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、單點金剛石飛切(SPDFC)、計算機機控制小工具拋修(CCP) 、離子拋光等等。

從機理上考察,可以歸納為三類基本方法

1、范成法形成平面

特點是依靠機床的精確運動形成平面包絡(luò)面,對機床精度要求高.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)。單點金剛石飛切也是依靠高速旋轉(zhuǎn)的軸與飛刀作直線運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

       計算機控制拋光(CCP)離子束拋光與手修屬于這一類,逐點拋修,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接觸。

(一) 、銑磨成型光學(xué)平面元件

     我國QM30、PM500、XM260研磨機直到NVG-750THD型雙軸超精密平面磨床等大型平面銑磨機利用范成法原理高效銑磨出平面,而且可以采用適當?shù)慕饘賷A具,將角度修磨變?yōu)槠叫衅矫娴你娔?機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銑磨平面的范成運動,圖二就是改進的QM30銑削平面的范成運動。

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、研磨與拋光的運動形式很多,但其特點是一樣的,光學(xué)平面精度的獲得不主要依靠機床的精度,而主要依靠母板的精度的傳遞,應(yīng)該重點研究與把握三個機理。

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)拋機的校正板是母板,高速環(huán)拋機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,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床(φ300)與PLM400平面精磨機(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

2、高速環(huán)型拋光法

       HPM60、80、100及JP650型環(huán)型拋光機的拋光盤直徑為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機型采用變頻調(diào)速,軟啟動,軟停止,運動平穩(wěn),低噪音使用更為方便。

       這類機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)拋機示意圖

圖6b.JP560環(huán)拋機

圖六c.HPM100環(huán)型平面研磨拋光機

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)點的瞬時壓強

      V(x,y)－M(x,y)點的瞬時速度

      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:

當推動平面的著力點接近接觸面時，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年機械部簽定通過的RP-1000環(huán)型拋光機（圖七A），南京利生光學(xué)機械責(zé)任有限公司HPM150型環(huán)型機是低速環(huán)拋機（圖七B）為例討論參數(shù)。

圖七a、RP-1000環(huán)型拋光機（照片）

圖七b HPM150型環(huán)型拋光機

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。

當然，也可以在校正盤卡輪上加裝馬達，以驅(qū)動校正盤的旋轉(zhuǎn)，使ω2趨近ω1。

5 拋光液：采用點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)拋機主要工藝參數(shù)對照表如表1所示。

表1   我國1m環(huán)拋機主要工藝參數(shù)對照表

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，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

     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于直線勻速運動。

     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、不取下校正板與夾持器的情況下進行檢驗或調(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應(yīng)在滾輪的下部。

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