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          平面加工工藝技術(shù)(上)

          發(fā)布時(shí)間:2016-12-11點(diǎn)擊數(shù):3406次

          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

          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(chē)后未測(cè)

          0.005

          0.03

          0.01

          拋光模轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)

          水平度(mm/m)

          未測(cè)

          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(mén)3號(hào))

          +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)

          ?590X78(K9)

          ?630

          ?600X60

          ?500X80(K4)

          ?500X70(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(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,

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