（光学工程专业论文）sw25x40 xi直角棱镜高效加工工艺.pdf

工程硕士学位论文 s w 2 5 x 4 0 xi 直角棱镜高效加工工艺 摘要 随着民用望远镜的不断发展，各类多功能、高品质的产品不断推陈出新，对光学 零件的质量、精度等各项要求也不断提高。投币式大倍率望远镜s w 2 5 。4 0 1i 就是其 中之一，该产品的直角棱镜与普通双望的直角棱镜相比不仅外形尺寸大，而且各项技 术指标都要求高。 本论文就s w 2 5 1 4 0 1i 的4 5 0 直角棱镜进行高效加工工艺作了深入的研究，从探讨 零件的加工余量入手，仔细分析了零件在各个工序中的表面结构，确定出各工序间加 工余量的匹配关系。论文介绍了直角棱镜高效加工的原理，及进行高效加工所需的工 装夹具的设计原理；并对各道工序的加工工艺进行了详细的说明。重点分析了加工过 程中影响精度达标的几个问题，特别是在高效精磨和抛光过程中，光洁度、光圈和局 部光圈的匹配与控制，针对产生不足的原因提出了有效的解决方法，最终得出各个工 序间的技术参数。 论文还对精磨过程中平面成型原理、抛光过程中光圈的控制，以及夹模设计时角 度误差分析等进行计算说明，取得了可靠的理论性指导依据，并在实践中获得证明。 结合实际生产，经过不断的摸索和研究，取得了很大的成绩，该产品很快就形成 批量生产，满足了市场的需求。 关键词：加工余量、面形精度、角精度、高速精磨、高速抛光 工程硕士学位论文 s w 2 5 x 4 0 xi 直角棱镜高效加工工艺 a b st r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec i v i lt e l e s c o p e ， v a r i e t i e so f m u l t i f u n c t i o na n dh i g hq u a l i t yp r o d u c t sh a v eb e e np u ti n t ot h em a r k e tw i t h t h e s ef e a t u r e s ，c o i n e db i gm a g n i f i e rt e l e s c o p e ( s w 2 5 1 4 0 1i ) h a sb e e nd e v e l o p e d a n dd e li v e r e d ，w h o s ec o m p o n e n tp e r p e n d i c u l a r a n 9 1 ep r is mh a s t h eb e t t e r p r o p e r t yo fb i gd i m e n s i o n s a n dh i g h s p e c i f i c a t i o n s ，c o m p a r e dw i t ht h e c o n v e n t i o n a lp r i s mo fb i n o c u l a r s t h eo b j e c to ft h i st h e s i si st h a tf o c u s e so nt h e4 5 0p e r p e n d i c u l a r a n g l e p r i s ma n di m p r o v e si t sh i g he f f i c i e n c yp r o d u c i n gp r o c e s s t h i st h e s i ss t a r t s f r o mt h ed i s c u s s i o no fp r o d u c i n go u tv a l u e ， a n a l y z e st h es u r f a c es t r u c t u r e o ne a c hp r o c e d u r ec a r e f u l l y ，t h e nm a k ec o n c l u s i o n so nm a t er e l a t i o n sb e t w e e n e a c hp r o d u c i n gc u tv a l u e t h et h e s i si n t r o d u c e st h et h e o r yo fh i g he f f i c i e n c y p r o d u c i n g ，o np e r p e n d i c u l a r a n g l ep r i s ma n dd e t a i l sa l lt h ep r o c e s s e so fe a c h p r o c e d u r e a n de m p h a s i z eo nt h ea n a l y s i so ft h ek e yp r o c e d u r e sw h i c he f f e c t s y s t e ma c c u r a c y e s p e c i a l l yd i s c u s s e sh o wt oc o n t r 0 1n e w t o nr i n gv a l u ea n d 1 0 c a la p e r t u r ea n dm a s t e rt h em a t er e l a t i o no fs u r f a c ei nh i g h e f f i c i e n c y p o l i s h i n gp r o c e d u r ea n dh i g hs p e e dp o l i s h i n g t h et h e s i sd e l i v e rau s e f u l s 0 1 u t i o no nt h o s ed e f a u l ti np r o d u c i n g ， a tt h ee n dc a l c u l a t et h et e c h n i c a l p a r a m e t e r sb e t w e e ne a c hp r o c e d u r e a sw e l l ，t h et h e s i si n t r o d u c e so rc a l c u l a t e st h et h e o r yo fp l a n ef o r m i n g i na c c u r a c yp o l i s h i n gp r o c e s s ， t h e c o n t r 0 1o nn e w t o nr i n gv a l u ei np 0 1 i s h i n g p r o c e d u r ea n dt h ea n a l y s i so nc l i p p i n gm o d e la n 9 1 et o l e r a n c e a tt h ee n dt h e u s e f u la n dr e l i a b l er e s u l t sh a sb e e ng e t ， a n dt h e s ed a t ah a sa l r e a d yb e e n p r o v e d ， i np r a c ti c e j o i n i n gw i t hp r a c t i c a lp r o d u c e ，w eg e tg o o da c h i e v e m e n t sb ye x p l o r i n ga n d r e s e a r c h i n g t h i sp r o d u c th a sb e e np r o d u c e di nb a t c ha n dm e tt h er e q u i r e m e n t s o fm a r k e t k e y w o r d s ：p r o d u ci n gc u tv a l u e ， p o l is h i n g ，h ig hs p e e d a n 9 1 ea c c u r a c y ，h i g ha c c u r a c y p 0 1 i s h i n g 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知， 在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已 经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何机构的学位 或学历而使用过的材料口与我一同工作的同事对本学位论文做出 的贡献均己在论文中作了明确的说明。 研究生签名：生鳖a 卯寥年，占月7 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内 容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：塑之渺p年，。月7 日 工程硕士学位论文s w 2 5 x 4 0 xi 直角棱镜高效加工工艺 l 绪论 1 1 引言 s w 2 5 1 4 0 1i 的光学零件之一：复合棱镜组是由两件一次反射的4 5 0 直角棱镜di 9 0 0 ( g 0 1 4 ) 和一件两次反射的4 5 0 直角棱镜d i i 一1 8 0 。( g 0 1 5 ) 胶合而成。 其外形尺寸及各项精度指标同普通双望棱镜g o _ - 3 相比见下表1 1 表1 1外形尺寸和技术指标对照表 零件弦长侧厚实高n角精度 0i 、 0 鉴别率a g 伊一34 6 舢 2 2 5 衄2 3 姗o 51 0 1 5 8 7 ， g 0 1 - 45 l 衄 3 5 衄2 5 5 衄0 35 5 6 3 ， g 0 1 57 1 硼 3 6 咖3 5 咖o 35 7 5 7 6 3 可以看出g o l 一4 和g 0 1 5 的外形尺寸和各项精度要求都比g 卜3 高。原因是： 由三件零件胶合的复合棱镜，有误差的累积，所以对单件零件的精度要求比普通双望 的较高，特别是鉴别率的要求，成像质量不允许有彗差和双像出现。此类零件的加工 通常只能采用传统的古典低速抛光工艺。 1 2 选题的背景和现状 由于s w 2 5 1 4 0 。i 产品的批量化，复合棱镜组的加工也必须批量化，不采用高效加 工工艺就无法满足市场需求，而高效加工工艺在国内一般只能用于如g o 一3 这一类中 等精度的棱镜生产，加工g 0 1 4 和g 0 1 5 完全套用此工艺是不行的。主要原因是： 聚氨酯抛光和柏油抛光的不同。 聚氨酯抛光模具有良好的微孔结构，强度高、变形小、耐磨性优良、寿命长等优 点。适宜在高速、高压下抛光，抛光时模具与工件之间的相互摩擦阻力很大，是强力 磨削玻璃。采用聚氨酯作模层材料是因为它的弹性大、韧性好，能在较大抗拉强度范 围内顺应前一道工序中的面形精度，能满足高压、高温情况下，进行高速抛光的要求。 抛光时模具的变化是靠弹性实现的。 对于古典法抛光，为了使玻璃表面形状有微小的变化，希望抛光模表面的形状精 度即使在o o l 呦以下也能产生微小变化，此时抛光能力非常小，必须低速进行，操 之过急难以达到高精度要求。为此，古典法抛光通常采用柏油抛光，抛光时柏油致密 表层的面形变化是靠沾性流动进行的n 1 。 因此，柏油抛光适用于加工高精度的、小批量的零件。聚氨酯抛光适用于中等精 度、大批量的零件加工。g 0 1 4 和g 0 1 5 属于较高精度的零件通常只能采用古典法 l 工程硕士学位论文绪论 抛光。 当前，我公司现有的高效加工设备p j m 3 2 0 a 高效精磨抛光机，也只能加工中 等精度要求的零件，用来加工g 0 1 4 和g 0 1 5 ，面形精度达不到图纸要求。因为 p j m 3 2 0 a 设备为单轴平面摆动，靠单轴点压镜盘，主轴转速高：4 2 0 5 6 0 转分n 1 ， 抛光镜盘边沿线速度比中心处高，再加上使用聚氨酯模所带来的局限性，容易造成零 件光圈的塌边现象，局部光圈n 达不到0 3 的要求，导致鉴别率不合格。而传统的 抛光方法是采用柏油模在低转速的设备上进行，每盘棱镜需要3 4 小时才能完成抛 光一个面，且要求操作者的技术水平高，生产效率低下，不适合大批量生产的要求。 为此，研究g 0 l 一4 和g 0 l 一5 的高效加工工艺是很有价值的；也是非常必要的。 1 3 国内、国外的发展状态 上个世纪九十年代初，随着普通民品望远镜的大批量生产，其光学零件中的4 5 0 直角棱镜的生产，成功的采用了高效加工工艺，即零件刚性上盘，成盘以金刚石磨轮 铣磨、用金刚石丸片高速精磨、聚氨酯膜片高效抛光的一系列加工过程。所谓高效制 造技术就是指的这一三高加工过程。它是相对于传统的古典加工方法而言的一种全新 的制造方法，由于加工工序和辅助工序少、生产节奏快、效率高，适合大批量生产。 这一特点可以由以下三个方面体现出来。 1 ) 由于采用刚性胶盘，省去了用石膏，在上盘前必须先将零件的被加工面擦试 干净后，再将其贴置在平板上后上盘，这样繁琐的方法。 2 ) 对零件的面形不需要进行任何表面处理，即毛坯状态直接进入加工，省去了 传统工艺中的零件初形加工过程。 3 ) 由于采用刚性胶盘，角精度大都由夹模精度保证，直接翻胶两个直角面，完 全消除了加工每一个面时，石膏盘上盘前都要用手修改角度等费工费时操作繁琐 的加工工序。可见由于加工工序和辅助工序少，使其整个生产时间缩短、节奏快， 因而达到了高效生产的目的1 。 从2 0 0 0 年起，国内生产中、低等精度的直角棱镜，已使用环行抛光机来加工， 对于消除零件光圈的塌边现象，有一定的作用。但要重新引进新设备来加工g o l 一4 和g 0 1 5 是不现实的。国外进行直角棱镜的高效加工工艺，大都采用高精度 的设备来保证零件加工的精度和速度，如数控磨抛、双面磨抛等等。由于设备的 昂贵，加工出的零件造价也很高。对于民品的批量生产也是不适合的。 2 工程硕士学位论文 s w 2 5 x 4 0 xi 直角棱镜高效加工工艺 1 4 应用价值和发展前景 g 0 1 4 和g 0 l 一5 不进行高效加工，就无法满足民品望远镜市场的批量生产要求。 要使这类直角棱镜也能和普通双望的棱镜一样，实行铣磨为金刚石磨轮高速铣磨、精 磨为金刚石丸片高速精磨、抛光为聚氨酯高速抛光的高效加工工艺，产品才会有广阔 的市场，企业才会有更大的效益。g 0 l 一4 和g 0 1 5 进行高速加工的意义在于： ( 1 ) 从技术角度看，解决了较高精度的4 5 0 直角棱镜棱镜的快速抛光技术难 题。传统抛光方法是用柏油模在低转速的设备上完成，把高速抛光作为较 高精度直角棱镜生产的禁区。实现其高速抛光，将突破较高精度直角棱镜 的抛光在传统加工方法观念上的误区和技术上的禁区。 ( 2 ) 实现较高精度直角棱镜的快速抛光，将使较高精度直角棱镜的高效制造 技术更加完善，整个高效制造技术更加充分的体现出生产节奏快、效率高 的特点；对平面光学冷加工工艺的发展有推进的作用。 ( 3 ) 将给企业带来很高的经济效益。对于较高精度直角棱镜的大批量生产， 由于大大缩短了抛光时间，使它在有限的时间内得到了更多的产出。大幅 度提高了生产效率和降低了成本，给企业带来了很大的经济效益。 ( 4 ) 将使国产加工中等精度零件的设备能够拓展利用，不被淘汰h 1 。 因此，研究g 0 1 4 和g 0 1 5 的高效加工方法，找到影响其精度达标的关键问题 所在，并找出解决的方法，是势在必行的。 1 5 本文的主要研究内容 根据加工g o 一3 的经验，通常对于4 5 。直角棱镜的冷加工来说，主要的工作都是 以棱镜的角精度、表面光洁度和面形精度这三项技术指标为目标而展开的。这三项指 标在制造过程中即相互独立，又有复杂的相互关联。它涉及到加工各道工序对整盘棱 镜的平行差要求、面形要求和铣磨、精磨、抛光去除余量的要求。因此，要进行高效 加工工艺，必须主要研究以下内容： ( 1 ) 各工序加工余量的选择。 ( 2 ) 所需的夹模、工装、辅具的设计。 ( 3 ) 角精度及第一、第二光学平行差的控制。 ( 4 ) 各道工序面形的合理匹配以及工艺参数的选定。 ( 5 ) 如何保证鉴别率的要求。 要解决以上问题，只有结合加工睁3 的经验，计算出合理的各工序的加工余量， 3 工程硕士学位论文 绪论 并设计出专用的工装和夹模，在实践中边生产边摸索，找出最合理的工艺路线，再制 定出与工艺路线相匹配的工艺参数，形成一套完整的工艺规程，使项目获得成功；最 终形成零件的批量化生产，满足市场的需求。 4 工程硕士学位论文s w 2 5 x 4 0 xi 直角棱镜高效加工工艺 2 各道工序加工余量的制定 。光学表面经加工后其表面留下一层凸凹不平的破坏痕迹，具有一定深度称为破坏 层。在定量测出破坏层深度值的基础，可确定出各工序的合理加工余量这对各工序间 表面结构匹配的合理性、经济性颇为重要，它直接关系到光学零件生产的效率和表面 质量的提高，因为不同玻璃即使在同样的加工条件下所产生的破坏层深度相差甚大。 不论何种玻璃牌号应用统一的加工余量只能造成要不是余量过大，使得工时、材辅料、 工具磨耗和机床磨损加大；就是加工余量不足，造成报废。这都会产生浪费而使经济 效益下降。因此，合理地分配加工余量在实际生产中具有十分现实的意义。 2 1 光学玻璃表面的破坏层 光学玻璃表面破坏层的定义：完好的光学玻璃经加工后光线通过加工后的表面产 生光散射现象的那一部分，通常称为玻璃加工后的破坏层，简称破坏层。破坏层可分 为两部分：表面凸凹层和裂纹层。 凸凹层指零件加工后的表面具有较小间距和微小峰谷的不平层。这一层可借助带 有机械测头的轮廓仪直接测出。 裂纹层：处于凸凹层之下，玻璃因物理化学因素而产生的细微裂纹的不可直接测 量层。 它们二者之间的关系是：只要有凸凹层存在就必然有裂纹层，而有裂纹层却不一 定有凸凹层，裂纹层远比凸凹层大得多。 一切能用于光学仪器中的良好光学零件，不仅应具有光滑透明的表面，同时也不 允许表面下有任何裂纹。这是因为这些裂纹在仪器中会产生光散射而形成杂散光。这 些杂散光会严重地影响像的衬度，大大降低像的清晰度，即成像质量。另外，由于表 面裂纹的存在，经长期在空气中使用，光学零件会被大气中的水或水蒸汽腐蚀，致使 玻璃裂纹迅速扩大或加深，严重时可以达到失透程度。使产品完全失去原有的功能。 因此，一个良好的光学零件必须将表面的凸凹层和裂纹层全部去除。要去除裂纹层的 最好办法是光学抛光。只有经过十分完善的光学抛光才能得到光洁无暇的表面璐3 。 2 2 棱镜被加工时的表面结构分析 铣磨、精磨和抛光是光学零件加工的三大基本工序，在零件光学表面形成的过 程中，各道工序各有其作用。铣磨的目的是去除毛坯的大部分余量，并保证一定的几 何形状精度和表面粗糙度；精磨是为抛光作准备，因此此道工序要求：零件达到较精 5 工程硕士学位论文 各道工序加工余量的制定 确的几何形状和具有较小的裂纹深度，并在此裂纹深度上，又要求较为粗糙的表面； 抛光是要去除掉精磨所留下的破坏层( 包括粗糙的凸凹层和裂纹层) ，最后达到所要 求的光学表面。可见，每一道工序完工的表面结构，都直接影响下一道工序的加工过 程n 3 。 2 2 1 铣磨的表面结构 铣磨的表面结构，直接影响到精磨的磨削效率、工作的表面质量、磨具的磨损和 钝化等。 如果铣磨完工的工件表面太粗糙，结果使精磨去除量加大，更主要的是磨具磨损 严重，同时，被去除的大量玻璃屑，容易附着在磨具与玻璃接触的表面上，它会降低 零件表面质量，甚至使工件精磨后仍残留麻点，抛光难以消除，只好重新进行返修； 相反，如果铣磨后的工件表面粗糙度太小，光滑的表面不利于金刚石磨具的自锐作用， 结果使磨削效率降低。研究结果表明：金刚石磨具上，如果有2 0 以上的金刚石颗粒 变钝而不脱落，则磨削效率显著下降，而且加工表面容易形成较深的裂纹层。磨具的 自修整作用，就是要保证钝化的金刚石颗粒不断地从磨具工作表面上脱落下来，随之 露出新的颗粒参与研磨。这种自锐作用是保持磨具切削能力的必要磨耗方式。它与铣 磨完工的工作表面粗糙度、结合剂的硬度和冷却液的种类等因素有关n 】。 铣磨后工件的表面粗糙度，应该与精磨金刚石磨具的粒度和结合剂硬度相匹配。 如精磨的磨具粒度为2 6 胁( 相当w 2 8 ) ，结合剂硬度适当，金刚石颗粒从基体表面露 出3 岫左右，在这种条件下，要求铣磨后的表面粗糙度r a 值为2 2 啪，相当v v 6 粗糙度；如果铣磨完的表面粗糙度为1 2 啪时，精磨磨具的自锐作用就很差，磨削效 率显著降低。 在铣磨磨削加工中，采用1 0 0 4 金刚石磨轮，工作表面粗糙度达到vv 6 ，这时采 用粒度为w 2 8 的金刚石磨具作第一道精磨是与铣磨表面相匹配的。 2 2 2 精磨的表面结构 关于精磨表面结构对抛光的影响，人们往往误认为，精磨表面粗糙度愈小，对抛 光愈有利，其实则不然。衡量精磨的表面结构，主要有两项指标：最大裂纹层和表面 凸凹层。前者决定抛光要去除材料的厚度，影响抛光时间；后者作用是防止抛光模釉 化，以提供较高的抛光速率。 抛光过程基本上可分为两个阶段：首先是抛去凸凹层，然后是抛去裂纹层。 在抛光第一阶段开始，抛光模仅与工件表面凸凹层的峰顶接触，这时抛光的玻璃 表面承受相当大的单位压力，同时，粗糙表面的凹坑，使抛光液能充分地布满整个表 6 工程硕士学位论文 s w 2 5 x 4 0 xi 直角棱镜高效加工工艺 面，因此抛光效率较高。随着抛光过程的继续，抛光模与工件表面接触面积增加，工 件表面单位压力减小，同时抛光液在加工表面的附着作用降低，因此抛光过程减缓。 抛光进入第二阶段，抛光达到裂纹层时，整个玻璃表面与抛光模完全接触，抛光 过程趋于稳定化，这时大多数抛光模开始釉化。随着抛光的继续，釉化加剧，抛光效 率进一步降低，釉化程度取决于第二阶段抛光的持续时间。即抛光模的釉化程度直接 取决于精磨表面的裂纹层的深度，这是因为第二阶段抛光的持续时间取决于裂纹层深 度的大小。鉴此，精磨后的工件表面应具有较小的裂纹深度为好。 使用釉化的抛光模，抛光下一个工件，是靠工件精磨后粗糙的表面恢复磨具的抛 光能力的。因此，精磨的表面粗糙度应为清除抛光模的釉化提供可能，若精磨表面粗 糙度很小，将不可能消除抛光模的釉化，尤其是柏油模更是如此。 综上，精磨的工件表面结构应具有较小的裂纹层和较为粗糙的表面。但是表面凸 凹层应以不大于裂纹深度为限度啼“。 2 3 确定加工余量的基本依据 在铣磨、精磨和抛光三大工序的工艺界线的划分应以考虑破坏层为基本出发点， 上道工序产生的破坏层必须被下道工序加工所去除。 上道工序留给下道工序的加工余量一般可用下式表示： s - a + b c 式中：s 为加工余量 a 为上道工序留下的破坏层 b 为装夹定位引起的误差 c 为加工中的形状误差 4 5 。直角棱镜加工中装夹误差b 会影响其角精度和平行差，只能靠夹模工装的角 精度来保证；形状误差c 是本道工序加工技术要求之一；误差b 和c 与操作者的水平， 设备精度和夹具精度等因素有关脚。 在此我们着重考虑上道工序留给下道的破坏层a 对于铣磨完工后，1 0 0 。金刚石磨轮表面粗糙度r a 为0 3 0 4 啪，破坏层深度为 3 2 5 0 胁。 精磨完工，w 1 0 人造金刚石丸片、青铜q 1 结合剂，浓度为7 5 表面粗糙度r a 为 0 0 2 o 2 m ，破坏层深度为3 6 9 9 胁忉。 根据一系列研究结果得出k 。玻璃铣磨完工后留给精磨和抛光的余量数值见表2 3 7 工程硕士学位论文 各道工序加工余量的制定 表2 3各工序的破坏层深度 工序铣磨1 0 0 。精磨w 2 8精磨w 1 4抛光( 改光圈)合计 破坏层深度 5 0 阳1 0 岫4 峋2 5 岫6 6 5 岫 2 4 加工余量的制定 在零件的整个加工过程中，高速铣磨是粗加工，所用的金刚石砂轮粒度为1 0 0 。， 该工序所造成的破坏层是最深的。精磨和抛光工序的去除余量取决于铣磨时所造成的 破坏层深度，根据破坏层深度的分析，可确定出各道工序的加工余量见表2 4 1 表2 4 1各工序的加工余量 总余量铣磨1 0 0 。精磨w 2 8精磨w 1 4抛光 6 0 0 煳4 胁1 5 0 胁3 0 煳2 0 曲n 从表2 4 1 中可反映出这样的情况，在实际生产中所确定的加工余量要比实验数 值大，其原因是在确定各道工序的加工余量时，要考虑到其他因素的影响。诸如机床 砂轮轴的精度，砂轮的跳动，加工中形状误差的控制等，这些因素都会加大破坏层的 深度或影响加工余量的合理确定。 对于g o 卜4 和g o 卜5 棱镜，其毛坯尺寸的不仅要考虑各道工序的加工余量，还要 考虑到压型毛坯本身的面形特点，因为批量生产的棱镜毛坯均采用压型料，是二次成 型工艺制成，每个被加工面去除余量不低于o 8m ，才能去除毛坯表面的气泡、疵病 和氧化铝层；并且还要考虑毛坯在压型冷却后产生的收缩量，以及压型料的尺寸大小 存在一些差异；每个面的余量应放大到1 1 2 咖，这样才能保证面形一致。再加上 精磨抛光的余量，以及在满足图纸尺寸的公差范围内，留有退修零件的返修余量，通 过计算最终得出g 0 卜4 和g o 卜5 的毛坯尺寸见表2 4 2 ： 表2 4 2毛坯尺寸 零件 弦长 实高侧厚 g 0 1 45 2 衄2 8 姗3 7 衄 g o l 一57 1 衄3 8 珊3 8 衄 8 工程硕士学位论文s w 2 5 x 4 0 xi 直角棱镜高效加工工艺 3 棱镜工装夹模具的设计 棱镜的角度误差包括9 0 。、4 5 。以及ol 、o 。通常用光学平行差ol 、o 来检查棱镜的几何形状误差。在棱镜的高效加工工艺中，为了保证o 。、o 的精度和 9 0 。、4 5 。的要求，同时要满足高效生产及产品的合格率，必须设计出与之相适 应的工装夹模具。 3 1 夹具设计的意义 为了保证光学系统的光学性能和成像质量，反射棱镜依次由反射面展开成平板玻 璃后，入射和出射的两个表面必须相互平行。但是由于在加工中存在着多种误差，使 棱镜的几何形状有差异，所以展开后平板玻璃的入射面和出射面就不再平行。这样的 棱镜在光学系统中就会影响到光学性能和成像质量，因此，对棱镜的几何形状必须加 以控制阳3 。也就是对第一、第二光学平行差和角精度误差的控制。 高精度棱镜的高效制造是通过若干种工装夹具来保证的。工装夹具设计的合理性 和制造的精密性是保证整个制造过程高效率生产和产品保持高合格率的重要条件。 3 2 设计要求和注意的问题 设计要求： ( 1 ) 依靠工装夹具的精度来保证棱镜的技术要求。 ( 2 ) 依靠工装夹具设计的合理性来提高生产节奏，达到高效率的目的n 们。 注意的问题： ( 1 ) 夹具牢固可靠、装卸方便。 ( 2 ) 夹具和零件相接触的表面特别是与零件基准面接触的表面应耐磨并且 要求接触面平直光滑以保证定位正确和防止零件划伤。 ( 3 ) 提高定位精度，在工件与夹具的接触面上、特别是定位面上应开有沟 槽。 ( 4 ) 防止棱镜破边和碰伤棱角，夹具上应开有让角槽。 ( 5 ) 使零件装夹稳定，槽盘夹具上的角度槽一般比零件相对应的棱角小 2 5 、而角度槽的角度公差应比零件棱角公差高l7 27。 ( 6 ) 制造容易成本低。 9 工程硕士学位论文棱镜工装夹模具的设计 3 3 设计原则 ( 1 ) 合理选择测量面和测量基准。 ( 2 ) 力求做到一次装夹连续加工。 ( 3 ) 合理选择装夹基准，尽量减少第二光学平行差。 在零件铣磨加工过程中，往往是将单件粘结成条形，而每一个粘结面的胶层又不 可能均匀一致。所以，胶条以后的零件，两侧面不可能是完全平行的，也就是说，任 意一个工作面不可能同时垂直于两头的两个侧面。如果以两侧面中的一个做装夹基 准，就有可能使由胶层不均匀造成的误差集中到一头上来，形成加工面或交棱倾斜。 即所谓的第二光学平行差。 3 4 工装夹模设计 根据设计原则和要求，对g o 卜4 、g o 卜5 的高效加工所需用的工装进行了周密的 设计，用于铣磨、精磨和抛光过程中。 在铣磨过程中主要使用胶平模、9 0 。夹模、胶条模。采取以下加工顺序： ( 1 ) 用胶平模加工两个侧厚面，胶平模的基准面和工作面的平行精度要求为 o 0 2 衄，保证了棱镜两个侧厚面的平行度。 ( 2 ) 以加工过的侧厚面为基准，胶上9 0 。夹模加工弦面。9 0 。夹模的设计如 图3 1 所示，中部用档条隔开，零件胶在两边，上盘时侧厚面紧帖档条 三件胶一槽，这样减少了成长条的累积误差。 ( 3 ) 以弦面为基准胶上胶条模，如图3 2 所示。通过这一次装夹可以完成两 个直角面和顶高棱脊面，这三个面的加工。胶条模的角精度必须保证9 0 。27。 在精磨和抛光过程中要用到4 5 。和9 0 。抛光夹模。夹模的角度比零件的角度小 2 ，角精度比棱镜的角精度高27 ；夹模各槽间的几何尺寸误差要小，与棱镜尖角 相接触处开有让角槽，并且采用耐磨、牢固可靠、变形小的材料。 3 5 槽形夹模的误差分析 l o 以9 0 。角槽形夹模为例： ( 1 ) 、槽的角度误差引起棱镜的角度偏差 工程硕士学位论文s w 2 5 x 4 0 xi 直角棱镜高效加工工艺 8 当槽的角度9 0 。+ q 时，如图3 3 ( a ) 所示，此时棱镜在槽内很不稳定， 在夹紧力的作用下，必须靠在一边，图中棱镜为a b c ，夹模槽为a b c ，由于 么c = 9 0 。+ q ： 隔板 图3 1 铣磨棱镜9 0 。夹模 图3 2 棱镜胶条模 当假设槽是对称的，则 么a _ 么b = 4 5 。一( q 2 ) ， 当棱镜靠在一边的时候， 么a = 4 5 。一( q 2 ) ，么b = 4 5 。+ ( q 2 ) ，贝! j 64 5 。= q 。 b 当槽的角度为9 0 。一a 时，如图3 3 ( b ) 所示。此时，棱镜在槽内比较稳定。 若夹紧力合适，两边对称，此时，棱镜的角度误差可以减至最小。如图3 3 ( c ) 所 示，若夹紧力偏斜，棱镜靠在一边，则其误差为： “ 工程硕士学位论文棱镜工装夹模具的设计 么a = 么b = 4 5 。+ ( q 2 ) 么a = 么a = 4 5 。+ ( q 2 ) 么b7 = 4 5 。一( q 2 ) 则64 5 。= q 。 ( 2 ) 槽沟在棱镜槽内不对称，但9 0 。角是准确的， 么a = 4 5 。一q 么b = 4 5 。+ a 而么a = 么a ，么b = 么b 则64 5 。= i 么a 一么bf = 2 7 。如图3 3 ( d ) 嘲所示。 总之，造成4 5 。角的总误差= ( d 2 ) + q ( a ) ( c ) 3 6 控制成盘平行差 图3 3 棱镜角度误差分析 在平面高效生产中，零件的角精度、e 、en 是依靠工装夹具的精度，胶盘时定 位的正确性及与设备的配合来共同保证的。而在工装夹具的精度和胶盘定位均符合要 求后，零件的角精度、ox 、on 就要靠加工中的平行精度来保证，特别是在铣磨过 程中，有效地控制铣磨工序的平行差，就为后道工序平行差的控制奠定了基础，在后 续工序加工条件正常的情况下，零件的角精度、e ，、on 是完全可以保证的。 1 2 工程硕士学位论文 s w 2 5 x 4 0 xi 直角棱镜高效加工工艺 如图3 4 所示： 图3 4 平行差的控制 在铣磨过程中，首先应将机床砂轮工作面c 调至与主轴上的电磁盘基准a 平行， 再将镜盘的基准面d 修整到与电磁盘基准a 平行，并以此面作为零件测量平行差和尺 寸的基准b ，这样才能使被加工零件的角精度及o 。、o 得到保证。 当然，除了以上要求，各工序还应保证一定的平面度要求，否则就失去了作为 测量零件平行差的基准的意义。同时，由于面形不规则，也会造成零件上盘时胶粘不 牢致使在加工中零件脱落而打盘。 总而言之，零件的角精度和ot 、o 是通过控制加工的平行差来实现的，而加 工的平行差则又是靠和平面度以及与设备的平行配合要求保证的。 因此，镜盘的平行度和平面度要求必须控制在o o l 咖内，各种工装夹具的角精 度控制在2 以内口1 1 嘲。 1 3 工程硕士学位论文铣磨加工工艺 4 铣磨加工工艺 对铣磨工序的要求有三点：一是铣出的面形要规则，各个角度和平行度要达到要 求范围，实现光圈的匹配；二是表面粗糙度要符合精磨要求，达到光学表面粗糙度匹 配；三是要去除一定量的余量，保证将毛坯杂质层去除干净，做到余量匹配。 4 1 工艺因素对铣磨工艺的影响 考核铣磨过程优劣的指标有磨削效率，工作表面粗糙度以及磨轮的磨耗比。磨削 效率是单位时间内磨去的玻璃量或是磨去单位体积的玻璃所需的时间；表面粗糙度是 以表面粗糙度仪测定玻璃表面的凹凸层深度，磨轮的磨耗比是指每磨耗1m g 磨轮( 或 lm g 的金刚石) 所能磨去玻璃的重量，以g m g 表示，也有以磨去1 9 玻璃所消耗的磨 轮重量或金刚石的重量表示，则为m g g 。 影响铣磨过程的因素包括铣磨机、磨轮和冷却液。铣磨机的影响因素有磨头轴转 速、工件轴转速、磨削压力和吃刀深度；磨轮的影响因素有金刚石磨轮的粒度、磨轮 结合剂种类、金刚石浓度等；冷却液的因素主要是其种类对铣磨的影响1 。 4 1 1 磨头轴转速对铣磨的影响 磨头轴转速用每分钟多少转表示，或者用磨轮的边缘线速度表示。图4 1 。表示 磨轮边缘线速度对磨削效率的影响。表明磨轮边缘线速度越高，则磨削效率也越高。 工作表面的粗糙度在工件表面半径方向上是不一样的，假如磨轮与工件的相对位 置使磨轮边缘与工件边缘相切，则加工出来的工件中心部位凹凸层最小，边缘部位次 之，中腰部位最大，所以在讨论对工件表面粗糙度的影响时，应该按相同的部位进行 比较。 图4 2 哺。表示磨轮的边缘线速度对工件表面粗糙度的影响。在相同磨削效率条件 下，磨轮边缘线速度越大，则工件表面粗糙度越小。 所以，总起来说磨轮边缘线速度的提高，有利于磨削效率的提高，也有利于工件 表面粗糙度的改善。但是，磨轮轴的速度不能无限增大，磨头轴转速越高，机床的振 动、噪音、磨损均随之而加大，所以，磨头轴转速的提高也受机床工业水平的限制。 1 4 工程硕士学位论文 s w 2 5 x 4 0 xi 直角棱镜高效加工工艺 磨 削 效 率 ( s 讲) 磨削速度i ，s 图4 1 磨轮边缘线速度 对铣磨效率的影响 4 1 2 工件轴转速对铣磨的影响 表 酉 粗 麓 度 i h p 瘩削速度咖 图4 2 磨轮边缘线速度 对工件表面粗糙度的影响 工件轴转速越搞，磨轮的磨耗比加大，就是磨去单位重量的玻璃，磨轮的磨耗加 大，如图4 3 6 3 所示。 磨 轮 磨 耗 嵋 表 面 粗 糙 度 h p 图4 3 工件边缘线速度对磨轮磨耗图4 4 工件边缘线速度对工件表面 的影响粗糙度的影响 l 一7 5 6 姗m i n2 一1 2 6 舳m i n 3 - 3 7 8 咖m i n 工件转速对工件表面粗糙度的影响应该在工件每转进给量相同的条件下所得的 l5 工程硕士学位论文 铣磨加工工艺 规律。所得结果，如图4 4 。所示。工件轴转速越大，工件表面粗糙度越大。但是有 的机床，当从慢进给开始到光刀、停车之间的时间间隔一定，则工件轴转速越高，工 件每转的进给量减低。这样，虽然工序周期不变，工件的表面粗糙度不仅不会变粗， 还会变细。 工件的边缘线速度一般认为取1 5 0 2 5 0 衄m i n 较为合适。 4 1 3 磨削压力对铣磨的影响 磨削压力是指磨轮传递给工件表面的压力，有的机床有磨头的自重产生压力，有 的由液压或弹簧作原动力。磨削力越大，磨削效率越高，如图4 5 6 3 所示。磨削压力 越答，工件表面粗糙度加大，如图4 6 6 3 所示。 磨削压力( n ) 图4 5 压力对磨削效率的影响 4 1 4 吃刀深度对铣磨的影响 表 面 粗 糙 度 r a pn 磨削压力( n ) 葛- 图4 6 磨削压力对工件表面 粗糙度的影响 吃刀深度是指工件每转的进给量。吃刀深度的选择随铣磨压力、磨料粒度、磨轮 转速的增加而成正比的增加，而与工件转速成反比。所以，吃刀深度的增加，必然使 磨削效率提高。吃刀深度对工件表面粗糙度的影响是：粗糙度随吃刀深度的加大而变 大。吃刀深度的调节随各种铣磨机结构不同而不同。 1 6 磨酣效率佃 8 工程硕士学位论文 s w 2 5 x 4 0 xi 直角棱镜高效加工工艺 4 1 5 金刚石磨具粒度对铣磨的影响 金刚石磨具的粒度是指磨具中金刚石颗粒的大小。总的来说，金刚石磨具的粒度 越大，磨削效率越高，如图4 7 1 所示，但只有在其它条件相匹配、相适应的情况下， 而不是除粒度外其它条件都固定的情况下。图中相当部分的粒度尺寸比粗磨铣磨所采 用的小，因为这里主要研究粒度影响的规律。 金刚石粒度对工件表面粗糙度的影响如图4 8 。所示。同样地，不同粒度在加工 时，其它的磨削条件应该是匹配的、适应的。 l 畜 l 。 效 率 l 2 w 讨) t l 吼l 埔 磨撇( p 面 图4 7 金刚石磨具粒度对铣磨图 效率的影响 4 1 6 金刚石磨具浓度对铣磨的影响 表 面 粗 麓 度 l i a p - 磨科直径( p 由 图4 8 磨料粒度对工件表面粗糙度的影响 卜火石类玻璃2 一冕牌类玻璃 金刚石磨具的浓度是指含有金刚石的结合剂层中金刚石的含量，规定结合剂层中 金刚石含量为4 3 9 c a r c 一( 克拉c m 3 ) 时，浓度为1 0 0 ，lc a r o 2 9 。浓度太 大，结合剂把持能力不够，金刚石颗粒没有磨钝就掉了，磨具的磨耗大，当然磨削效 率还是比较高的；浓度太小，磨削刃少，磨削效率也低。浓度还与粒度有关，相同的 浓度，若粒度越大，颗粒数就少，所以，粒度大时，浓度相对应该高些。对于粗磨铣 磨金刚石的颗粒以1 0 0 # 、8 0 # 为宜，则浓度以1 0 0 为宜，如图4 9 。所示。 浓度对工件表面粗糙度的影响，浓度对k 9 玻璃粗糙度的影响不大；对z f l 玻璃， 粗糙度随浓度加大而变小。 浓度对磨具磨耗比的影响如图4 1o 6 所示。当浓度为10 0 时，磨具 单位重量的磨削量( 即所能磨削的玻璃量) 最大，所以，1o o 的浓度是 1 7 工程硕士学位论文铣磨加工工艺 合适的。图中p 4 、p 6 表示加工压力为4 0 n 或6 0 n 。 磨轮浓度c a r 脚 4 1 7 金刚石磨具结合剂对铣磨的影响 磨 削 效 率 ( s 鲥) 1 8 铣磨个敷 图4 1 1 金刚石磨具结合剂对工件 磨削效率的影响 卜青铜2 一钢13 一钢24 一电镀n i 磨 耗 比 吼6 仉4 0 磨撇c a r 3 表 面 粗 糙 度 i h l i i 慌磨个敷 图4 1 2 金刚石磨具结合剂对工件表 面粗糙度的影响 卜电镀2 一青铜 结合剂的作用是将金刚石颗粒把持住，结合剂的种类分四类，按耐磨性由强到弱 磨削效率佃 s 工程硕士学位论文 s w 2 5 x 4 0 xi 直角棱镜高效加工工艺 顺序为电镀、金属、陶瓷、树脂。金属结合剂又分青铜、钢和硬质合金。如图4 一l l 。 所示为结合剂对磨削效率的影响，电镀n i 的效率最高，钢的其次，青铜的较低。 结合剂种类对工件表面粗糙度的影响如图4 1 2 。所示。电镀结合剂加工后工件 表面粗糙度较大，青铜的较小。 结合剂种类对磨耗比的影响如图4 1 3 旧。所示，磨去同样重量的玻璃，电镀磨具 的磨耗比青铜的小。 由此可见，电镀磨具的磨削效率是最高的，而且耐磨，但工件的表面粗糙度大； 青铜结合剂虽然效率没有电镀的高，也没有电镀的耐磨，但表面粗糙度较好。粗磨铣 磨很少用陶瓷和树脂的结合剂。目前我国电镀磨具供应不多，主要用青铜结合剂。 磨 耗 比 如 图4 13 金刚石磨具结合剂对磨耗比的影响 4 2 铣磨参数的选定 根据上述影响铣磨工艺的因素和要求，在满足零件质量要求的前提下，尽量选用 较低成本的原材辅料；选择如下： 机床型号：y g s 6 0 0 进刀速度：6 0 码s 砂轮粒度：1 0 0 。 冷却液：三乙醇氨：甘油：水= 3 ：1 ：1 0 0 1 9 工程硕士学位论文铣磨加工工艺 4 3 铣磨工序的面形及表面粗糙度的控制 铣磨工序的成盘面形一般控制在中间比边缘低0 0 0 5 一o 0 1 5 衄的范围内，这样就 能满足精磨的面形要求。 铣磨后零件的表面粗糙度要达到vv 6 ，不允许有刀痕印出现。在铣磨过程中， 当出现深的刀痕印时；或磨轮使用一段时间后，磨削力下降，成形工作面失去几何精 度时，要及时对金刚石磨轮进行修整。常见的修整方法有：散粒研磨法、砂轮或油石 修整法。 2 0 工程硕士学位论文s w 2 5 x 4 0 xi 直角棱镜高效加工工艺 5 精磨加工工艺 精磨的目的是保证工件达到抛光前所需的面形精度、尺寸精度和表面精度。因此， 精磨的质量对抛光的影响是非常重要的。 5 1 镜盘直径的确定 根据p j m 3 2 0 机床的加工范围，磨盘直径选用d m - 3 2 0 舳。由公式 d m = k d j 式中，d i n 为磨盘直径；d j 为镜盘直径；k 为磨盘相对镜盘的比例系数。 当采用磨盘在下( 主动) 镜盘在上( 从动) 时，k 常取1 1 1 2 5 ，因而镜盘采用d j = 2 5 0 2 9 0 姗的口径1 射。 5 2 平面精磨模的设计 平面精磨模的曲率要考虑如下两个因素： ( 1 ) 精磨后的工件要求低光圈，所以精磨模要求略凸，其曲率为p 。 po _ 婴( 5 1 )p0 2 _【5 一1 ) d i 式中卜由低光圈数换算的失高； d 。工件的口径 ( 2 )由于加工中露边和工件的热膨胀，所以，精磨模应略凹，其曲率为p 。 则 旰 c 5 - 2 ) 则精磨模应该有的曲率为p 嘲 p ：p 。p ，：矍一! ( 5 3 )p3po - p1 2 耳一面而( 5 。3 ) 2 1 工程硕士学位论文 精磨加工工艺 5 3 平面的成型原理 这里