传统光学加工(粗磨).ppt

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1、传统光学冷加工技术,光学加工的主要工艺流程,冷加工主要工序： 切割下料磨方胶条滚圆铣球面粗磨精磨抛光磨边检验 特种工艺工序: 镀膜胶合 现代光学制造技术是在传统加工的基础上进行再加工的。如非球面光学元件通常是由球面和非球面组成，球面一般采用传统加工，非球面首先采用传统加工方法加工比较接近球面，然后采用先进制造技术计算机数控加工进行非球面的磨抛。 如果要获得超光滑表面，在数控加工的基础上，进行磁流变抛光、离子束抛光或者等离子束抛光。 以下针对传统加工的主要工序粗磨、精磨和抛光技术做详细介绍。,第一章 粗 磨,光学零件的毛坯，加工成透明的光学表面，无论是采用散粒磨料还是固着磨料加工，均需要三大基本

2、工序粗磨、精磨和抛光。 粗磨是将块料或型料毛坯加工成具有一定几何形状、尺寸精度和表面粗糙度的工序。 粗磨的方式，可以选择散粒磨料手工操作，也可以采用固着的金刚石磨具，在铣磨机上进行自动或半自动的机械加工。,1-1 研磨的本质,一、散粒磨料的研磨 散粒磨料研磨，是指用磨料加水配成的悬浮液对玻璃进行研磨加工。 研磨的过程主要是尖硬的磨料颗粒对玻璃表面破坏的过程。,二、固着磨料的研磨 铣削加工，是采用固着磨料的金刚石磨具研磨玻璃，它与金属的加工很相似。,用固着磨料研磨玻璃效率高的原因是： 1.固着的磨粒象无数把车刀，在玻璃加工表面留下相互交叉的、不间断的划痕。 2.固着磨粒只作用于玻璃表面，直到表面

3、破坏，而不参与它们之间的互相磨碎。 3.磨具的工作压力，仅仅作用于突出的为数不多的颗粒上，因此磨粒受力很大。 4.切削速度很高，达到1525m/s。 5.磨粒尺寸不均匀对研磨影响不大，因为参加有效研磨的只是从结合剂中突出的颗粒棱尖部分。,6.冷却液充分供给，可以及时将玻璃碎屑和热量带走。 7.在采用较大粒度的磨料时，可用小的进给量，则表面上会形成小的微观不平度。因此，对于同样粒度的磨料，采用散粒研磨和铣磨，其表面质量不一样，铣磨比散粒研磨的砂面要细。当磨轮粒度为60*80*时，其铣磨表面的凸凹层为2753m，相当180*240*散粒磨料研磨的砂面。,1-2 铣削加工原理,一、球面铣削原理 球面

4、半径的大小与两轴的夹角 有关。当磨具选定后，中径 和端面圆弧半径 为定值。调节不同的 角，即可加工不同曲率半径R的球面。其R与 的关系式如下：,二、平面铣磨原理 平面铣削加工的目的，是获得具有一定平面度或平行度要求的平面零件。 目前国内已有专供加工平面零件的铣磨机，如PM500大型平面铣磨机，加工的直径范围为500mm。铣磨原理如图4-9所示。工件绕自身轴转动，起进给作用。磨轮绕高速轴旋转铣磨工件，同时磨轮又沿轴向进刀，达到逐渐吃刀铣磨工件的目的。,三、铣槽及磨圆弧原理 图4-11所示，是采用成型金刚石磨轮铣圆弧面.图4-12所示，是采用平形（P型）砂轮加工棱镜的圆弧面。图4-13所示是采用柱

5、形金刚石磨轮铣槽。,1-3 磨料和磨具,一、磨料 （一）种类 研磨光学玻璃所用的磨料有天然磨料和人造磨料两大类。主要的天然磨料有金刚石(C）、刚玉（A12O3）和金刚砂（主要成分也是氧化铝，但含量低于60）等。常用的人造磨料有人造金刚石，人造刚玉，人造碳化硅（SiC）和碳化硼（B4C）等。 （二）粒度磨料的粒度是以颗粒的大小分类的。我国的磨料粒度号规定，对用筛选法获得的磨料，粒度号用一英寸长度上有多少个筛孔数来命名的。,二、磨具 通常采用的磨具有两种，一种是普通磨料制成的砂轮，另一种是用结合剂固着的金刚石磨具。 （一）金刚石磨具的结构 1金刚石层：它是金刚石磨具的工作部分，由金刚石颗粒和结合剂

6、组成。 2. 过渡层：只含有结合剂，对金刚石层和基体之间起着连接固结作用。过渡层厚一般为12mm。,3基体：用于承载金刚石层和过渡层，并在磨具使用时，牢固地将其固定在机床磨头轴上。一般金属结合剂的锯片和磨轮选用钢作基体，树脂结合剂磨轮选用铝、铜等作基体。,（二）金刚石磨具特性标志 1. 磨料：代号为JT，JR-1，JR-2, JR-3; 2. 粒度：常用80W5； 3. 硬度：常用ER（中软），Z（中），ZY（中硬），Y（硬）； 4. 浓度：常用25,50，75，100； 5. 结合剂：树脂结合剂（S），青铜结合剂（Q），陶瓷结合剂（A），电镀结合剂（D）,6. 形状：平行轮（P），薄片轮（P

7、B），杯形轮（B），碗形一号轮（B W1），碗形二号轮(BW2)，碟形一号轮(D1)，碟形二号轮 (D2)，单面凹轮(PDA），双面凹轮（PSA），筒形轮（NP，NH），切割轮（PBG）等； 7. 外径：代号D； 8. 厚度：代号H； 9. 孔径：代号d； 10. 金刚石层环厚：代号b； 11. 金刚石层层厚：代号h； 12. 金刚石角度：代号 ,（三）金刚石磨具特性参数的选择、 1粒度：金刚石磨具的粒度对磨削效率和表面粗糙度的影响正好相反，粒度越细，工件表面粗糙度愈小，则效率越低。在浓度一定的情况下，粒度越大，粒数越小。 2结合剂： 结合剂是把金刚石颗粒固结于磨具基体上的物质。 国内外使用的

8、结合剂共有四大类，耐磨性由弱到强的顺序为：树脂结合剂、陶瓷结合剂，金属结合剂和电镀结合剂。,3硬度 磨轮的硬度是指磨具表面的磨粒在外力作用下脱落的难易程度。磨粒易脱落则磨具软，反之则硬。 磨具硬度等级由软到硬分为超软（CR），软（R，中软（ZR），中（Z），中硬(ZY），硬（Y）和超硬（CY）。 玻璃材料较软时，磨轮硬度可选择硬些；工件加工面积大，磨具硬度可选软些。,4-4 铣磨加工中工艺参数的选择,一、磨头转速 磨轮边缘线速度又称磨削速度。磨削速度愈大，磨削效率愈高，表面粗糙度愈小。铣磨试验表明，磨轮边缘线速度在1235m/s时，磨削效果较好。如果磨削速度过高，则机床振动加大，会影响工件质量

9、，如果速度偏低，切削力增大，影响磨削效率，而且金刚石颗粒易脱落。 磨轮的转速与边缘线速度的关系为： 式中，Dm磨轮中径（mm）；n磨轮转速（转min）；V磨轮边缘线速度（m/s）。,4浓度 金刚石磨具的浓度，是指在磨具金刚石层内每立方厘米的体积内含有金刚石的重量。规定每立方厘米中含有4.4克拉金刚石作为100浓度。 浓度选择的原则：假如金刚石粒度比较粗，浓度相对地应高些。,二、工件转速 工件轴转速，可以根据工件直径大小和进给速度加以调整。工件线速度实际上是进给速度，一般选150250mm/min较为合理。 三、铣磨深度 铣磨深度是指工件转动一周的吃刀量。实践表明，吃刀量愈大，铣削效率愈高，但表

10、面粗糙度愈大。在铣磨周期内，磨去量一般是经过多次铣削完成的。,四、冷却液 冷却液具有冷却、清洗和润滑作用。 1.水溶性冷却液：是一种含有表面活性剂的水溶液，它可以起到良好的冷却、清洗和润滑作用，使加工表面的粗糙度小。 2.乳化液冷却液:乳化液冷却液，是由矿物油和水在乳化剂作用下所形成的一种稳定的乳化液。由于它既含有水又含有油，因此它兼有水和油作冷却液的优点，即冷却、清洗、润滑和防锈性好。 3.油性冷却液: 油性冷却液是以矿物油为主体的冷却液，它的表面张力小，润滑性好，对金刚石磨具有较好的防护作用。,1-5 铣削球面几何形状精度分析,一、影响工件曲率半径精度的误差,（二）中心调整误差的影响 中心

11、调整量的改变直接影响半径误差。存在中心调整误差 值时，曲率半径产生 R的误差，并且 R随 的增大而增大。无论是凸球面，还是凹球面均如此。,（三）磨轮轴高低调整的影响 在铣磨机中，磨轮轴不进行高低调整，而由机床装校保证。如果存在磨轮轴与工件轴的高低误差h，则球面方程变为高次曲线的回转面。 目前国内制造的铣磨机，工件轴与磨轮轴的高低偏差h = 0.03mm，此偏差对非球面度影响很小。 （四）磨轮轴和工件轴径向跳动的影响 径向跳动的影响与高低调整误差和中心调整误差影响相同，即产生非球面误差，实践表明，磨轮轴与工件轴径向跳动允差0.0050.01mm，对球面半径精度影响不大。,二、影响透镜中心厚度误差

12、的因素 （一）磨轮轴和工件轴轴向跳动的影响 一般铣磨机两轴的轴向跳动量均为0.005mm。因此，轴向跳动影响的最大误差是0.01mm。 （二）夹具精度对透镜中心厚度的影响 夹具的影响，主要是由于夹具制造误差和对夹具使用不当造成的。,1-6 铣磨球面产生的表面疵病,铣磨球面产生的表面疵病常见的有：菊花纹（细密振纹），宽疏菊花纹，麻点，擦贴圈有缺口（或中间环带脱空）和球面偏心等。,一、菊花纹和宽疏菊花纹 （一）菊花纹（细密振纹） 菊花纹产生的原因比较复杂，主要是磨头误差与振动影响造成的。此外，磨头预紧力的大小对菊花纹也有一定影响。 （二）宽疏菊花纹 铣磨表面，有时出现宽疏菊花纹，其产生的主要原因是

13、工件主轴的轴向窜动。 二、麻点 磨轮线速度选择不当，进刀速度与工件转速配合不好是形成麻点的主要因素。,三、几何形状的疵病 （一）擦贴环带有缺口 1光刀时间不够 铣磨时是螺旋形进刀，光刀的作用在于将螺旋形进刀所产生的痕迹铣去。 2密封垫圈过厚 在铣磨工序中，常采用真空吸装夹，要求在零件与夹具之间垫密封圈。,（二）擦贴环带脱空 用擦贴法检查工件时，还会出现擦贴环带脱空现象，即工件边缘及顶部与精磨磨具擦贴，而其余部分不擦贴。 （三）球面偏心 过大的偏心量将增大磨边的磨削量，甚至造成零件的报废。造成球面偏心的重要原因是夹具定位面的偏心。因此在夹具制造中，要特别注意夹具定位面d与口径D对工件回转袖线的同

14、心度。,1-7 球面铣磨夹具的设计,一、球面铣磨夹具的设计 在透镜铣磨中，所用的夹具通常有弹性装夹、真空吸附装夹和磁性装夹。 无论设计和使用哪种夹具，都必须满足以下要求： 1. 夹具装夹零件必须牢固可靠。如果装夹不牢，加工零件会产生松劲，这不仅要影响加工精度，甚至可能损坏零件，同时也容易造成磨轮的磨损。,2. 要求定位装夹正确。这样才能保证加工零件的偏心、曲率半径和中心厚度的允差在允许的范围内。 3. 能与铣磨机的性能和结构相匹配。 4. 装卸操作方便。 （一）弹性夹具的设计 弹性夹具是利用弹性夹头上所开的三个槽和夹头外圆锥面与夹帽内圆锥面配合产生的弹力，来达到夹紧零件的目的。,弹性装夹的优点

15、：是对工件直径公差要求宽，一般公关差在1mm情况下均能加工；弹性装夹不易产生偏心；在加补套（玻璃或塑料）的情况睛，可扩大夹头的使用范围。 缺点：是不如真空装夹方便，不易实现自动化；加工边缘厚度小的凸透镜容易破边。,（二）真空装夹的夹具设计 真空装夹是利用真空吸附的作用力，将工件固定在夹具上。 真空吸附装夹的优点是：操作方便，易于实现自动化，不仅能单件加工，而且也适用于立式铣磨机上成盘加工，生产效率高。其缺点是：对工件的直径公差要求严格，一般要求直径公差在(-0.02)（0.05）mm。,（三）磁性装夹的夹具 磁性装夹是利用电磁吸力将工件固定的一种装夹方式。透镜的磁性装夹，是将工件先粘在具有一定平行度要求的金属导磁圆盘上，然后把粘好零件的导磁圆盘放到铣磨机的磁性工作盘上，并使二者对好中心，接着，打开磁力开关，将粘有透镜的导磁圆盘吸住。另外，采用磁性装夹铣磨球面时定中心较困难，而且粘结上盘下盘和清洗等辅助工序又费工时，因此，球面铣磨很少采用磁性装夹，它多用于平面的铣磨中。,