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)動形成平面包絡(luò)面,對機(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,R=∞范成了片面(生產(chǎn)上為了排屑排冷卻液方便, α 有一個小量,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)動的工作臺垂直而范成了平面.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)制過程有磨削研磨、拋光過程。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.工具與工件的接觸為面接觸。
3、小工具修磨法
計算機(jī)控制拋光(CCP)離子束拋光與手修屬于這一類,逐點(diǎn)拋修,邊檢邊修,精度可以很高,對局部修正非常方便.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,圖二就是改進(jìn)的QM30銑削平面的范成運(yùn)動。
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)
3.三塊平面的對磨與修正
平面精磨模要用金屬平磨來修磨,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磨與相互修正.研磨(精磨)與拋光過程就是母板的精度的保持、破壞與修復(fù)過程.精磨模、聚氨酯拋光模與固體磨料拋光模接近剛體,比較好滿足拋光方程要求,所以母板面型保持的時間長,適合高效加工要求。柏油拋光模塑性大,不滿足拋光方程要求,柏油模在拋光過程一直處于破壞與修復(fù)過程,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,因而可以較長時間保持面型,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或金屬夾具組合棱鏡鏡盤.由于HPM機(jī)型采用變頻調(diào)速,軟啟動,軟停止,運(yùn)動平穩(wěn),低噪音使用更為方便。
這類機(jī)床的工作原理也是母板復(fù)制法,要求底盤具有高的平面性,工作盤有時常修正環(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的平面性是一個關(guān)鍵,可以用平面金屬模來修正也可以用金屬修正環(huán)來修正,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)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)的瞬時壓強(qiáng)
V(x,y)-M(x,y)點(diǎn)的瞬時速度
T-加工時間
A-與加工過程有關(guān)的工藝系數(shù)
V-(x,y)作如下分析:
當(dāng)推動平面的著力點(diǎn)接近接觸面時,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要關(guān)注的問題,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,拋光模底盤用鋁合金制成,在拋光機(jī)上通過端面車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)加制不通過中心的方格槽,拋光模通過車削或其他方法進(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,也有用金屬盤貼以玻璃來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:主軸速度在精拋時為10~15cm/s之間,速度精度為1%,這時ω1 與ω2接近。
當(dāng)然,也可以在校正盤卡輪上加裝馬達(dá),以驅(qū)動校正盤的旋轉(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(時間)的控制,通常用局部自動溫控在±0.05℃內(nèi)。
7 校正板工件(工件夾持器)裝御器:我們設(shè)計了一臺特殊的推車,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。
我國幾個主要單位的1m環(huán)拋機(jī)主要工藝參數(shù)對照表如表1所示。
表1 我國1m環(huán)拋機(jī)主要工藝參數(shù)對照表
單 位 |
No.1 |
No.2 |
No.3 |
No.4 |
No.5 |
拋光模直徑 (米) |
1.0 |
1.09 |
1.1 |
1.0 |
1.0 |
拋光模表面 不平度(mm) |
0.01 |
車后未測 |
0.005 |
0.03 |
0.01 |
拋光模轉(zhuǎn)動時 水平度(mm/m) |
未測 |
0.1~1 |
0.2~0.3 |
0.06 |
0.05 |
拋光膠配方 |
0#(1∶3) +10%K17 |
2#或1.75# |
1∶2 (玉門3號) +6%K17 |
1∶3.5 (獨(dú)山子) +3%K17 |
1∶3 (獨(dú)山子5#) +5%K17 |
拋光膠軟化點(diǎn) (℃) |
70~80 |
80~85 |
80~85 |
|
(針入度 11~12) |
拋光膠層厚度 (mm) |
17~18 |
12 |
7 |
15 |
16 |
主軸轉(zhuǎn)速(rpm) |
1~2 |
1~1.5 |
1 |
0.5~1 |
1 |
校正板尺寸(材料) |
ø590X78(K9) |
ø630 |
ø600X60 |
ø500X80(K4) |
ø500X70(K4) |
室溫(℃) |
夏26°, 冬23° |
|
21°22° ±0.5° |
25°~26° |
|
⑶K17的作用
K17是塑料的商業(yè)牌號,就是聚乙烯醇,呈粉末狀,色白。聚乙烯醇沒有一定的熔點(diǎn),加熱時軟化,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,不會變形。拋光的工作溫度低于30℃~40℃,高于71℃時易變形。
⑷制膠與制模工藝
180°配膠,140℃保溫,100℃加K17(有的單位70~80℃時加K17),40~50℃倒膠制模(底模預(yù)熱到40~50℃),自然冷卻、固化,車平開槽,一般為25X25,寬5,深4,(美國寬4,深6),50℃溫水修模,用校正板與工件夾持器修平,有時用工具(刮刀、砂輪)作局部修正。
⑸環(huán)型拋光法的優(yōu)點(diǎn)
①、環(huán)型拋光模比圓盤型拋光模的相對速度工均勻,光ω1→ω2時工件與拋光模之間相當(dāng)于直線勻速運(yùn)動。
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,只要改變夾持器即可,不必加工一個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,易于實現(xiàn)自動拋光與自動加水。
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)實現(xiàn)高精加工平面是比較簡便的方法。我們在YM015.2A型二軸機(jī)上安裝了二個蟹鉗式分離器擺架(圖七B),主軸1.5~20rpm,擺2~25rpm(變頻無極調(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,一只分離器可以有三個分離孔,同時加工三塊ø150平晶。為了操作方便,擺架應(yīng)有抬起功能,推動分離器的滾輪的著力點(diǎn)應(yīng)在滾輪的下部。
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