光学冷加工工艺

  第1道：铣磨，是去除镜片表面凹凸不平的气泡和杂质,(约0.05-0.08)起到成型作用.

  用抛光机和抛光粉或抛光液一起下进行抛光要设定抛光时间,压力等参数. 抛光后要立即进行清理洗涤可浸泡,否则抛光粉会固化在玻璃上,会留有痕迹的.

  抛光粉通常由氧化铈、氧化铝、氧化硅、氧化铁、氧化锆、氧化铬等组份组成，不同的材料的硬度不同，在水中的化学性质也不同，因此使用场合各不相同。氧化铝和氧化铬的莫氏硬度为9，氧化铈和氧化锆为7，氧化铁更低。氧化铈与硅酸盐玻璃的化学活性较高，硬度也相当，因此大范围的使用在玻璃的抛光。

  为了增加氧化铈的抛光速度，通常在氧化铈抛光粉加入氟以增加磨削率。铈含量较低的混合稀土抛光粉通常掺有3-8的氟;纯氧化铈抛光粉通常不掺氟。

  对ZF或F系列的玻璃来说，因为本身硬度较小，而且材料本身的氟含量较高，因此应选用不含氟的抛光粉为好。

  粒度越大的氧化铈，磨削力越大，越适合于较硬的材料，ZF玻璃应该用偏细的抛光粉。要注意的是，所有的氧化铈的颗粒度都有一个分布问题，平均粒径或中位径D50的大小只决定了抛光速度的快慢，而最大粒径Dmax决定了抛光精度的高低。因此，要得到高精度要求，必须控制抛光粉的最大颗粒。

  抛光粉的真实硬度与材料有关，如氧化铈的硬度就是莫氏硬度7左右，各种氧化铈都差不多。但不同的氧化铈体给人感觉硬度不同，是因为氧化铈抛光粉通常为团聚体。当然，有的抛光粉中加入氧化铝等较硬的材料，反映出来的磨削率和耐磨性都会提高。

  抛光过程中浆料的浓度决定了抛光速度,浓度越大抛光速度越高。使用小颗粒抛光粉时，浆料浓度因适当调低

  光学镜片经过研磨液细磨后，其表面尚有厚约 23 m 的裂痕层，要消除此裂痕层的方法即为抛光。抛光与研磨的机制一样，唯其所使用的工具材质与抛光液 (slurry) 不同，抛光所使用的材料有绒布 (cloth)、抛光皮 (polyurethane) 及沥青 (pitch)，通常要达到高精度的抛光面，最常使用的材料为高级抛光沥青。利用沥青来抛光，是藉由沥青细致的表面，带动抛光液研磨镜片表面生热，使玻璃熔化流动，熔去粗糙的顶点并填平裂痕的谷底，逐渐把裂痕层除去。

  目前抛光玻璃镜片所使用的抛光粉以氧化铈 (CeO2) 为主，抛光液调配的比例依镜片抛光时期不同而不一样，一般抛光初期与和抛光模合时使用浓度较高的抛光液，镜片表面光亮后，则改用浓度较稀的抛光液，以避免镜面产生橘皮现象 (镜片表面雾化)。

  抛光与研磨所用的运动机构相同，除了抛光的工具与工作液体不一样外，抛光时所需环境条件亦较研磨时严苛。一般抛光时要注意的事项如下：

  抛光沥青表面要与镜片表面吻合，否则抛光时会产生跳动，因而咬持抛光粉而刮伤镜片表面。

  抛光的过程中必须随时注意镜片表面的状况及精度检查。透镜表面瑕疵的检查，因为检测的过程是凭个人视觉及方法来判断，所以检验者应对刮伤及砂孔的规范有深刻的认知，要经常比对刮伤与砂孔的标准样版，以确保检验的正确性。

  a. 氧化铈抛光粉颗粒呈多边形，棱角明显，平均直径约2微米，莫氏硬度7～8级， 比重约为7.3。由于制造工艺和氧化铈含量的不同，氧化铈抛光粉有白色(含量达到98% 以上)、淡黄色、棕黄色等。

  b. 氧化铁抛光粉 俗称红粉，颗粒呈球形，颗粒大小约为0.5～1微米，莫氏硬度4～7 级，比重约为5.2。颜色有从黄红色到深红色若干种。

  综上所述，氧化铈比红粉具有更高的抛光效率，但是对表面光洁度要求高的零件，还是使用红粉抛光效果较好。

  抛光胶又名抛光柏油，是由松香、沥青以不同的组成比例配制而成，用于光学零件的精密抛光。

  在光学工件的抛光中，若对抛光面的面形精度(光圈)要求不高时，长采用呢绒、毛毡及其它纤维物质作为抛光模层的材料。

  光学零件的某些质量指标，如透镜的曲率半径、棱镜的角度，需要用专门的测试仪器来测量。常用的仪器有：光学比较侧角仪、激光平面干涉仪、球径仪和刀口仪等。

  在抛光过程中添加抛光液要适当。太少了参与作用能够的抛光粉颗粒减少，降低抛光效率。太多了，有些抛光粉颗粒并不参与工作，同时也带来大量液体使玻璃边面的温度下降，影响抛光效率。抛光液的浓度也要适当，浓度太低，即水分太多，参与工作的抛光粉颗粒减少并使玻璃表面温度降低，因此降低抛光效率。浓度太高，即水分带少，影响抛光压力，抛光粉不能迅速散布均匀，导致各部压力不等，造成局部多磨，对抛光的光圈(条纹)质量有影响。而且单位面积压力减少，效率降低，抛光过程中产生的碎屑也不能顺利排除，使工件表面粗糙。一般是开始抛光时抛光液稍浓些，快完工时，抛光液淡些，添加次数少些，这有利于提高抛光效率和光洁度。另外，一般认为抛光液的酸度(pH值)应控制在6～8之间，否则玻璃表面会被腐蚀，影响表面光洁度。

  在抛光过程中检查光圈(条纹)时，如不合格，能够最终靠调整抛光机的转速和压力、工件与模具(抛光机下盘)的相对速度、相对位移、摆速和修整抛光模层等办法来进行修改。

  a.提高主轴转速，能增加边缘部位与上模接触区域的抛光强度。经验证明，若速度过高，抛光表面温度上升，从而使抛光模层硬度降低，影响修改光圈(条纹)的效果。

  b.增加荷重以加大压力时，可提高整个抛光模和工件间接触区域的抛光强度，也将使抛光表面的温度上升，降低抛光模层的硬度。

  c.加大铁笔(上盘主轴)的位移量，可使上盘的中间部位和下盘的边缘部位同时得到修整。

  d.加大摆幅长度，增加摆轴速度会使上盘的中间部位和下盘的边缘部位加速抛光。

  e.刮槽是减少开槽部分的压力承受面和摩擦面，因此抛光下盘在开槽部分的抛光效力降低。反之，未开槽部分的抛光效力有所增大。均匀开槽时，能使抛光下盘的流动性适合与工件表面的曲率。同时，既能使抛光液含量增加，容易渗入抛光下盘面而增加抛光效力，又能减轻抛光机传动负荷。

  综上所述，为了控制和稳定抛光条件，工作场地应保持较为稳定的温度(25C左右)和湿度(相对湿度为60～70%)。

  光学玻璃腐蚀是伴随着光学玻璃抛光及抛光下盘以后的全过程,它受抛光粉及抛光用水的酸碱度以及抛光液使用时间延续趋于呈碱性及周围环境中潮湿空气、酸性气体等因素影响而产生的一种非物理性腐蚀。因此,可以认为光学玻璃腐蚀是一个化学过程,如果仅仅停留在抛光下盘以后,采用若干保护措施,显然是不够的。应在抛光过程中就采取必要的防护措施。

  ZF、ZBaF、LaK等光学玻璃在抛光过程中及抛光下盘以后的腐蚀问题,长期以来一直影响着这些光学玻璃零件的加工质量和生产效率。通过对光学玻璃在抛光过程中稳定性课题的研究和生产实验,研制并筛选出比较理想的光学玻璃抛光添加剂;即在这些化学稳定性差的光学玻璃抛光液中,添加适当的pH值调节剂及表面稳定剂,减少了ZK、ZF、ZBaF、LaK等系列化学稳定性差的光学玻璃在抛光过程中的腐蚀问题,明显提高了抛光表面上的质量和合格率,并进一步提升了光学玻璃零件加工的效率和效益及其工艺技术水平.

  光学玻璃腐蚀是伴随着光学玻璃抛光及抛光下盘以后的全过程,它受抛光粉及抛光用水的酸碱度以及抛光液使用时间延续趋于呈碱性及周围环境中潮湿空气、酸性气体等因素影响而产生的一种非物理性腐蚀。因此,可以认为光学玻璃腐蚀是一个化学过程,如果仅仅停留在抛光下盘以后,采用若干保护措施,显然是不够的。应在抛光过程中就采取必要的保护措施。随着中高档光学仪器需求量的增加,ZK、ZF、ZBaF、 LaK等化学稳定性差的光学玻璃应用比较普遍,因此,光学玻璃在工艺流程中的腐蚀问题,显得更为突出。光学玻璃的腐蚀是一个化学过程。依照光学玻璃在抛光过程中的化学作用这一基本思路,除选择合理的工艺参数外,对光学玻璃在抛光过程中产生腐蚀问题采取积极的保护措施:即在抛光液中添加适当的pH值调节剂和表面稳定剂,为光学玻璃抛光创造一个良好的工艺条件;再在抛光下盘以后,采取若干保护措施,提高化学稳定性差的光学玻璃防腐蚀的可靠性,基本上可解决与光学玻璃加工相伴而行的非物理性腐蚀问题,取得较好的效果。

  二、光学玻璃腐蚀及其表象光学玻璃的耐水性及耐周围环境酸、碱等不同介质的侵蚀,主要根据光学玻璃化学稳定性,这与不同光学玻璃组成结构及SiO2的含量有关。但在光学玻璃抛光过程中的腐蚀,更直接原因则是受抛光液的酸、碱性的影响;抛光下盘以后,则是受周围潮湿空气及带酸性气体等因素的影响。玻璃的水解作用,可以看成是水与玻璃表面硅酸盐发生水合和水解作用反应,使玻璃表面碱金属或碱土金属离子置换出来,结果在玻璃表明产生硅酸凝胶、氢氧化物、碳酸盐等。即Na2SiO3+2H2O=H2SiO3+2NaOH

  溶液呈现碱性时形成的硅酸凝胶薄膜减缓水的侵蚀作用。但硅酸凝胶薄膜往往呈多孔状或因龟裂而产生裂纹,于是富集在溶液中的碱就会促进侵蚀玻璃的网络体,使玻璃结构遭到破坏。如果SiO2含量高,形成的硅氧四面体[SiO4]相互连接程度大,键数多,键能强,网络结构坚固,不易被水侵蚀。因此,SiO2含量高的光学玻璃化学稳定性就好;反之SiO2含量低,而碱金属或碱土金属氧化物含量高的光学玻璃化学稳定性就差,极易被腐蚀。腐蚀的结果:轻则改变玻璃表面组成,产生氢氧化物、硅酸凝胶,甚至碳酸盐的覆盖物;重则玻璃的网络结构遭到腐蚀破坏。这里以腐蚀现象严重的ZF6、ZBaF3等光学玻璃为例: ZF6、ZBaF3这两种光学玻璃SiO2的含量均在30%左右,同时耐水性差PbO、BaO的含量大大超过一般光学玻璃,它本身的组成结构就决定其化学稳定性差。ZF6光学玻璃的PbO含量高达65%以上,玻璃的耐水性明显降低,这就可能在抛光过程中受水或抛光下盘以后受潮湿空气侵蚀,其表面则有Pb(OH)2生成。即

  Pb(OH)2是一个很弱的碱,或是说一个两性化合物,在水中溶解度极小,属微溶性化合物,水解溶液中OH-离子很少。因此,ZF玻璃遇水后腐蚀缓慢,情况并不严重;但受还原性物质NaSiO3的影响,这类高铅玻璃表面出现“铅膜”,玻璃表面呈昏暗的雾状膜.ZBaF3光学玻璃的BaO含量高达46%以上,ZK11光学玻璃的BaO含量高达48 9%,这些玻璃的耐水性明显降低,这就可能在抛光过程中受水或抛光下盘以后吸收带有酸性气体的潮湿空气而受到侵蚀,使Ba++离子产生易溶于水或酸性的物质;这类玻璃水解时有Ba(OH)2生成。

  Ba(OH)2是一个比Ca(OH)2更强的碱,在水中溶解度也比 Ca(OH)2较大,这就从另一方面代表着ZK、LaK的玻璃水解溶液中有大量的OH-离子存在,而OH-离子对玻璃网络体中的Si-O键进行亲核Si+O- OH-进攻,使SiO键断裂。同时,玻璃水解后氢氧化物吸收空气中或水中的CO2,则生成碳酸盐2NaOH+CO2=NaCO3+H2O这时NaOH和NaCO3溶液也构成对玻璃的腐蚀,特别是由于NaCO3的反常现象,对玻璃的腐蚀更为严重,并破坏玻璃立体的网络结构。同时,在抛光过程中由于玻璃的不断水解,产生出来的碱使抛光液的pH值一直上升,化学稳定性差的光学玻璃使抛光液的pH值上升更快,有时甚至达到pH值8 5～9的平衡值。抛光液呈碱性后有大量的OH-离子存在,也就产生前述的OH-离子对玻璃网络结构中的Si-O键的亲核进攻,使SiO键断裂,玻璃主体的网络结构受到破坏,造成玻璃的严重腐蚀。如前所述,水对玻璃的腐蚀过程中把玻璃中的碱金属或碱土金属离子置换出来,在生成氢氧化物的同时玻璃表面也生成硅酸凝胶或碳酸盐等。它们在玻璃表明产生不规则的厚薄不均的干涉薄膜或斑痕,在反射光下有的形状与颜色像飘浮在水面上的“油斑”,有的似天空中灰薄云层的“暗斑”“水印”或“灰路子”“白斑”等等。这些薄膜或斑痕表象各异,叫法不同,但都是光学玻璃抛光表面受水、酸、碱等介质不同程度侵蚀的结果。据认为:青色斑点是基于玻璃表面各种金属离子(如K+、Na+、Ca++等)的逸出而形成不规则的多孔性的硅酸薄膜,有时也有极小量的各种金属离子盐类的微晶。由于表面厚度的不均匀性产生不同的干涉颜色,甚至呈现彩虹色膜。而白色斑点则是基于玻璃表面各种金属离子(如K+、Na+、Ca++、Ba++、Pb++等)逸出形成硅酸薄膜的同时,还有大量的氢氧化物、碳酸盐、硫酸盐等微小结晶生成。当把玻璃表面的白斑去掉以后,它下面则又能够正常的看到青斑了。可以认为:光学玻璃在抛光过程中或抛光下盘以后,在它表面出现的油膜或斑点是由于玻璃受水或其它介质侵蚀而在玻璃表面产生的硅酸凝胶、氢氧化物、碳酸盐等的覆盖物。就其本质而言,这是一种非物理性腐蚀现象。

  三、光学玻璃在抛光过程中的保护措施根据以上讨论,光学玻璃受腐蚀的程度,可以归结为:光学玻璃的组成结构,构成玻璃材料本身的化学稳定性及当时所处的环境,即接触的水、酸、碱等介质这两个重要的因素。而要改变光学玻璃组成结构,以改善其物理化学性能,势必影响其光学性能,这就失去采用此类玻璃的实际意义了。只有在工艺流程中改善其外部条件才是可行的。在抛光过程中由于抛光液的酸碱性或抛光液使用时间的延续抛光液呈碱性等情况,都是可能的。依照光学玻璃在抛光过程的化学作用的基本观点,认为抛光液的pH值呈现弱酸性和中性对玻璃的腐蚀甚小,有利于提高抛光速率和表面粗糙度;但随着抛光过程的延续,抛光液连续使用时间过长,其抛光液的 pH值呈上涨的趋势,即呈现碱性。这是因为玻璃中的碱金属或碱土金属离子不断溶入抛光液。高速抛光的抛光液循环使用显而易见。即使古典法抛光、用毛笔蘸点抛光液后的残液不断带进抛光液中,其抛光液的pH值也是上涨的趋势。抛光液pH值的变化,特别是抛光液pH值的升高对玻璃抛光是十分不利的。实际生产中通常选用的抛光液pH值在6～7之间,有利于玻璃的水解,有较高的抛光速率;但也因光学玻璃的材质而不一样。因此,选择正真适合的抛光液添加剂,使抛光液的pH值在较长时间里维持在适当的范围内,以保证光学玻璃抛光的正常进行是防止光学玻璃在抛光过程中受腐蚀的一个重要措施。为了能够更好的保证光学零件抛光表面的质量,对那些耐酸性差的光学玻璃,把抛光液的pH值调节在7～8之间。如含BaO较高的光学玻璃,它耐酸性较差,即钡玻璃的耐碱性较好,所以在弱碱性的抛光液中进行抛光较为贴切。对那些耐碱性较差的光学玻璃,把抛光液的pH值调在6～6 5之间。如ZnO含量较高的光学玻璃耐碱性较差,但耐酸性好,所以在呈弱酸性的抛光液中抛光较为贴切。以及含TiO2较高的光学玻璃,它耐碱性较差,而耐水性、耐酸性较好,其抛光液的pH值调在6～7之间较为贴切。无论冕牌光学玻璃还是火石光学玻璃其抛光液的pH值处于5 8～6 8之间都有较高的抛光速率。当抛光液pH值高于7 5以后,抛光速率显而易见地下降。这是因为抛光液呈弱酸性时,有利于玻璃的水解进行;其pH值升高以后,甚至达到水解平衡值,玻璃的水解速度减慢,硅酸胶体易于稳定不利于抛光。这是因为:抛光液呈弱酸性时,有利于水解进行,即玻璃中的Na+、K+、Ca++等离子与水中的H+离子发生交换反应,这时玻璃的水解反应对抛光速率起了特殊的推动作用;当抛光液pH值偏碱性时,玻璃中碱金属的 Na+、K+等离子和碱土金属Ca++、Mg++等离子不易从玻璃中析出,而阻碍玻璃的水解反应,并直接影响硅酸胶体的稳定性。因为硅胶易溶于碱性溶液,在碱性溶液中就能较稳定的形成胶体状态。但硅胶不易溶于酸性溶液,这使硅酸胶体虽结成大颗粒沉淀,这样无疑是对抛光不利的。所以抛光液的pH值高时,则硅胶稳定,不利于抛光。为了使抛光液的pH值稳定在一个合适的范围内,ReCl3?6H2O、CeCl3?7H2O、 NdCl3?6H2O、La(NO3)3?6H2O、Zn(NO3)2?6H2O都有使弱碱性溶液恢复至中性和弱酸性的能力,其中ReCl3?6H2O和CeCl3?7H2O、Zn(NO3)2?6H2O的效果都很好。在外界碱量大大超过稳定剂中和碱量的情况下,它们仍能控制抛光液的pH值在中性附近。混合氯化稀土(ReCl3?6H2O)加入抛光液中,它不断水解产生H+离子,中和了玻璃水解而产生的OH-,水解平衡后产生多余的H+离子,因而使得抛光液的pH值维持在中性或弱酸性。锌盐(Zn(NO3)2?6H2O)或铝盐加入抛光液中,它不仅提高了玻璃的抛光效率,它维护抛光液呈中性作用。除水解产生的H+离子外,还有一个及其重要的作用,就是锌盐或铝盐在抛光液中有可溶性碳酸盐时,可促使锌盐或铝盐的完全水解,生成相应的氢氧化物,

  而Zn(OH)2是一个两性化合物,当抛光液呈酸性时,表现为弱碱性;当抛光液呈碱性时,则表现为酸性,能起到自动调节pH值的作用。这时由于有下列平衡Zn+++2OH-碱性Zn(OH)2=2H+酸性+ZnO=2Al++++3OH-碱性Al(OH)3=H+酸性+AlO-2+H2O并且它们更具应用的广泛性,在抛光液中加入一定量的锌盐或铝盐能使抛光液的pH值接近中性,保持抛光液pH值的稳定性。同时,当抛光液呈现碱性时有ZnO=2或AlO-2存在,还能抑制碱性溶液对光学玻璃的侵蚀作用,并提高了抛光效率,是光学玻璃抛光的良好添加剂。

  四、光学玻璃抛光下盘后的处理玻璃对水的亲和力大,表面吸湿性强,最容易吸收的便是水。特别是刚刚抛光下盘后的光学玻璃表面留有不饱和化学键,具备极高的活性,极易吸收水份并与之发生反应。所以微量的水份及酸性气体对玻璃表面是十分有害的,化学稳定性差的光学玻璃对此非常敏感。这与在酸性条件下进行抛光的情况是截然不同的。玻璃的吸湿性很强,因此,刚抛光下盘后的光学零件应立即用无水的乙醇、混合液擦拭干净,并在红外灯下烘干,涂上有机硅增水膜层,烘干固化后再涂上中性保护漆。无水乙醇收敛玻璃表面水份的能力较强,有无水的存在也极易挥发;烘干后,除去玻璃表面的湿存水,否则即使很高的烘烤温度也难以除去玻璃表面的水份。硅有机物或其单体能在玻璃表明产生有机基团和硅氧烷群结合的有机硅氧薄膜和聚合硅氧膜[SiO2]n。O SiRROSiRRO 在玻璃表面产生一定的烷基定向效应,形成一种有机硅氧膜。这种憎水膜可以借助于玻璃硅有机物的公共硅氧键而联结起来,起到屏障保护作用。即SiROOOSiROOSiROO玻璃表面光学玻璃抛光下盘后使用的憎水膜,一般为三烷基氧基硅烷[R3Si(OR)],使亲水的玻璃表面改变成憎水的玻璃表面,阻止空气中的水份或酸性气体的侵蚀。基于以上机理,采用十二烷基三甲氧基硅烷(49#防雾剂)配成适当浓度的无水溶液作为光学零件的防腐蚀材料.十二烷基三甲氧基硅烷经逐步水解缩合,产生如下反应C12H25Si(OCH3)3 +nH2OC12H25SiOHOHOH+3CH3OH它具有长链的烷基C12H25,有一定的定向效应,能在玻璃表明产生紧密的烷基覆盖层。同时也具有SiOHOHOH硅醇结构,能与玻璃表面起化学反应,经充分交联使膜层牢固的结合起来,有效的阻止空气中的水份或酸性气体的侵蚀。光学玻璃抛光下盘以后涂中性保护漆。除有上述的补充作用外,主要是为保护玻璃抛光表面免受擦伤。但一般保护漆具有酸性(如虫胶漆)或溶剂具有毒性(如苯、香蕉水等)或腐蚀玻璃或对操作人员有害。我们研制的中性保护漆避免了上述缺点。它是以热塑性酚醛树脂为成膜物质,添加聚乙烯醇缩丁醛和硅有机物以改善酚醛树脂的脆性和吸湿性。用无水乙醇为溶剂,配制成适当浓度,便于涂敷和成膜,形成膜层对玻璃抛光表面有较好的附着性和防护能力,并便于清洗。 _hq.R)r 0h

  从玻璃的腐蚀机理出发,依照光学玻璃在抛光过程中的化学作用,对ZK、ZF、ZBaF、LaK等化学稳定性差的光学玻璃在其抛光液中添加适当的pH值调节剂及表面稳定剂,在抛光过程中抑制玻璃腐蚀的可能性。使这几种光学玻璃抛光表面一次合格率从0%～10%左右分别提高到75%～85%左右。即使在高温高湿条件下,其一次合格率也能稳定在75%以上。同时提高抛光速率近2倍;并提高玻璃抛光表面的粗糙度及“亮度”。抛光下盘以后,可存放数天或10多天时间,便于零件运转和下道工序加工。在抛光下盘以后,再作若干补充保护措施,更为可靠。这项有理论、有实践、可操作的对化学稳定性差光学玻璃抛光过程中的保护措施,进一步提升了光学冷加工的效率和效益及其工艺技术水平。

  5)选用适当的粘结胶，控制工序温度和镜盘忽冷忽热, 粘结胶厚度应符合标 准

  7)抛光材料(抛光胶或聚胺脂)偏硬、使用时间长表面起硬壳或边缘有干硬堆积物

  在光学冷加工中，使用冷却液的目的是对金刚石磨削工具进行冷却，以带走光学玻璃工艺流程中的热量，保证光学冷加工的顺利进行，但对这一目的，在使用水或其它有机液体作为冷却介质后，大多数都能够达到要求，尤其是使用水介质，成本低廉，冷却效果也十分理想。但是如果在光学冷加工中用自来水来冷却，能确定地说，其加工是低效率的，因为金刚石工具没办法发挥其最大的工作效率，因此冷却液的核心作用是与金刚石工具协调作用，保证金刚石工具能将自身的磨削效能发挥到极至，同时较高质量的冷却液还能带来高质量的加工表面，减少对光学玻璃的浸蚀，降低抛光后水印和霉菌的产生。当然好的冷却液还应该具备比较好的缓蚀性能，没有气味和不污染自然环境及其它影响健康的不利因素。

  水与光学冷加工设施接触后，将直接引发设备的锈蚀，因此冷却液的缓蚀性能是冷却液最基本的技术方面的要求。根据光学冷加工设施常用的材料，应该对铸铁、普通钢板、铝件或铜件具有缓蚀作用。质量较差的冷却液往往会加速设备腐蚀，降低冷加工设施的常规使用的寿命，从而增加生产成本。

  为了使光学冷却液具有我们所需要的性能，我们在自来水中加入了某些特性物质，比如一定量的金属缓蚀剂，表面活性剂，适宜的润滑剂等物来组成冷却液的配方，它们的引入往往会带来我们不需要的一些现象，比如：泡沫、气味、对皮肤的过敏或刺激、对设备的腐蚀、毒性等，这些现象的强弱或大小，直接影响了冷却液的综合性能。

  高效光学冷加工大体上分为铣磨(粗磨)，精磨，和抛光三个阶段，各阶段所采用的工艺参数、辅料直接影响了光学加工的效能。在铣磨(粗磨)，精磨或超精磨过程中，冷却液的作用不可小觑。

  用金刚石铣磨轮或钻石粒(丸片)加工光学玻璃大体上分为三个阶段，即预磨、主磨削和光刀阶段。根据各个阶段的目的，冷加工设施由继电器控制调压阀来调节气压的大小和磨削时间。在预磨阶段，由于磨具与玻璃之间吻合不好，施与低压可防止冲击而使金刚石磨盘的丸片脱落或使镜盘工件打坏。在这一阶段，由于金刚石工具与被加工光学元件处于低压接触磨削状态，此时金刚石对光学玻璃的磨削量很小，而同时，粗糙的玻璃表面对金刚石工具基体也产生磨削，作用的结果就是在金刚石工具的工作面上形成一个破坏层，这个破坏层由镶嵌在基体中的金刚石小颗粒、合金基体的小突起和被吸附的基体粉末、金刚石粉、玻璃粉等。此阶段是金刚石工具被致锐的阶段，也是冷却液发挥作用的主要阶段，在此阶段，冷却液的作用是使吸附在工具表面的金属基体微小颗粒和玻璃粉脱离工作面，从而增加了金刚石露出基体的高度，为主磨削作好准备。在主磨削阶段，由于光学玻璃粗糙度逐渐变小，它与金刚石工具的接触面积增大，在主磨削高压挤压磨削状态下，在工作面将产生高热量，此时，磨具工作面由于压力和热量的作用，在预磨阶段产生的金属基体小突起将产生塑性变形，突出基体的金刚石微粉也被挤压而产生位移，被塑性变形的基体金属重新包覆起来，在预磨阶段被吸附的基体颗粒有可能被重新熔入基体，增加了金刚石微粉被包覆的程度，此现状某些文献将之称为金刚石工具的 “腻塞”，导致的结果就是金刚石工具的切削力下降。在光刀阶段，压力变小，光学件表面粗糙度得到进一步的降低。

  根据上述分析，冷却液最主要的作用就是将在精磨预磨阶段产生的基体粉末最大量地吸附或溶解到冷却液中，由此减少金刚石工具的 “腻塞”现象，以保证金刚石工具的切削力，如何达到这个目的呢?通常的看法有：

  在磨削过程中由于热量和空气的作用，基体金属有部分原子被氧化变为金属离子，适宜的络合剂会与这些离子被络合而脱离磨具工作面。

  从理论上讲，有一定的道理，但是，它往往还与化学反应的速率有关，应该说，它只起到辅助作用，因为，相较于机械摩擦来说，受所选用的化学物质的限制，它的反应速率要慢得多。

  然而上面的两种认识往往难于使冷却液达到所需要的性能，更深层次的认识是解决光学冷却液切削性能的技术核心。

  作为冷却液配方物质的选择，其原则是：无毒、无味、不起跑(或低泡)，对皮肤刺激较小，对环境无污染，当然这只是一种原则，因为为了兼顾材料的使用性能，往往难于达到每种材料都能满足我们的要求，试验中往往以综合性能来对选用物质进行取舍。

  冷却液在精磨加工中，切削力会缓慢下降，直到不能够满足加工要求。连续加工的时间或加工的玻璃件数就是冷却液的寿命。切削力的下降能够理解为有效物质的消耗，从而使其作用下降。光学冷却液的常规使用的寿命是衡量冷却液性能的另一个重要标准。 

  光学冷却液在光学冷加工中具有十分重要的作用，其选用直接影响了光学冷加工的效能，最高性价比是选用光学冷却液的最重要的原则。

  1891年，美国人阿切逊将粘土和焦炭混合后放在一个铁钵中，企图用电弧将碳转化为金刚石。但结果是，在电极附近发现了闪闪发光的六方形晶体，它与天然金刚石的立方八面体不同。阿切逊认为这可能是碳和粘土中的氧化铝反应而生成的新化合物。由于自然界中有一种氧化铝矿物称为刚玉，于是他把碳和刚玉两个英文单词连起来作为这一新化合物的名称，中国学者将其译成“金刚砂”。后来人们明白这种化合物是由粘土中的二氧化硅与碳在高温下反应生成的碳化硅。

  晶胞为面心立方结构，每个晶胞含有4个C原子4个Si原子。与金刚石结构类似。

  碳化硅硬度仅次于金刚石、碳化硼和立方氮化硼，在无机材料中排行第四。目前已能通过热压烧结法制得高致密度的碳化硅。它具备极高的强度及良好的抗氧化性能，在高温下不变形，可作为高温燃气轮机上的涡轮叶片，也可作耐磨的密封材料，还可作火箭尾喷管的喷嘴及轻质的防弹用品等。

  金刚砂，SiC，学名碳化硅。纯的是无色晶体。密度3.06～3.20。硬度很大，大约是莫氏9度。一般的是无色粉状颗粒。磨碎以后，可以作研磨粉，可制擦光纸，又可制磨轮和砥石的摩擦表面。由砂和适量的碳放在电炉中加强热制得。

  天然金刚砂又名石榴子石，系硅酸盐类矿物。经过水力分选，机械加工，筛选分级等方法制作而成的研磨材料。生产使用历史悠远长久，古代我国就有使用金刚砂研磨水晶玻璃，各种玉石的史例。十九世纪四十年代又远销东洋。分粗目，中目，细目三大类。其中粗目为黑红色，中目为淡红色，细目为红白色，各种目数粒度均匀，颗粒形状均一，成棱叫角晶体，有锋利的边缘，磨削力高。供石材类工业研磨大理石及其它软质材料。玻璃类工业研磨玻璃毛边，电视机显像管，光学器械，镜片，棱镜，钟表用玻璃等。金属类工业喷砂，除锈，研磨。印刷工业研磨胶版，以及轻工业加工塑样，皮革，砂纸等用途。

  (1)对硅片、光学镜头 、精密仪器仪表、抛光玻壳、玻璃器皿、陶瓷石料、皮革、塑料、金属机件能提高光洁度

  (3)可作为修筑高速公路路面、飞机跑道、耐磨橡胶、工业地坪.防滑油漆等尚佳的耐磨材料

  天然金刚砂的磨削力略低于电炉白刚玉，但其任性强，具有介壳状段口之特性，其优点是磨件的光洁度高，砂痕少而浅。磨面细而均匀，可提升产品质量，为本品的独特之处。天然金刚砂的研磨时间短，效益高，价格低，可弥补寿命短的不足。

  测定矿物的硬度，通常是把两种矿物对划，看那种矿物被划伤，以此来确定矿物的硬度。具体做法是选择10种“标准矿物”，先用互相刻划的方法分别确定出1～10个硬度等级，以后便用这些标准矿物来刻划待测矿物，通过比较来确定后者的硬度。硬度1为最软，硬度10为最硬。用这种方法测定的硬度，按照提出此方法的科学家的姓氏，叫做“莫氏硬度”。如果没有特别说明，谈到硬度，多半指的就是“莫氏硬度”。

  另外也有用绝对标准来测定矿物的绝对硬度的方法，例如“努普硬度”。这种方法是在尖形金刚石的上方加上重量，用尖头挤压待测矿物，然后测量在矿物表面所形成的压痕的大小和所施加的压力(单位为千克/毫米^2，通常表示为“HK”)。由于这种方法测出的是绝对硬度，所得的数值增加一倍，硬度也增加一倍。不过，这种测定硬度的方法对所测矿物有较大损伤，一般不大使用。

  A，清洗工艺的技术关键：光学玻璃经过清洗后能否达到表面不留任何油污，污迹，表面十分光滑，水膜完好!

  (1)玻璃本身的质量及被污染的情况，主要为：表面有霉点，气泡，划伤等，在机械处理中，如：研磨，搽试，测应力时，人为导致的污染情况不一;

  国际上应用最广的清洗剂为CFC-113，四氯化炭，1-1-1三氯乙烷(简称ODS)等，此类清

  洗剂对臭氧层有破坏，属于非环保性清洗剂;我们采用非ODS的水类碱性清洗剂，主要由水，碱，表面活性剂，防锈材料组成，化学式C3H8，具有侧链的环状烯烃，具有较强的溶油能力;特点：低毒，不燃，清洗成本低等特点;

  通常清洗液的PH值一般在8.5-12之间，若PH值大于10，侧表面活性物质作用要削弱，当PH

  值大于12时，侧清洁度下降。在实际使用中发现当溶液浓度过大，超过15%，清理洗涤效果不好

  当温度上升，溶液的反应速度也上升，污染物的粘度下降，便于污染物脱离，但溶液的稳定

  (5)在清洗过程中，还应注意一定要使用纯水或去离子水，若使用自来水等硬水侧很难除去玻璃上的油污，且水中所含的Ca,Na离子等杂质会在烘干后的玻璃表明产生一层白色雾状膜，污染玻璃;

  (6)玻璃经清洗后需漂洗，漂洗后的清洁度，除与清洁剂的漂洗性和清洗液中的清洁剂浓度有关外，还与漂洗工序的多少，漂洗供水量的大小，温度及循环使用的纯水是否干净有关;

  应尽量保证玻璃垂直，可在玻璃下垫陶瓷柱，避免烘干后玻璃下沿有水印;烘箱温度控制在70度左右，时间在20分钟左右。若温度过高，会在玻璃边角上产生花纹

  在光学冷加工中，镜片的清洗主要是指镜片抛光后残余抛光液、黏结剂、保护性材料的清洗;镜片磨边后磨边油、玻璃粉的清洗;镜片镀膜前手指印、口水圈以及各种附着物的清洗。传统的清理洗涤方法是利用擦拭材料(纱布、无尘纸)配合化学试剂(汽油、乙醇、丙酮、)采取浸泡、擦拭等手段进行手工清擦。这种方法费时费力，清洁度差，显然不适应现代规模化的光学冷加工行业。这迫使人们寻找一种机械化的清洗手段来代替。于是超声波清洗技术逐步进入光学冷加工行业并大显身手，逐步推动了光学冷加工业的发展。

  超声波清洗技术的基础原理，大概能认为是利用超声场产生的巨大作用力，在洗涤介质的配合下，促使物质发生一系列物理、化学变化以达到清洗目的的方法。

  当高于音波(28～40khz)的高频振动传给清洗介质后，液体介质在高频振动下产生近乎真空的空腔泡，空腔泡在相互间的碰撞、合并、消亡的过程中，可使液体局部瞬间产生几千大气压的压强，如此大的压强使得周围的物质发生一系列物理、化学变化。这种作用称为空化作用：

  1.空化作用可使物质分子的化池键断裂，引起各种物理变化(溶解、吸附、乳化、分散)和化学变化(氧化、还原、分解、化合)等。

  2.当空腔泡的固有频率和超声频率相等时，可产生共振，共振的空腔泡内聚集了大量的热能，这种热能足以使周围物质化学键断裂而引起物理、化学变化。

  3.当空腔泡形成时，两泡壁间因产生极大的电位差而引起放电，致使腔内气泡活化进而引起周围物质的活化，从而使物质发生物理、化学变化。

  超声场为清洗提供了巨大的能量，但还需化学洗剂作为介质。一般将化学洗剂分为两类，一类是有机溶剂，主要是根据相似相溶的化学原理，对有机物如：黏结剂(沥青、松香等)、保护性材料(沥青、树脂等)、磨边润滑油进行溶解。在光学洗净中，最初用三氯乙烯、芳香烃、氟里昂等作为清洗剂，这类物质虽然溶解性强，但有的易挥发，毒性大，有的对大气臭氧层有破坏作用，被逐步禁用。现国内多采用一些上述物质的改进产品或某些碳氢化合物做溶剂。目前使用较多的另一类清洗剂是以表面活性剂为主要成分的水基清洗剂，其清洗原理简单地说是由于表面活性剂的分子结构中同时含有亲油基的亲水基，具有极性和结构不对称的特点。正是这种特点使得它能极大降低水溶液的表面张力，使物体表面易于润湿，表面污物易于被溶解，分散在清洗液中而达到洗涤的目的。

  超声波清洗就是在液体清洗介质中，利用超声场产生的巨大能量，通过物理、化学的综合作用而达到洗净目的的一种洗净手段。

  那么，在光学冷加工中，超声波清洗是怎么来实现洗净目的的呢?一般来说，清洗工艺主要以干燥的方式命名，如ipa工艺，是指利用ipa(异丙醇)蒸汽进行脱水干燥的清洗工艺，纯水工艺是指利用热纯水慢提拉或冷纯水甩干的方式来进行干燥的清洗工艺。当然，还有别的的命名方式。经过不断的变化、发展，光学冷加工中的清洗工艺主要以ipa工艺和纯水工艺为主。

  因为洗涤过程分溶剂清洗和水基清洗，所以有不同的工艺：有先进行溶剂清洗、溶剂蒸汽干燥再进行水基清洗;也有先进行溶剂清洗，再用乳化剂溶解溶剂，再进行水基清洗的。显然，后者在流程上更流畅、紧凑，对设备要求也简单。经过洗涤后的镜片表面不会有结合牢固的污垢，仅可能有一些清洗剂和松散污垢的混合物。

  我们知道，无机光学玻璃是一种过冷的熔融态物质，没固定的分子结构，它的结构式可描述为二氧化硅和某些金属氧化物形成的网状结构。其骨架结构为键能很大的硅氧共价键，外围是键能小、易断裂的氧与金属离子形成的离子键。在洗涤时，由于超声场和化学洗剂的共同作用，某些硅氧键含量少或者外围键能特别小的的材料易于在清洗过程中发生明显的变化而导致洗涤效果不良。所以，选择性能温和的洗剂、合适的洗剂浓度、温度、超声功率、洗涤时间对保证镜片的清洗质量十分重要。

  利用流水将洗涤后镜片表面的洗剂和污物溶解、排除的过程称为漂洗。影响漂洗效果的因素有以下几个：洗剂的漂清性能，漂洗水的纯度、温度和流动性、超声波频率等。一般在40khz时，在常温下，电导率为0.1s/m的纯水能够保证漂洗的要求。

  经过漂洗后的镜片表面的洁净度应和漂洗水洁净度一致。当它进入ipa后，虽然ipa能和纯水进行无限度的相混溶，但在超声波的作用下，这种混溶能进行得更快速、彻底，从而使得镜片表面的状态和混溶后ipa相同。这一过程称为脱水。所以影响脱水的重要的因素是ipa的纯度、超声波频率、脱水时间。一般ipa的最低浓度要高于97%。

  脱水后的镜片进入ipa蒸汽槽干燥。蒸汽槽的结构大体如下：槽体下部为ipa液体，四周是高沸点油加热腔，上部是由若干圈冷凝管围绕成的冷凝区，冷凝管内是由冷水机提供的循环冷水，镜片由链条驱动的托架带动在干燥槽内运行。干燥的原理及过程如下：蒸汽槽ipa在高温油的加热下沸腾，蒸汽向上进入冷凝区，在冷凝区形成浓度、温度相对来说比较稳定的蒸汽区，脱水后表面附有液体ipa的镜片进入蒸汽区时，蒸汽区的蒸汽在低温的镜片表面冷凝液化，冲刷镜片表面，如同淋浴，当镜片表面温度和蒸汽温度相同时，已不再附有液态ipa，而全转化为ipa。此时，镜片在托架的带动下上升回到冷凝区，在这一过程中，由于温度的渐低，镜片表面ipa蒸汽冷凝液化，液化的ipa一部分在表面张力和重力的作用下离开镜片，一部分在夹具散热时挥发离开镜片表面，经以上过程后，镜片表面得到干燥。由此可见，影响干燥的因素很多：ipa的纯度、干燥位置、链条的提升速度、冷水机的水温、冷凝行程的长短、干燥时间、夹具材料、形状的选用等等。

  以上是ipa工艺的四个流程简介，纯水工艺由三个流程组成：洗涤、漂洗、干燥。洗涤和漂洗与ipa工艺相同，不再重复。不同之处在于干燥。干燥分两种情况，热纯水慢提拉和冷纯水甩干。

  电阻率大于15mm纯水在某一高温下，表面张力能达到最大，漂洗后的镜片浸入其中，表面不被润湿，在倾斜慢提拉离开时，由于极大的表面张力。纯水迅速在表面收缩成球形离开镜片，脱水后的镜片在过滤的热风下而达到干燥。所以，水的纯度、温度、慢提拉速度、工件的倾斜度、热风的洁净度对干燥的影响非常大。

  冷纯水甩干的工艺很简单：经过纯水漂洗后的镜片放入离心甩干机中，在工件取得平衡时，启动甩干机，利用离心分离的原理将镜片表面的纯水分离达到干燥，对要求不高的镜片能取得满意效果，且能节省ipa和场地。但对甩干机的平衡性能要求很高。

  以上是对光学冷加工中超声波清洗工艺的一些简介，实现工艺的载体是设备，一台设计合理、稳定性很高的超声波清洗机能充分的发挥超声波清洗工艺的特长。

  真空镀膜的过程中有时会产生喷点及潮斑(花斑)，这些喷点、潮斑(花斑)极大的影响了薄膜的品质，降低产品的合格率。本文将对喷点、潮斑(花斑)的形成原因以及消除方法作一探讨。

  1. 镀膜材料纯度不高，含杂质较多,预熔过程中无法将这些杂质去除,蒸镀过程中杂质溅上工件表明产生喷点。

  2. 材料较为潮湿,预熔时电子枪光斑不能将表面的材料全部熔化,在蒸镀过程中也易产生喷点(这种情况在用国产电子枪镀制MgF2及一些直接升华的材料时较易发生)。

  3. 镀膜前对材料来预熔时不够充分,蒸镀过程中材料里的细小颗粒溅上工件表明产生喷点。

  1. 清洗液配比不好,含有较多水份,清洗后工件表面留有残迹,镀膜后形成花斑。

  2. 镀制两个面以上的工件时,一面镀制完成,清洗第二面时,镀制完的一面受到污染,在第二面镀膜后形成花斑。

  3. 工件本身含有的水份(工件白片制作的步骤细解),在蒸镀前的烘烤过程中逸出,蒸镀后形成潮斑。

  4. 镀膜夹具在烘烤过程中会有水汽以及其它废气排出,蒸镀后在工件表明产生潮斑且对镀膜后的光学特性产生影响。

  针对以上喷点、潮斑(花斑)的成因,在生产中采取了以下一些措施以消除喷点、潮斑(花斑):

  1. 选择可靠的材料供应商,并对购买的每批材料在投入到正常的使用中前先做一测试,判定材料的可靠性。

  2. 规范材料的领用、保管,(干燥缸,干燥剂)保证材料不受潮,材料性质无变化。

  3. 规范镀膜操作,严格执行预熔、蒸镀的操作规程。蒸镀前的材料预熔一定要彻底,镀制某些较厚的膜层时能够使用多次预熔的方法消除喷点。

  4. 规范清洗操作,加强清洗后的检查,提高清洗质量,消除因清洗而产生的潮斑(花斑)。

  6. 规范镀膜夹具的管理。每次投入到正常的使用中前,夹具需要先经过清洗、烘烤(300度,3小时之后)才能投入生产。

  7. 设计镀膜夹具时,尽量采用在真空室内放气量小的材料,同时可采取夹具表面镀Ni的方法降低夹具的放气量,消除由此产生的潮斑(花斑)。

  通过以上这些措施,镀膜过程中产生的喷点、潮斑(花斑)能够获得很有效的控制。