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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:2931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(lèi)基本方法


              1、范成法形成平面

              特點(diǎn)是依靠機床的精確運動(dòng)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(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的軸與飛刀作直線(xiàn)運動(dòng)的工作臺垂直而范成了平面.工具與工件的加工接觸為線(xiàn)接觸。


              2、輪廓復印法或母板復制法

              這種復制法與光柵復制法不一樣,在復制過(guò)程有磨削研磨、拋光過(guò)程。采用精磨模、拋光模(固著(zhù)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


                     計算機控制拋光(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,而且可以采用適當的金屬夾具,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(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銑磨平面的范成運動(dòng),圖二就是改進(jìn)的QM30銑削平面的范成運動(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床的精度,而主要依靠母板的精度的傳遞,應該重點(diǎn)研究與把握三個(gè)機理。


              1.輪廓復制法

              2.母板的產(chǎn)生、保持與修復


              3.三塊平面的對磨與修正


                  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)拋機的校正板是母板,高速環(huán)拋機的聚氨酯拋光盤(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(cháng),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床(φ300)與PLM400平面精磨機(φ500)(圖4、圖5),采用高速高壓、固著(zhù)磨料精磨模、固著(zhù)磨料拋光磨與聚氨酯拋光模等,并采用合理的工藝參數(速度、壓力、工具大小、擺幅、供液量、液溫等),可以達到定時(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,而合理的工藝參數修工作母板不容易破壞,因而可以較長(cháng)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


              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(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機型采用變頻調速,軟啟動(dòng),軟停止,運動(dòng)平穩,低噪音使用更為方便。


                     這類(lèi)機床的工作原理也是母板復制法,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(shí)壓強


                    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


                    V-(x,y)作如下分析:

              當推動(dòng)平面的著(zhù)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(xiàn)性分布,用△t表示,設工件外經(jīng)為D,厚度為d,工件材料的熱膨脹系數為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及工藝裝備


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

              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(pán)用鋁合金制成,在拋光機上通過(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,以增加韌性與穩定性,拋光模應加制不通過(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。


              當然,也可以在校正盤(pán)卡輪上加裝馬達,以驅動(dòng)校正盤(pán)的旋轉,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:室內溫度為23℃~25℃,最重要的是室內溫度梯度(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。


              7 校正板工件(工件夾持器)裝御器:我們設計了一臺特殊的推車(chē),高度可以調整,

              并帶有一組帶橡皮圈的滾柱,裝御很發(fā)方便。


                     我國幾個(gè)主要單位的1m環(huán)拋機主要工藝參數對照表如表1所示。


              表1   我國1m環(huán)拋機主要工藝參數對照表

              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(chē)后未測

              0.005

              0.03

              0.01

              拋光模轉動(dòng)時(shí)

              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(mén)3號)

              +6%K17

              1∶3.5

              (獨山子)

              +3%K17

              1∶3

              (獨山子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,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,拉伸又重新結晶,有著(zhù)明顯的纖維圈。溫度高于71±0.2℃時(shí)熱膨脹系數大,重復加熱出現滯后現象,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(底模預熱到40~50℃),自然冷卻、固化,

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