗抛的工件一般都有面型和角度偏差的要求，粗抛在环抛机上进行，研磨角偏差为5″，面形控制到N＝1。粗抛过程中加工余量为0．05mm。（5）精抛。在精抛工序中采用以配重分离器的方式进行抛光。由于经过了成盘粗抛工序，角锥棱镜的整个表面都能反光，因此精抛的任务是对角锥棱镜的三个相互垂直的反射面进行修改光圈和对二面角角度进行控制，经过精抛工序的角锥棱镜，其面形能达到N＝0．2和ΔN＝0．1，二面角误差可控制在±1″以内，精抛的磨去量一般≤0．01mm，因此加工余量也必须≤0．01mm。（6）检验。利用ZYGO干涉仪对加工好的角锥棱镜成品进行二面角偏差、光束的平行差和透过波前的检测，如图3所示。由ZYGO干涉仪检测结果可知：此块角锥棱镜透过波前差PV＝0．48λ，RMS＝0．09λ，三个二面角偏差分别为θ1＝＋0．1″、θ2＝－0．1″、θ3＝＋0．1″。由于（＋0．1″）＋（－0．1″）＋（＋0．1″）＝＋0．1″，因此光束为发散波面。光束平行差依次为BeamDev．（1）＝0．5″、BeamDev．（2）＝0．7″、BeamDev．（3）＝0．8″、BeamDev．（4）＝0．5″、BeamDev．（5）＝0．9″、BeamDev．（6）＝0．4″，其光束平行差的均方差［3］BeamDev．RMS＝0．66″，属于高质量角锥棱镜。

2角锥棱镜加工工艺分析

从生产效率考虑，此工艺从铣磨开始就成盘加工，对第一个面从粗磨、精磨到粗抛完成后，然后下盘，再通过翻转靠体上盘，加工角锥棱镜的第二个面和第三个面，工序少，生产节奏快，适合大批量生产。从生产工艺考虑，此工艺从粗磨、精磨到粗抛都是成盘化加工，精确地给定了各工序的工艺尺寸，加工操作过程简单，且靠体成盘加工能很好地保证批量零件的互换性，降低了对工艺人员的技术要求。从产品质量考虑，在粗磨、精磨和粗抛工艺中，主要是以磨削方法最大限度地提高面形精度和降低表面粗糙度，以靠体的精度来保证角锥棱镜二面角精度，最后以古典抛光方法对面形和二面角进行微小修正，保证了产品的高精度要求。

3结论

角锥棱镜是一种市场需求量大、加工难度高的光学元件，其主要技术要求就是透过波前差和反射光束的平行差，而这两项技术指标主要是由角锥棱镜的各面面形和三个反射面的二面角精度（即邻面的相互垂直精度）决定的。本文设计了一种适用于角锥棱镜加工的简易靠体，通过靠体二面角精度来保证角锥棱镜的二面角精度，通过抛光工艺对角锥棱镜进行面形精度的控制，并在铣磨成型、粗修、精修、粗抛工序中成盘加工，使角锥棱镜整体工艺方案加工工序少，生产节奏快，效率高，精度可保证。

作者：罗青山 郭唐永 李翠霞 姚运生 单位：中国地震局地震研究所地震大地测量重点实验室 中国地震局地壳应力研究所武汉科技创新基地