- 1 -
MỞ ĐẦU
Ngày nay các máy móc, thiết bị quang học và quang điện tử không chỉ
là những phương tiện dùng trong nghiên cứu, giáo dục và giải trí mà ngày
càng trở thành một công cụ sản xuất trực tiếp ra các loại sản phẩm hàng hóa,
đặc biệt là các sản phẩm công nghệ cao. Nhờ có ưu điểm đưa ra độ chính xác
rất cao, phép đo không tiếp xúc, có độ tin cậy và lặp lại cao và có khả năng
truyền tải. Các phương pháp đo đạc quang học và quang - điện tử ngày càng
đóng vai trò to lớn. Thiết bị đo lường quang - điện tử càng tiên tiến thì sản
xuất càng được tự động hoá, chất lượng sản phẩm được nâng cao, nguyên vật
liệu, thời gian, năng lượng cho một đơn vị sản phẩm càng được tiết kiệm. Đất
nước ta đang trong tiến trình hội nhập quốc tế, điều đó có nghĩa là tỷ trọng
hàm lượng chất xám và công nghệ cao trong các sản phẩm và dịch vụ làm ra
phải được nâng lên.
Tất cả các ống kính, thiết bị quang học được sử dụng ở nước ta đều
phải nhập ngoại kể từ loại rất đắt như hiển vi cắt lớp, ống kính chụm ảnh
trong thể thao, máy quay phim trong điện ảnh cho đến những sản phẩm
thông dụng như kính lúp, ống nhòm Do đó việc chủ động thiết kế chế tạo
được các thiết bị quang học sẽ có một ý nghĩa rất to lớn không chỉ về mặt
kinh tế mà còn có tính bí mật đối với quốc phòng và an ninh.
Tự động hoá quá trình gia công và đo lường là việc tích hợp điều
khiển tự động, cơ khí, quang học, tin học, điện tử cho các nguyên công như
phay, mài nghiền, đánh bóng và định tâm cũng như đo đạc tự động ngay
trong quá trình sản xuất như đo độ cầu, đo vòng quang
Trình độ gia công quang học ở nước ta hiện nay ở mức độ thấp. Hiện
nay chỉ có một vài nhà máy gia công quang học: Nhà máy Z123 thuộc Tổng
cục Công nghiệp và Quốc phòng, Viện Kỹ thuật Công an, Cty Kính mắt Hà
- 2 -
Nội. Nhưng chất lượng sản phẩm chưa cao nên rất cần những thiết bị gia công
chi tiết quang có chất lượng cao. Hiện tại các sản phẩm làm ra chủ yếu là do
tay nghề người thợ mà chưa có ứng dụng khoa học hiện đại (tin học, điện tử,

- Có sự đối tiếp giữa bề mặt chi tiết và dụng cụ
- Có huyền phù mài ở giữa bề mặt dụng cụ và chi tiết.
Mài nghiền được sử dụng trong các lĩnh vực như: gia công cơ khí, gia
công quang học, gia công gốm sứ… Tuy nhiên chúng có những đặc điểm
chung là:
- 4 -
- Sử dụng các lưỡi cắt của hạt mài, số lượng hạt mài tham gia cắt lớn
nhưng áp lực và vận tốc cắt lại không lớn.
- Quá trình chuyển động của hạt mài là không có quy luật (hỗn độn), do
đó vết cắt không lặp lại.
- Mài nghiền có năng suất thấp
1.2 Bản chất cắt gọt của quá trình mài nghiền và đánh bóng
Phương pháp mài nghiền và đánh bóng thuỷ tinh quang học bằng hạt
mài tự do được sử dụng khi có các yêu cầu cao về độ chính xác tạo hình bề
mặt chi tiết gia công. Thuỷ tinh trước khi đưa vào đánh bóng phải qua các
nguyên công gia công sơ bộ cưa, phay và mài nghiền. Quá trình nghiền tinh
bằng hạt mài tự do là nguyên công cuối trước khi chuyển sang đánh bóng nó
có tính chất quyết định đến hình dạng hình học của sản phẩm.
Hình 1.2: Nguyên lý cắt gọt của hạt mài tự do
Quá trình nghiền bằng hạt mài tự do được trình bày trên hình 2.1, lực va đập
R hướng theo đường nối các đỉnh hạt mài là lực gây ra sự phá vỡ thuỷ tinh,
làm biến dạng dụng cụ và nghiền vỡ hạt. Lực R là tác nhân chính gây ra các
- 5 -
vết nứt hình nón theo các góc từ 90
0
÷150
0
. Chiều cao lớp nổi h chiếm từ
4
1

phá huỷ bề mặt, đồng thời làm hạt mài găm vào bề mặt dụng cụ. Lực liên kết
mòn dần theo thời gian, lực cắt đặt vào đó tăng lên làm chúng bong ra khỏi
liên kết, lúc đó sẽ xuất hiện các hạt găm mới.
Dung dịch phụ trợ thường là nước có vai trò làm mát và ngăn ngừa
kính bị vỡ nứt. Ngoài tác dụng cuốn trôi các hạt mài cùng các mảnh vỡ thuỷ
tinh, nước còn thấm vào các rãnh nứt vỡ trên bề mặt kính, tạo ra phản ứng hoá
học làm trương bề mặt thuỷ tinh giúp tăng tốc quá trình cắt gọt. Hạt mài càng
nhỏ thì độ nhám của bề mặt càng nhỏ và thời gian đánh bóng càng được rút
ngắn. Tất nhiên đối với từng kích thước hạt mài cần phải thay đổi đĩa mài kim
loại cho phù hợp.
- 6 -
Quá trình mài nghiền và đánh bóng được thực hiện trên cùng một máy
và điều kiện xảy ra quá trình đánh bóng cũng giống như mài nghiền. Nhưng
quá trình đánh bóng có những đặc điểm riêng như sau:
- Hạt đánh bóng có kích thước nhỏ dưới 1µm và có độ cứng thấp ( 5÷6
đối với Fe
2
O
3
, 6÷7 đối với CeO
2
(theo thang Mhors)).
- Bề mặt đánh bóng được phủ một lớp nhựa đánh bóng mềm, đàn hồi.
Với những đặc điểm như vậy bản chất của quá trình đánh bóng như sau:
- Dưới tác động của áp lực và vận tốc tương đối các hạt mài găm vào bề
mặt dụng cụ đánh bóng để xâm nhập vào bề mặt thuỷ tinh và cào xước
nó, vì vậy mà các nhám bị bào mòm đi.
- Do ma sát giữa đỉnh nhọn của nhám và lớp nhựa đánh bóng ma sinh
nhiệt làm cho các đỉnh nhọn chảy ra và điền đầy các nhám rồi đóng rắn.
Đến khi toàn bộ bề mặt bị san phẳng sẽ trở nên nhẵn bóng.

chi tiết quang trên máy PM-300 có cơ cấu cụm trên sử dụng cơ cấu đòn bản
- 8 -
lề. Cơ cấu cụm trên dùng để tạo thành chuyển động lắc của khâu trên và tạo
áp lực mài.
1.3.2 Quy trình công nghệ gia công chi tiết quang
Quá trình gia công cắt gọt chi tiết quang là những khâu quan trọng
trong toàn bộ quá trình chế tạo một chi tiết quang. Chúng không chỉ đóng vai
trò quyết định trong việc tạo ra hình dạng và độ chính xác của sản phẩm mà
còn chiếm một thời gian gia công rất lớn. Ngoài ra các thiết bị gia công cũng
là những loại đắt tiền. Chính vì thế mà hầu hết mọi nghiên cứu về quá trình
gia công chi tiết quang (bản chất cắt gọt, chế tạo các vật liệu cắt gọt và thiết bị
gia công mới nhằm nâng cao độ chính xác và hiệu suất ) đều tập trung vào
công nghệ cắt gọt. Quá trình gia công chi tiết quang thường được thực hiện
như sau:
1.3.2.1 Nguyên công tạo phôi: Cắt hoặc đúc, ép phôi
Phôi trước khi đưa vào tạo hình thường được cắt từ khối thuỷ tinh
(dùng trong sản xuất đơn chiếc hoặc sản xuất loạt nhỏ), ép phôi (dùng trong
sản xuất loạt nhỏ và vừa) và đúc phôi (dùng trong sản xuất loạt lớn). Nguyên
công tạo phôi có độ chính xác thấp, lượng dư lớn.
1.3.2.2 Nguyên công Phay (tạo hình sơ bộ)
Tạo hình sơ bộ các bề mặt quang được thực hiện trên các máy phay truyền
thống hoặc máy CNC là phương pháp gia công chính xác và kinh tế. Sau
khi phay thô lượng dư cho độ dày ở tâm cần phải đủ để đảm bảo thực hiện
các nguyên công mài nghiền và đánh bóng. Nguyên công phay có thể thực
hiện theo 2 bước phay thô và phay tinh đối với bề mặt yêu cầu chính xác
cao.
- 9 -
Phương pháp phay cho năng suất cao nhưng để lại trên bề mặt sản
phẩm các vết dao ăn.
1.3.2.3 Nguyên công mài nghiền

công trước, có độ nhám rất nhỏ, không có vết sước
1.3.2.4 Nguyên công đánh bóng
Đánh bóng là một nguyên công quan trọng nhất trong toàn bộ quy trình
công nghệ gia công quang học. Nó chiếm tới 65 - 80% thời gian chế tạo một
bề mặt chi tiết quang. Đối với nguyên công đánh bóng dưỡng phẳng đường
kính >120 mm với độ chính xác 0,5 ÷ 1 vòng quang thì thời gian đánh bóng
chiếm tới 80% thời gian gia công, thậm chí còn hơn.
Sau khi nghiền tinh bề mặt thuỷ tinh độ bóng còn thấp và độ nhám lớn.
Để cho ánh sáng truyền qua cần phải tăng độ bóng các bề mặt khúc xạ của chi
tiết quang (bản phẳng, lăng kính). Cũng qua nguyên công đánh bóng các bề
mặt này sẽ có được kích thước về độ phẳng, cũng như hình dạng theo yêu cầu
(các góc lăng kính ). Khi đánh bóng tự động bề mặt phẳng, chi tiết luôn
được đặt ở dưới và dụng cụ được đặt ở trên.
Có thể nói rằng đánh bóng là khâu quan trọng nhất trong toàn bộ dây
chuyền công nghệ chế tạo các chi tiết quang học. Thiết bị và dụng cụ đánh
bóng có cấu tạo tương tự như trong nguyên công mài nghiền. Điểm khác biệt
là đĩa đánh bóng ở đây được phủ một lớp nhựa có tính chất đàn hồi và bột
đánh bóng có tác dụng cắt như các hạt mài. Cho đến nay người ta vẫn chấp
nhận cả 3 quá trình sau xảy ra đồng thời trong quá trình đánh bóng:
- 11 -
* Đánh bóng là một quá trình cắt gọt (mài nghiền) ở mức vi mô.
* Đánh bóng là một quá trình của các phản ứng hoá học giữa bề mặt thủy
tinh, bột đánh bóng, dung dịch…
* Đánh bóng là một quá trình nóng chảy ở mức vi mô nhờ nhiệt độ cao
sinh ra do ma sát giữa bề mặt sản phẩm với bề mặt dụng cụ mài.
1.4 Các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến quá trình mài nghiền và đánh
bóng chi tiết quang
Độ chính xác gia công chi tiết quang chủ yếu là do hai nguyên công
mài nghiền và đánh bóng quyết định. Hai nguyên công này cùng thực hiện
theo một nguyên lý tạo hình, trên cùng một máy (máy mài và đánh bóng) nên

dt
dS
V
td
td
td
td
== hoÆc
(1.1)
S
td
– Quỹ đạo chuyển động tương đối
+ Xác định theo tốc độ góc tương đối:
itdtd
lV ω=
(1.2)
ω
td
– Tốc độ góc tương đối của điểm
l
i
– Khoảng cách từ điểm chuyển động đến tâm quay tức thời
Để giải quyết vấn đề này cần nghiên cứu quỹ đạo chuyển động tương
đối của một điểm bất kỳ trên bề mặt chi tiết so với bề mặt dụng cụ gia công
thông qua quan hệ giữa các thông số hình học và động học của máy.
Việc tìm ra cơ cấu cụm trên của máy mài nghiền và đánh bóng chi tiết
quang sao cho đạt được các yêu cầu sau:
- Vận tốc chuyển động thẳng tương đối của các điểm trên bề mặt chi
tiết so với dụng cụ nghiền có phân bố tương đối đều nhau.
- Quỹ đạo chuyển động tương đối trải đều trên khắp bề mặt gia công.

Hình 1.4: Dụng cụ và chi tiết phủ hoàn toàn trong suốt quá trình gia công.
- 14 -
Lượng mài mòn động học trên bề mặt dụng cụ là O
12
K
1,
còn trên bề mặt
chi tiết là O
12
K
2
. Sự mài mòn của chúng phụ thuộc vào tính chất cơ học của
vật liệu chi tiết gia công 2 và dụng cụ 1.
Nhận xét:
Lượng mài mòn động học tại một điểm bất kỳ trên bề mặt chi tiết hoặc
dụng cụ tỷ lệ thuận với vận tốc tương đối tại điểm đó.
- Trường hợp 2:
Bề mặt của chi tiết gia công 2 nhỏ hơn dụng cụ 1 (hình 1.5), được đặt
cố định trên dụng cụ. Dụng cụ quay quanh tâm cố định với vận tốc ω
1
và phủ
hoàn toàn lên chi tiết, nên trong quá trình gia công chi tiết luôn luôn tiếp xúc
với dụng cụ trên toàn bộ bề mặt của nó. Vì vậy lượng mài mòn của chi tiết chỉ
phụ thuộc vận tốc tương đối:
M1
M
td
r.V
ω=
(1.4)

- Trường hợp 3:
- 16 -
Hình 1.6: Chi tiết và dụng cụ đặt lệch tâm nhau
Giả sử chi tiết gia công 2 được đặt lệch tâm so với đĩa mài 1 một lượng
e và quay với vận tốc ω
2
= ω
1
, vận tốc dài tương đối V
td
= e
ω
2
= const.
Như vậy lượng mài mòn động học chỉ phụ thuộc vào sự phủ bề mặt
giữa dụng cụ và chi tiết gia công. Trong miền tròn r
1
thì lượng mài mòn động
học của chi tiết là đồng đều và lớn nhất vì nó luôn được phủ bởi dụng cụ.
Ngoài miền tròn r
1
thì lượng mài mòn phụ thuộc vào độ dài cung phủ do vậy
mà nó giảm dần về phía biên chi tiết. Sơ đồ lượng mài mòn động học của chi
tiết có thể biểu diễn như hình 1.6b. Trong trường hợp trên dễ dàng thể hiện
được các sơ đồ mài mòn động học vì chuyển động tương đối giữa chi tiết gia
công và dụng cụ gia công là đơn giản. Trong trường hợp chuyển động tương
đối phức tạp thì việc thiết lập sơ đồ mài mòn động học sẽ phức tạp. Khi đó
việc giải quyết bài toán này nhờ sự trợ giúp của các thuật toán và các phần
mềm máy tính.
Theo hình 1.6a ta thấy nếu tăng độ lệch tâm e thì làm tăng miền mài

Trong đó: S – Diện tích tiếp xúc giữa dụng cụ và bề mặt chi tiết.
Thực tế điểm đặt lực không bao giờ nằm trên bề mặt chi tiết mà thường
ở điểm C cách A một đoạn L
2
. Vì vậy khi tác dụng nó còn sinh ra mômen
(M = F
t
.L
2
) tác dụng lên phần chi tiết theo hướng chuyển động và do vậy mà
sự phân bố áp lực là không đều (hình 1.7b). Theo sơ đồ phân bố áp lực thì ở
miền biên chi tiết, áp lực mài là lớn nhất do đó mài mòn ở biên nhanh hơn
mài mòn ở tâm chi tiết. Để giảm ảnh hưởng của áp lực đến sự mài mòn không
đồng đều trên bề mặt chi tiết gia công, người ta có thể điều khiển phân bố áp
lực của lực đè hoặc phải giảm giá trị mômen M bằng cách giảm cánh tay đòn
tức là đưa điểm đặt lực C về gần với bề mặt gia công hoặc tạo một mômen
ngược cân bằng với mômen M. Lực ma sát (Fms = Fn.µ, µ- hệ số ma sát giữa
bề mặt chi tiết và dụng cụ) là lực làm mài mòn bề mặt chi tiết quang. Do đó
để tăng năng suất hoặc điều chỉnh cường độ gia công ở từng miền khác nhau
thì ta có thể thay đổi lực Fn (yếu tố này được sử dụng trong phần điều khiển
yếu tố công nghệ).
1.4.3 Ảnh hưởng của phân bố huyền phù mài và hạt mài [4].
Khi mài nghiền và đánh bóng thuỷ tinh, hạt mài đóng vai trò như các
lưỡi cắt phá huỷ bề mặt gia công gây ra mài mòn bề mặt. Mức độ phá huỷ tuỳ
thuộc vào kích thước hạt, độ cứng và hình dạng. Để có thể cắt gọt bề mặt thuỷ
tinh trong nguyên công mài nghiền dùng các hạt có độ cứng cao như Al
2
O
3
,

%100.
T
H
1
1
%100.
HT
T
+
=






+
=τ
(1.6)
Trong đó:
τ- Nồng độ huyền phù
T- Khối lượng bột mài
- 20 -
H- Khối lượng nước
Khoảng tối ưu của tỷ lệ giữa nước và bột là H:T = 3÷6. Với tỷ lệ này,
cường độ gia công thuỷ tinh là lớn nhất (hình 1.8). Tỷ lệ này thay đổi khi
dùng các kích thước hạt khác nhau với kích thước hạt từ 20÷50 àm thì H:T =
4÷10; với kích thước hạt từ 20÷14 àm và nhỏ hơn thì H:T = 3÷5.

0


Q

Hình 1.8: Quan hệ giữa tỷ số H:T và cường độ gia công.
Kích thước hạt mài cũng có ảnh hưởng lớn đến chất lượng và năng suất
gia công. Điều dễ nhận thấy là độ hạt càng lớn thì lượng mài mòn thuỷ tinh
càng nhiều, nhưng chất lượng bề mặt càng kém đi.
Như đã nói ở trên do kích thước của một loại hạt mài không hoàn toàn
bằng nhau, nên lúc đầu áp lực từ dụng cụ chỉ truyền qua những hạt có kích
thước lớn. Đó chính là những nơi có sự tiếp xúc giữa dụng cụ và phôi thông
qua hạt mài. Nếu trong một loại hạt mài các kích thước lớn hơn gấp 4 lần kích
thước hạt cơ bản chiếm nhiều hơn 5% thì chúng sẽ gây xước bề mặt, nếu ít
hơn 5% thì chúng sẽ nhanh chóng bị nghiền vỡ. Sự tiếp xúc lúc này sẽ xảy ra
ở những điểm nhô cao nhất trên mỗi bề mặt.
- 21 -
1.5 Thông số điều chỉnh trong nguyên công mài nghiền và đánh bóng bề
mặt phẳng chi tiết quang.
1.5.1 Sơ đồ phân bố lượng dư gia công [5]
Trong công nghệ mài nghiền bề mặt phẳng chi tiết quang sơ đồ phân bố
lượng dư gia công của chi tiết có ba dạng như sau:
- Lớp lượng dư gia công có chiều dày lớn nhất ở đỉnh (hình 1.9a).
- Lớp lượng dư gia công có chiều dày lớn nhất ở biên (hình 1.9b).
- Lớp lượng dư gia công có chiều dày bằng nhau (hình 1.9c).
Chiều dày lớp lượng dư gia công luôn luôn lớn hơn chiều dày z* nhỏ
nhất. Thể tích lớp lượng dư được tách khỏi bề mặt chi tiết gia công cũng lớn
hơn thể tích nhỏ nhất.
Hình 1.9: Sơ đồ phân bố lượng dư khi mài nghiền bề mặt phẳng
Trong nguyên công đánh bóng chi tiết quang, độ chính xác bề mặt của
các linh kiện như thấu kính, bản mặt song song thường nhỏ hơn 0.3 µm. Để
đo được các sai số nhỏ như vậy bắt buộc phải sử dụng các phương pháp đo

m - Số lượng các vân giao thoa có cùng màu sắc nằm trên nửa thiết diện tròn
h - Đại lượng đặc trưng cho độ cong của vân và chính là khoảng cách từ tâm
đến rìa
a- Khoảng cách giữa hai vân liên tiếp tính từ tâm.
Hình 1.11: Cách tính toán lỗi vòng quang cho m<1.
Sơ đồ phân bố lượng dư dùng làm cơ sở để điều chỉnh cường độ gia
công. Theo sơ đồ phân bố lượng dư người ta chọn các thông số hình học của
dụng cụ và điều chỉnh máy. Tuỳ theo sơ đồ phân bố lượng dư người ta xác
định số lần chuyển dao và chương trình gia công tương ứng nhằm đạt độ
chính xác gia công của chi tiết.
- 24 -
Trong các vùng có chiều dày lớp lượng dư lớn, chương trình cần phải
có cường độ gia công lớn và ngược lại. Thông thường tính toán chương trình
mài nghiền và đánh bóng hợp lý sẽ rút ngắn thời gian gia công.
1.5.2 Hệ số điền đầy bề mặt [4]
Trong quá trình mài nghiền mặt phẳng chi tiết quang bề mặt dụng cụ có
thể được điền đầy hoàn toàn hoặc bị cắt khuyết đi. Như vậy khả năng tiếp xúc
thực tế của bề mặt dụng cụ và chi tiết chỉ xảy ra ở những phân tố diện tích
được điền đầy bề mặt (guốc nghiền hoặc đánh bóng) mà không xảy ra ở
những chỗ khuyết. Hình dạng khuyết của bề mặt dụng cụ được đặc trưng
bằng hệ số điền đầy bề mặt dụng cụ η
R
.
Hệ số điền đầy bề mặt blốc chi tiết được tính toán khi khảo sát độ mòn
của bề mặt dụng cụ. Phương pháp tính tương tự như tính hệ số điền đầy bề
mặt dụng cụ nghiền
η
R
(hình 1.12).
Hình 1.12: Sơ đồ tính hệ số điền đầy bề mặt dụng cụ mài nghiền.

- Khi
η
R
< 1 bề mặt dụng cụ bị khuyết, diện tích tiếp xúc với chi tiết thực tế sẽ
nhỏ hơn (dùng để điều chỉnh hệ số phủ).
Tương tự như quá trình mài nghiền, quá trình đánh bóng mặt phẳng chi
tiết quang, bề mặt dụng cụ có thể được điền đầy hoàn toàn hoặc bị cắt khuyết
đi (hình 1.13).
Hình 1.13: Hình dạng bề mặt làm việc của dụng cụ đánh bóng.
Để tính hệ số điền đầy bề mặt người ta chia dụng cụ thành những miền
vành có kích thước bằng nhau.Trên cơ sở quy luật phân bố của các guốc đánh