大直徑菲涅爾透鏡模具加工發(fā)展現(xiàn)狀及展望*

關(guān)佳亮 陳志德 曹成國(guó) 汪文昌

(①北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100124;②北京工研精機(jī)有限公司，北京 101312)

菲涅爾透鏡具有不遜于傳統(tǒng)透鏡的光學(xué)聚焦和光學(xué)成像性能，因其質(zhì)量輕、厚度薄、口徑大、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，在太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能電站及顯像領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［1－2］。

太陽(yáng)能作為一種清潔能源，其開(kāi)發(fā)利用已經(jīng)受到人們的普遍重視。目前，全球投入使用的太陽(yáng)能發(fā)電站裝機(jī)容量約有700 MW，在建項(xiàng)目1 200 MW，已經(jīng)宣布建設(shè)的裝機(jī)容量則為1.26萬(wàn)MW。大直徑菲涅爾透鏡作為集熱元件，是太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分。另外，激光背投電視在國(guó)外已經(jīng)逐步成熟，其顏色表現(xiàn)能力是平板電視的2～3倍，消耗的電能為現(xiàn)有液晶電視的1/2，等離子電視、傳統(tǒng)電視機(jī)的1/3。一條背投電視生產(chǎn)線的造價(jià)僅為液晶的幾十分之一，而且生產(chǎn)過(guò)程非常環(huán)保。激光背投電視的核心部件顯示屏為菲涅爾透鏡，其規(guī)格尺寸逐步增大。隨著太陽(yáng)能電站的發(fā)展和背投電視進(jìn)入家庭，對(duì)大直徑菲涅爾透鏡的市場(chǎng)需求將會(huì)越來(lái)越大。

目前，大直徑菲涅爾透鏡的制造，主要通過(guò)超精密金剛石車削加工技術(shù)加工出模具，利用模壓成型工藝制作大直徑菲涅爾透鏡［3－9］。圖1為菲涅爾透鏡模具示意圖。

菲涅爾透鏡模具具有同心圓環(huán)式細(xì)齒溝槽表面，相鄰環(huán)帶的角度和深度有細(xì)微變化。環(huán)距小，環(huán)數(shù)眾多，刀具加工軌跡由一簇相互之間不連續(xù)的同心圓環(huán)構(gòu)成，需要機(jī)床進(jìn)行成千上萬(wàn)次的退刀、進(jìn)刀。同時(shí)，相鄰環(huán)帶的傾角有微小差距，需對(duì)刀具所在回轉(zhuǎn)軸進(jìn)行微調(diào)。整個(gè)加工過(guò)程中，機(jī)床各軸不停地起動(dòng)、停止以及微調(diào)，這樣對(duì)機(jī)床的重復(fù)定位精度要求極高［10－11］。另外，為提高光學(xué)性能，菲涅爾透鏡工作表面的表面粗糙度要求極高，應(yīng)達(dá)到納米級(jí)精度，因此對(duì)加工工藝水平提出了很高的要求。

為解決大直徑菲涅爾透鏡模具的加工難題，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了專用機(jī)床及加工工藝的研究，本文就針對(duì)大直徑菲涅爾透鏡模具的加工，詳述國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀。

1 大直徑菲涅爾透鏡模具加工的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

大直徑菲涅爾透鏡在大型照明系統(tǒng)和空間太陽(yáng)能電池光伏系統(tǒng)等領(lǐng)域中，具有重要的軍事及商業(yè)應(yīng)用價(jià)值，但其加工難度高，只有日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家掌握了大型菲涅爾透鏡加工的關(guān)鍵技術(shù)和加工設(shè)備。

日本東芝機(jī)械從上世紀(jì)70年代就開(kāi)始超精密加工的研究，經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展，積累了大量的核心科技和專有技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的高剛度、高精度和高穩(wěn)定性。

東芝機(jī)械大尺寸投影和屏幕透鏡模具超精密加工機(jī)床有ULR、UTD系列，其中龍門式加工機(jī)床UTD－2200B、UTD－3400B，主要用于大直徑菲涅爾透鏡模具的加工，模具直徑分別達(dá)到φ2 200 mm和φ3 400 mm。機(jī)床主要配置有由液體靜壓軸承主軸支承的高精度回轉(zhuǎn)臺(tái)，高剛度、高精度雙V滾針導(dǎo)軌，高精度回轉(zhuǎn)B軸，高速度、高精度控制技術(shù)和直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)(1 nm反饋控制)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的切削過(guò)程，保證了面形精度和表面粗糙度。圖2為UTD－3400B機(jī)床結(jié)構(gòu)圖，圖3為回轉(zhuǎn)B軸示意圖，圖4為菲涅爾透鏡模具加工過(guò)程示意圖。

東芝機(jī)械大直徑菲涅爾透鏡模具加工機(jī)床UTD系列目前處于國(guó)際先進(jìn)水平。表1為UTD－2200B、UTD－3400B主要技術(shù)指標(biāo)。

美國(guó)在超精密加工領(lǐng)域一直處于引領(lǐng)地位。Preciteck是一家超精密機(jī)床制造商，已在全球推出超過(guò)1 200款機(jī)床，主要為單晶、有色金屬和黑色金屬材料旋轉(zhuǎn)對(duì)稱和自由形態(tài)應(yīng)用提供全面的超精密多軸金剛石車削、研磨、切槽和銑削機(jī)床。

表1 UTD－2200B、UTD－3400B技術(shù)指標(biāo)

Nanoform 700 Ultra是大容量超精密加工系統(tǒng)，專為生產(chǎn)單點(diǎn)金剛石車削和確定細(xì)微研磨光學(xué)鏡片、光學(xué)模具鑲件、光學(xué)鏡和精密機(jī)械組件而設(shè)計(jì)。該機(jī)床配置有0.01 nm編程分辨率和32 pm反饋分辨率運(yùn)動(dòng)控制體系，X、Z軸應(yīng)用高剛度靜壓油軸承導(dǎo)軌和直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，快刀伺服系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)表面結(jié)構(gòu)的金剛石車削，旋轉(zhuǎn)B軸是直接驅(qū)動(dòng)的油靜壓軸承，具有整體式高分辨率編碼器，自適應(yīng)控制技術(shù)(ACT)應(yīng)用到機(jī)床上，改進(jìn)了面形精度和表面粗糙度。

Nanoform 700 Ultra應(yīng)用于菲涅爾透鏡模具的加工，最大加工直徑700 mm，面形精度最小可達(dá)0.3 μm PV，表面粗糙度達(dá)1 nm。

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

大型數(shù)控超精密菲涅爾透鏡加工設(shè)備的開(kāi)發(fā)和研究2004年列入國(guó)家863計(jì)劃，2007年甘肅天水星火機(jī)床有限公司聯(lián)合清華大學(xué)成功完成了LKG5833大型數(shù)控超精密菲涅爾透鏡加工設(shè)備的研制。該設(shè)備集數(shù)控技術(shù)、在線測(cè)量技術(shù)、精密成形專有技術(shù)于一體，是目前國(guó)內(nèi)先進(jìn)的超精密加工設(shè)備。

北京工研精機(jī)有限公司在2009年完成大型菲涅爾透鏡模具加工機(jī)床CKG1800VL項(xiàng)目的研制。圖6為CKG1800VL機(jī)床結(jié)構(gòu)圖。

通過(guò)對(duì)機(jī)床總體布局設(shè)計(jì)、部件優(yōu)化、裝配調(diào)試精度控制及切削參數(shù)實(shí)驗(yàn)，滿足了加工技術(shù)指標(biāo)，最大加工直徑為φ2 000 mm，表面粗糙度達(dá)到納米級(jí)，在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先水平。表2為CKG1800VL主要技術(shù)指標(biāo)。

表2 CKG1800VL技術(shù)指標(biāo)

目前，北京工研精機(jī)有限公司聯(lián)合北京工業(yè)大學(xué)開(kāi)展“大直徑端面透鏡模具加工超精密機(jī)床”的研究開(kāi)發(fā)，本課題屬于“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”國(guó)家科技重大專項(xiàng)的一個(gè)子課題。北京工研精機(jī)有限公司負(fù)責(zé)機(jī)床設(shè)計(jì)，北京工業(yè)大學(xué)負(fù)責(zé)加工工藝的理論和實(shí)驗(yàn)研究。課題目標(biāo)是設(shè)計(jì)完成用于大直徑菲涅爾透鏡模具加工的超精密機(jī)床，要達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)為最大加工直徑φ2 200 mm，主軸回轉(zhuǎn)精度1 μm，機(jī)床X軸行程1 200 mm，Z軸行程200 mm，X、Z、B軸編程分辨率分別為 50 nm、50 nm、0.000 1°，加工工件表面粗糙度小于10 nm。該項(xiàng)目完成后將會(huì)使我國(guó)在大直徑菲涅爾透鏡模具加工設(shè)備的制造和研究方面處于國(guó)際先進(jìn)水平。

國(guó)內(nèi)也有其他相關(guān)企業(yè)進(jìn)行菲涅爾透鏡產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，加工工藝技術(shù)逐步提高，生產(chǎn)規(guī)模日益擴(kuò)大。臨邑宇影光學(xué)儀器有限公司，從1968年成立至今從事菲涅爾透鏡的生產(chǎn)，專注于光學(xué)設(shè)計(jì)，各種類型菲涅爾透鏡模具制造及成形工藝的研究，相繼開(kāi)發(fā)出太陽(yáng)能光伏聚光、背投影屏幕、投影儀等用途的菲涅爾透鏡產(chǎn)品。國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)成都菲斯特科技有限公司，致力于菲涅爾透鏡的研究，開(kāi)發(fā)市場(chǎng)，擁有先進(jìn)的大型單點(diǎn)金剛石超精密模具加工設(shè)備和多種生產(chǎn)手段，擅長(zhǎng)大型、高精度菲涅爾透鏡的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)最大的單點(diǎn)金剛石超精密加工機(jī)床，能夠加工高精密微細(xì)結(jié)構(gòu)，加工工件直徑可達(dá)φ2 000 mm。

2 大直徑菲涅爾透鏡加工的發(fā)展趨勢(shì)

盡管國(guó)內(nèi)外對(duì)大直徑菲涅爾透鏡模具加工的研究已經(jīng)取得了不少成果，但國(guó)內(nèi)對(duì)大直徑(φ2 000 mm以上)菲涅爾透鏡模具加工機(jī)床的研究水平與美國(guó)、日本還有很大差距，目前還是空白。如何結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況開(kāi)展對(duì)大直徑菲涅爾透鏡模具加工設(shè)備及其工藝的研究以縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距是當(dāng)前亟待解決的主要問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)已掌握資料的分析研究，提出了以下關(guān)于大直徑菲涅爾透鏡模具加工設(shè)備及其加工工藝研究的發(fā)展趨勢(shì):

(1)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

傳統(tǒng)的菲涅爾透鏡是同心圓環(huán)狀，環(huán)帶工作面是平面。最新設(shè)計(jì)可以使每個(gè)工作面具有準(zhǔn)確的非球面輪廓，避免了由溝槽寬度引起的對(duì)聚焦精度的限制。同時(shí)，同心圓環(huán)式可以設(shè)計(jì)成阿基米德螺線式，更適合金剛石車削加工，能夠降低對(duì)機(jī)床的精度要求，并可以提高加工效率。改善光學(xué)設(shè)計(jì)，提高光學(xué)性能和可加工性，是菲涅爾透鏡發(fā)展的基本方向［12－15］。

(2)機(jī)床系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

超精密機(jī)床仍然是大直徑菲涅爾透鏡模具加工必不可少的基礎(chǔ)設(shè)備，機(jī)床性能直接影響模具的加工質(zhì)量。高剛度、高精度回轉(zhuǎn)主軸，導(dǎo)軌的進(jìn)給穩(wěn)定性和定位精度，高剛度、高回轉(zhuǎn)精度B軸，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)等是機(jī)床系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，也是未來(lái)研究的重點(diǎn)所在。另外，隨著民用產(chǎn)品的市場(chǎng)需求不斷增大，對(duì)機(jī)床加工效率的要求也會(huì)越來(lái)越高。

(3)加工工藝技術(shù)的優(yōu)化研究

專用金剛石刀具的設(shè)計(jì)與刃磨是加工制造中的重要一環(huán)。優(yōu)化刀具角度、幾何形狀以及提高刃磨工藝水平是研究的重要內(nèi)容［16－18］。工件變形受切削力、切削熱的影響，因此需要對(duì)切削力、切削熱的變化規(guī)律進(jìn)行研究，以保證模具的面形精度。另外，切削參數(shù)直接影響到加工穩(wěn)定性和工件加工質(zhì)量，通過(guò)理論研究和實(shí)驗(yàn)分析優(yōu)化切削參數(shù)是研究的重點(diǎn)［19－20］。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，由于大直徑菲涅爾透鏡在綠色低碳產(chǎn)業(yè)和環(huán)保節(jié)能產(chǎn)品領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，因此世界各國(guó)在大直徑菲涅爾透鏡模具加工制造設(shè)備的研發(fā)方面投入了大量的人力物力。我國(guó)目前研制的大直徑菲涅爾透鏡模具加工專用設(shè)備的最大加工直徑僅為φ2 000 mm，加工精度為亞微米級(jí)，日本目前最大加工直徑可達(dá)φ3 400 mm，加工精度達(dá)納米級(jí)。因此“大直徑端面透鏡模具加工超精密機(jī)床及加工工藝的研究”被列為2011年國(guó)家科技重大專項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”的子課題，旨在提升制造裝備的水平，縮小與國(guó)外的差距。筆者認(rèn)為在提高制造裝備水平的同時(shí)，工藝的研究水平也不能滯后，離開(kāi)了先進(jìn)的工藝，設(shè)備的先進(jìn)性也就無(wú)法體現(xiàn)。因此開(kāi)展大直徑菲涅爾透鏡模具加工工藝的實(shí)驗(yàn)研究也是不可忽視的，必須給予同樣的高度重視。

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