平面加工工藝技術(shù)（上）

光學(xué)平面零件包括棱鏡、平行平面板、平面反光鏡、平晶、光楔、光盤(pán)片基、濾光片、波片、倍頻器等等。其大小從φ1mm到φ1000mm,材料主要是光學(xué)玻璃,有時(shí)是光學(xué)晶體,為了達(dá)到高精度與高效率,采用技術(shù)方法很多,有銑磨、精磨、研磨、拋光、分離器拋光、環(huán)拋、水中拋光、單點(diǎn)金剛石飛切(SPDFC)、計(jì)算機(jī)機(jī)控制小工具拋修(CCP) 、離子拋光等等。

從機(jī)理上考察,可以歸納為三類(lèi)基本方法

1、范成法形成平面

特點(diǎn)是依靠機(jī)床的精確運(yùn)動(dòng)形成平面包絡(luò)面,對(duì)機(jī)床精度要求高.如用筒狀金剛石磨輪銑磨平面,按正弦公式當(dāng)α=0時(shí),R=∞范成了片面(生產(chǎn)上為了排屑排冷卻液方便, α 有一個(gè)小量,表面微凹)。單點(diǎn)金剛石飛切也是依靠高速旋轉(zhuǎn)的軸與飛刀作直線運(yùn)動(dòng)的工作臺(tái)垂直而范成了平面.工具與工件的加工接觸為線接觸。

2、輪廓復(fù)印法或母板復(fù)制法

這種復(fù)制法與光柵復(fù)制法不一樣,在復(fù)制過(guò)程有磨削研磨、拋光過(guò)程。采用精磨模、拋光模(固著磨料拋光模與柏油拋光磨)加工的均屬于這一類(lèi).工具與工件的接觸為面接觸。

3、小工具修磨法

       計(jì)算機(jī)控制拋光(CCP)離子束拋光與手修屬于這一類(lèi),逐點(diǎn)拋修,邊檢邊修,精度可以很高，對(duì)局部修正非常方便.工具與工件的接觸為點(diǎn)接觸。

(一) 、銑磨成型光學(xué)平面元件

     我國(guó)QM30、PM500、XM260研磨機(jī)直到NVG-750THD型雙軸超精密平面磨床等大型平面銑磨機(jī)利用范成法原理高效銑磨出平面,而且可以采用適當(dāng)?shù)慕饘賷A具,將角度修磨變?yōu)槠叫衅矫娴你娔?機(jī)床磨輪軸與工件的平行度、軸向經(jīng)向跳動(dòng)影響棱鏡的角度精度.銑磨成型是光學(xué)平面元件毛胚加工的主要技術(shù)方法之一。

圖一就是PM500銑磨平面的范成運(yùn)動(dòng),圖二就是改進(jìn)的QM30銑削平面的范成運(yùn)動(dòng)。

圖三是大型的NVG-750THD型雙軸超精密平面磨床。

圖三. 大型雙軸超精密平面磨床

(二) 、光學(xué)平面的磨削、研磨與拋光

     重點(diǎn)在于加工出高精度光學(xué)表面面型(N、△N),磨削、研磨與拋光的運(yùn)動(dòng)形式很多,但其特點(diǎn)是一樣的,光學(xué)平面精度的獲得不主要依靠機(jī)床的精度,而主要依靠母板的精度的傳遞,應(yīng)該重點(diǎn)研究與把握三個(gè)機(jī)理。

1.輪廓復(fù)制法

2.母板的產(chǎn)生、保持與修復(fù)

3.三塊平面的對(duì)磨與修正

    平面精磨模要用金屬平磨來(lái)修磨,金屬平模就是母板,低速環(huán)拋機(jī)的校正板是母板,高速環(huán)拋機(jī)的聚氨酯拋光盤(pán)修正好后也成了母板.母板最原始最基本獲得的辦法是三塊平模的對(duì)磨與相互修正.研磨(精磨)與拋光過(guò)程就是母板的精度的保持、破壞與修復(fù)過(guò)程.精磨模、聚氨酯拋光模與固體磨料拋光模接近剛體,比較好滿(mǎn)足拋光方程要求,所以母板面型保持的時(shí)間長(zhǎng),適合高效加工要求。柏油拋光模塑性大,不滿(mǎn)足拋光方程要求,柏油模在拋光過(guò)程一直處于破壞與修復(fù)過(guò)程,是古典拋光的特點(diǎn),效率低,精度高,并且表面粗糙度好。

1、平面的高速精磨與拋光

這是平面的高效的加工的基本方法。例如,在JM030.3、三軸精密精磨拋光機(jī)床(φ300)與PLM400平面精磨機(jī)(φ500)(圖4、圖5),采用高速高壓、固著磨料精磨模、固著磨料拋光磨與聚氨酯拋光模等,并采用合理的工藝參數(shù)(速度、壓力、工具大小、擺幅、供液量、液溫等),可以達(dá)到定時(shí)定光圈定表面質(zhì)量的目的.精磨模與拋光模是工作母板,而合理的工藝參數(shù)修工作母板不容易破壞,因而可以較長(zhǎng)時(shí)間保持面型,維持正常生產(chǎn)。

圖四.JM030.3三軸精磨拋光機(jī)

2、高速環(huán)型拋光法

       HPM60、80、100及JP650型環(huán)型拋光機(jī)的拋光盤(pán)直徑為600、800、1000及600mm.

工件可以為平面,也可以為棱鏡組合光膠鏡盤(pán)或金屬夾具組合棱鏡鏡盤(pán).由于HPM機(jī)型采用變頻調(diào)速,軟啟動(dòng),軟停止,運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),低噪音使用更為方便。

       這類(lèi)機(jī)床的工作原理也是母板復(fù)制法,要求底盤(pán)具有高的平面性,工作盤(pán)有時(shí)常修正環(huán)或分離器,主軸轉(zhuǎn)速高15-85rpm，通常用聚酸脂拋光片加拋光懸浮液拋光.顯然修好聚酸脂光盤(pán)的平面性是一個(gè)關(guān)鍵，可以用平面金屬模來(lái)修正也可以用金屬修正環(huán)來(lái)修正，這種方法是中等精度的高效加工方法.

圖六a.JP560環(huán)拋機(jī)示意圖

圖6b.JP560環(huán)拋機(jī)

圖六c.HPM100環(huán)型平面研磨拋光機(jī)

3、低速環(huán)型拋光法

     高精度的平面(如平晶或薄型平面)適合用低速環(huán)型拋光法。這種方法也是母板復(fù)制法,由于工作母板(柏油拋光盤(pán))具有可塑性,是邊拋光邊修正的,校正板起保持與修正作用,而速度、壓力也起保持與修正作用.

⑴低速環(huán)拋法的原理

  根據(jù)Preston拋光方程.對(duì)工件平面上任意一點(diǎn)M(x,y)(圖六)的拋光量h(x,y)為

h(x,y)=A∫T O P(x,y)V(x,y)dt

式中,P－M(x,y)點(diǎn)的瞬時(shí)壓強(qiáng)

      V(x,y)－M(x,y)點(diǎn)的瞬時(shí)速度

      T－加工時(shí)間

      A－與加工過(guò)程有關(guān)的工藝系數(shù)

      V－(x,y)作如下分析:

當(dāng)推動(dòng)平面的著力點(diǎn)接近接觸面時(shí)，壓力也趨于均勻，從而獲得了均勻拋光（磨損）的條件。

熱變形是精密加工時(shí)要關(guān)注的問(wèn)題，由于拋光熱使平行平面工件產(chǎn)生厚度方向的溫度線性分布，用△t表示，設(shè)工件外經(jīng)為D，厚度為d，工件材料的熱膨脹系數(shù)為α，則平面變成球面性變形，求面的矢高為h，則

                    h=D2α△t/8d

如工件材料采用微晶玻璃或石英玻璃，則熱變形很小。

⑵低速環(huán)型拋光法的工藝參數(shù)及工藝裝備

以浙江大學(xué)1984年機(jī)械部簽定通過(guò)的RP-1000環(huán)型拋光機(jī)（圖七A），南京利生光學(xué)機(jī)械責(zé)任有限公司HPM150型環(huán)型機(jī)是低速環(huán)拋機(jī)（圖七B）為例討論參數(shù)。

圖七a、RP-1000環(huán)型拋光機(jī)（照片）

圖七b HPM150型環(huán)型拋光機(jī)

1 環(huán)型拋光模：拋光模環(huán)帶寬度通常為拋光模直徑的0.33～0.38,拋光模底盤(pán)用鋁合金制成，在拋光機(jī)上通過(guò)端面車(chē)削后即可制作柏油模，模層厚度10～10mm之間，拋光膠中通常加入K－17塑料粉，以增加韌性與穩(wěn)定性，拋光模應(yīng)加制不通過(guò)中心的方格槽，拋光模通過(guò)車(chē)削或其他方法進(jìn)行修整。如果采用玻璃或花崗巖作襯底，則模層厚度可以大大減薄。

2 校正板：可以用熔融石英、微晶玻璃，K4及K9玻璃制作，也有用金屬盤(pán)貼以玻璃來(lái)代替整塊玻璃制成校正板。校正板直徑通常為拋光模直徑的1/2～2/3。

3 工件夾持器：可以用玻璃分離器，也可以用金屬貼以玻璃制成工件夾持器。

4 轉(zhuǎn)速：主軸速度在精拋時(shí)為10～15cm/s之間，速度精度為1%，這時(shí)ω1 與ω2接近。

當(dāng)然，也可以在校正盤(pán)卡輪上加裝馬達(dá)，以驅(qū)動(dòng)校正盤(pán)的旋轉(zhuǎn)，使ω2趨近ω1。

5 拋光液：采用點(diǎn)滴式加入氧化鈰拋光液，或采用浸沒(méi)式拋光，后者有利于溫度控制，最

好采用離子水，控制PH值。

6 溫度：室內(nèi)溫度為23℃～25℃，最重要的是室內(nèi)溫度梯度（空間）與溫度變化（時(shí)間）的控制，通常用局部自動(dòng)溫控在±0.05℃內(nèi)。

7 校正板工件（工件夾持器）裝御器：我們?cè)O(shè)計(jì)了一臺(tái)特殊的推車(chē)，高度可以調(diào)整，

并帶有一組帶橡皮圈的滾柱，裝御很發(fā)方便。

       我國(guó)幾個(gè)主要單位的1m環(huán)拋機(jī)主要工藝參數(shù)對(duì)照表如表1所示。

表1   我國(guó)1m環(huán)拋機(jī)主要工藝參數(shù)對(duì)照表

⑶K17的作用

       K17是塑料的商業(yè)牌號(hào)，就是聚乙烯醇，呈粉末狀，色白。聚乙烯醇沒(méi)有一定的熔點(diǎn)，加熱時(shí)軟化，拉伸又重新結(jié)晶，有著明顯的纖維圈。溫度高于71±0.2℃時(shí)熱膨脹系數(shù)大，重復(fù)加熱出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，其變形率如圖所示。在拋光模中增加韌性，提高切削性能；提高穩(wěn)定性，低于60℃時(shí)，不會(huì)變形。拋光的工作溫度低于30℃～40℃，高于71℃時(shí)易變形。

⑷制膠與制模工藝

       180°配膠，140℃保溫，100℃加K17（有的單位70～80℃時(shí)加K17），40～50℃倒膠制模（底模預(yù)熱到40～50℃），自然冷卻、固化，車(chē)平開(kāi)槽，一般為25X25，寬5，深4，（美國(guó)寬4，深6），50℃溫水修模，用校正板與工件夾持器修平，有時(shí)用工具（刮刀、砂輪）作局部修正。

⑸環(huán)型拋光法的優(yōu)點(diǎn)

     ①、環(huán)型拋光模比圓盤(pán)型拋光模的相對(duì)速度工均勻，光ω1→ω2時(shí)工件與拋光模之間相當(dāng)于直線勻速運(yùn)動(dòng)。

     ②、用校正板與夾持器代替分離器，仍保持了分離器的作用，當(dāng)工件尺寸或形狀改變時(shí)，只要改變夾持器即可，不必加工一個(gè)高精度平面的大分離器。

     ③、允許在不停機(jī)、不取下校正板與夾持器的情況下進(jìn)行檢驗(yàn)或調(diào)換工作，維持連續(xù)拋光，有利于提高效率與溫度的平衡，保持拋光模的平面性。

     ④、拋光模表面各部分依次外露，使之散熱容易。

     ⑤、拋光模露出的空間位置固定，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拋光與自動(dòng)加水。

4 分離器拋光法

在二軸杠桿式拋光機(jī)上用分離器拋光法（圖七A）實(shí)現(xiàn)高精加工平面是比較簡(jiǎn)便的方法。我們?cè)赮M015.2A型二軸機(jī)上安裝了二個(gè)蟹鉗式分離器擺架(圖七B),主軸1.5～20rpm,擺2～25rpm(變頻無(wú)極調(diào)速),拋光模鋁底模直徑為ø500,水盆ø530,分離器ø400,通常D拋=1.25D分.當(dāng)工件為ø150時(shí),一只分離器可以有三個(gè)分離孔，同時(shí)加工三塊ø150平晶。為了操作方便，擺架應(yīng)有抬起功能，推動(dòng)分離器的滾輪的著力點(diǎn)應(yīng)在滾輪的下部。

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