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非球面零件超精細加工技能
來源:軸承網 時間:2018-02-03
1．1非球面光學零件的效果
非球面光學零件是一種十分重要的光學零件；常用的有拋物面鏡、雙曲面鏡、橢球面鏡等.非球面光學零件可以取得球面光學零件無與倫比的杰出的成像質量；在光學體系中可以很好的糾正多種像差；改善成像質量；進步體系辨別能 力；它能以一個或幾個非球面零件替代多個球面零件；然后簡化儀器布局；下降成本并有用的減輕儀器分量.
非球面光學零件在軍用和民用光電產物上的運用也很廣泛；如在拍攝鏡頭和取景器、電視攝像管、變焦鏡頭、電影放影鏡頭、衛星紅外望遠鏡、錄像機鏡頭、錄像和錄音光盤讀出面、條形碼讀出面、光纖通信的光纖接頭、醫療儀器等中.
1．2國外非球面零件的超精細加工技能的現狀
80年代以來；呈現了許多種新的非球面超精細加工技能；首要有：計算機數控單點金剛石車削技能、計算機數控磨削技能、計算機數控離子束成形技能、計算機數控超精細拋光技能和非球面復印技能等；這些加工辦法；基本上處理了各種非球面鏡加工中所存在的難題.前四種辦法運用了數控技能；均具有加工精度較高；功率高級特色；適于批量出產.
進行非球面零件加工時；要思考所加工零件的資料、形狀、精度和口徑等要素；關于銅、鋁等軟質資料；可以用單點金剛石切削(SPDT)的辦法進行超精加工；關于玻璃或塑料等；當時首要選用先超精細加工其模具；然后再用成形法出產非球面零件；關于其它一些高硬度的脆性資料；當時首要是經過超精細磨削和超精細研磨、拋光等辦法進行加工的；別的．還有非球面零件的特種加工技能如離子束拋光等.
國外許多公司己將超精細車削、磨削、研磨以及拋光加工集成為一體；而且研宣布超精細復合加工體系；如Rank Pneumo公司出產的Nanoform300、Nanoform250、 CUPE研發的 Nanocentre、日本的 AHN60D3D、ULP一100A(H)都具有復合加工功用；這樣可以便非球面零件的加工愈加靈敏.
1．3我國非球面零件超精細加工技能的現狀
我國從80年代初才開端超精細加工技能的研討；比國外整整落后了20年.這些年；該項作業展開較好的單位有北京機床研討所、中國航空精細機械研討所、哈爾濱工業大學、中科院長春光機所運用光學要點試驗室等.
為更好的展開對此項超精細加工技能的研討；國防科工委于1995年在中國航空精細機械研討所首要建立了國內第一個從事超精細加工技能研討的要點試驗室.
2． 非球面零件超精細切削加工技能
美國Union Carbide公司于1972年研發成功了 RDθ辦法的非球面創成加工機床.這是一臺具有方位反響的雙坐標數控車床；可實時改動刀座導軌的轉角θ和半徑 R；完成非球面的鏡面加工.加工直徑達φ380mm；加工工件的形狀精度為±O．63μm；外表粗糙度為 Ra0。025μm.
摩爾公司于1980年首要開宣布了用3個坐標操控的MD18AG非球面加工機床；這種機床可加工直徑356mm的各種非球面的金屬反射鏡.
英國 Rank Pneumo公司于1980年向商場推出了運用激光反響操控的兩軸聯動加工機床(MSGD325)；該機床可加工直徑為350mm的非球面金屬反射鏡；加工工件形狀精度達 0．25-0．5μm；外表粗糙度 Ra在0．01-O．025μm之間.隨后又推出了 ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等機床；該公司又在上述機床的基礎上；于1990年開宣布 Nanoform600；該機床能加工直徑為600mm的非球面反射鏡；加工工件的形狀精度優于0．1μm；外表粗糙度優于0．01μm.
代表當今員高水平的超精細金剛石車床是美國勞倫斯．利弗莫爾(LLNL)試驗室于1984年研發成功的 LODTM；它可加工直徑達2100mm；重達4500kg的工件其加工精度可達0．25μm；外表粗糙度RaO．0076μm；該機床可加工平面、球面及非球面；首要用于加工激光核聚變工程所需的零件、紅外線設備用的零件和大型天體反射鏡等.
英國 Cranfield大學精細工程研討所(CUPE)研發的大型超精細金剛右鏡面切削機床；可以加工大型 X射線天體望遠鏡用的非球面反射鏡(最大直徑可達1400mm；最大長度為600mm的圓錐鏡).該研討所還研發成功了可以加工用于 X射線望遠鏡內側反轉拋物面和外側反轉雙曲面反射鏡的金剛石切削機床.
日本開發的超精細加工機床首要是用于加工民用產物所需的透鏡和反射鏡；當時日本制作的加工機床有：東芝機械研發的 ULGDl00A(H)不貳越公司的 ASPDL15、豐田工機的 AHN10、 AHN30×25、 AHN60D3D非球面加工機床等.
3．非球面零件超精細磨削加工技能
3．1非球面零件超精磨削設備
英國 Rank Pneumo公司1988年開發了改善型的 ASG2500、 ASG2500T、Nanoform300機床；這些機床不只可以進切削加工；而且也可以用金剛石砂輪進行磨削；能加工直徑為300mm的非球面金屬反射鏡；加工工件的形狀精度為0．3-O．16μm；外表粗糙度達Ra0．01μm.比來又推出 Nanoform250超精細加工體系；該體系是一個兩軸超精細 CNC機床；在該機床上既能進行超精細車削又能進行超揚密磨削．還能進行超精細拋光.最杰出的特色是可以直接磨削出能到達光學體系需求的具有光學外表質量和面型精度的硬脆資料光學零件.該機床選用了許多領先的 Nanoform600、Optoform50描繪思維；機床最大加工工件直徑達250mm；它經過一個升高設備使機床的最大加工工件直徑到達450mm；別的經過操控筆直方向的液體靜壓導軌(Y軸)還能磨削非軸對稱零件；機床數控體系的分辨率達 O．001μm；方位反響元件選用了分辨率為8．6nm的光柵或分辨率為1．25nm的激光干涉儀；加工工件的面型精度達0。25μm；外表粗糙度優于 Ra0．01μm.
Nanocentre250、 Nanocentre600是一種三軸超精細 CNC非球面范成設備；它可以滿意單點和延性磨削兩個方面的運用需求；經過合理化機床布局描繪、運用高剛度伺服驅動體系和液體靜壓軸承使機床具有較高的閉環剛度； x和 Z軸的分辨率為1．25nm；這個機床被認為是契合現代工藝標準的. CUPE出產的 Nanocentre非球面光學零件加工機床；加工直徑達600mm．面型精度優于0．1μm；外表粗糙度優于 Ra0。01μm. CUPE還為美國柯達公司研討、描繪和出產了當今世界上最大的超精細大型 CNC光學零件磨床“0AGM2500”；該機床首要用于光學玻璃等硬脆資料的加工；可加工和丈量2．5m×2．5m×O．61m的工件；它能加工出2m見方的非對稱光學鏡面；鏡面的形狀差錯僅為1μm.
日本豐田工機研發的 AHN60D3D是一臺 CNC三維截形磨削和車削機床；它能在 X、Y和Z三軸操控下磨削和車削軸向對稱形狀的光學零件；可以在 X、Y和Z軸二個半軸操控下磨削和車削非軸對稱光學零件；加工工件的截形精度為0．35unl；外表粗糙度達 Ra0．016μm.別的東芝機械研發的 ULGD100A(H)超精細復合加工設備；它用別離操控兩個軸的辦法；完成了對非球面透鏡模具的切削和磨削；其 X軸和 Z軸的行程別離為150mm和100mm；方位反響元件是分辨率為0．01μm的光柵.
3．2非球面光學零件的 ELID鏡面磨削技能
日本專家大森整等人從1987年對超硬磨料砂輪進行了研討；開發了運用電解 In Process Dressing(ELID)的磨削法；完成了對硬脆資料高品位鏡面磨削和延性辦法的磨削；如今該辦法己成功的運用于球面、非球面透鏡、模具的超精細加工.
① ELID鏡面磨削原理
ELID磨削體系包含：金屬結合劑超微細粒度超硬磨料砂輪、電解修整電源、電解修整電極、電解液(兼作磨削液)、接電電刷和機床設備.磨削過程中；砂輪經過接電電刷與電源的正極相接；安裝在機床上的修整電極與電源的負極相接；砂輪和電極之間澆注電解液；這樣；電源、砂輪、電極、砂輪和電極之間的電解液構成一個完好的電化學體系.
選用 ELID磨削時；對所用的砂輪、電源、電解液均有一些特殊需求.需求砂輪的結合劑有杰出的導電性和電解性、結合劑元素的氫氧化物或氧化物不導電；且不溶于水；ELID磨削運用的電源；可以選用電解加工的直流電源或選用各種波形的脈沖電源或直流基量脈沖電源.在 ELID磨削過程中；電解液除作為磨削液外；還起著下降磨削區溫度和削減摩撩的效果；ELID磨削通常選用水溶性磨削液；全屬基結合劑砂輪的機械強度高；經過設定適宜的電解量；砂輪磨損小.一起能得到高的形狀精度.運用這個原理；能完成從平面到非球面；各種形狀的光學元件的超精細鏡面磨削.
②ELID鏡面磨削試驗體系
在 Rank Pneumo公司的 ASGD2500T機床上；裝上由砂輪、電源、電極、磨削液等組成大森整 ELID體系毛坯粗成形加工時運用400#、半精加工時運用1000#或2000#、作鏡面磨削時運用4000#(均勻粒徑約為4μm)或8000#(均勻粒徑約為2μm)的鑄鐵結合劑金剛石砂輪；電解修銳電源(ELID電源)；運用的是直流高頻脈沖電壓式專用電源；作業電壓為60V；電流為 lOA.所用的磨削液；運用時需求用純水將水溶性磨削液 AFHDM和 CEM稀釋50倍.
③ ELID鏡面磨削試驗辦法和試驗成果
作非球面加工時；經過安裝在工件軸上的碗形砂輪(325#鑄鐵結合劑金剛石砂輪為φ30×W2mm)進行平砂輪的只成形體整；作10min的電解初期修銳之后；經過400#的粗磨和1000#的半精加工；最終再用4000#進行 ELID鏡面磨削；在超精細非球面加工機床上；憑借 ELID磨削技能；成功地加工出了光學玻璃 BKD7非球面透鏡.面型精度到達優于 o．2μm；外表粗糙度達Ra20nm；而關于稍軟如 LASFN30和Ge等資料的非球面加工；相同能到達面型精度優于 O．2-O．3μm；外表粗糙度達 Ra30nm.
4．非球面零件的超精細拋光(研磨)技能
超精細拋光是加工速度極慢的一種加工辦法.不適合形狀范成法加工；這些年；因為短波長光學元件、OA儀器和 AV機器等的飛速發展；對零件的外表粗糙度提出了更高的需求；到當時為止還沒有比超精細拋光更好的有用的辦法；特別當零件的外表粗糙度需求優于 0．0lμm時；這種辦法是不行短少的；對形狀精度需求很高的工件；若是選用強迫進給的辦法進行切削或進行磨削時；其形狀精度將直接遭到機床進給定位精度的影響；到達地點反響；并由此招致的加工效果；在工件外表上存在相同細小凹的有些；在通常情況下；只能取得波紋崎嶇較大的外表.
日本大阪大學工學部森勇芷教授等人運用 EEM開發了一種三軸(x、 z、 C)數控光學外表范成設備；運用該設備加工時；一邊在工件外表上操控聚胺脂球的停留時刻；一邊用聚胺脂球掃描加工目標的物全范疇；運用該設備能加工高精度的恣意曲面.
5．非球面零件等離子體的 CVM(Chemical Vaporization Machining)技能
當時廣泛選用的切削、研磨、拋光等機械加工辦法；因為加工資猜中存在微細裂紋或結晶中的品質缺點等緣由；無論怎樣進步加工精度；改善加工設備；總存在必定的局限性；為此；日本大阪大學工學部森勇正教授提出了一種用化學氣體加工的新的加工工藝辦法；稱為等離子 CVM法；這是一種運用原子化學反響；取得超精細外表的一種技能；其加工原理和等離子體刻蝕相同；在等離子體中；被激活的游離基和工件外表原于起反響；將之變成揮發性分子；并經過氣體蒸騰完成加工的；在高壓力下所發生的等離子體；可以生成密度十分高的游離基；所以這種加工辦法能到達與機械加工辦法相匹敵的加工速度.在高壓力下；因為氣體分子的均勻自在行程極.壤胱猶寰窒拊詰緙澆.所以可以經過電極掃描；加工出 O．01μm精度的恣意形狀的零件；別的可以以50μm／min的速度加工單晶硅平面；加工工件的外表粗糙度可達0。1nm(Rrms).
下個世紀；在硅芯片加工和半導體曝光設備用的非球面透鏡加工等許多范疇中；將運用 CVM技能；當時有人正在研討經過 CVM和 EEM的組合；加工同步加速器用的 X射線反射鏡等原子級平整的恣意曲面.
6．非球面零件仿制技能
用操控除掉厚度的拋光(研磨)辦法可以制作出高精度的非球面零件；但和通常的光學零件加工辦法比較；這種辦法的加工功率很低；處理這個難題的辦法之一有仿制技能；即塑料注射成形和玻璃的模壓成形技能；這種技能可以制作一有些非球面透鏡.塑料透鏡注射成形是將熔化的樹脂寫入模具內；一邊施加壓力；一邊冷卻固化的加工辦法；這種辦法可以進行賤賣、大批量出產；但存在塑料本身的某些難題；如溫度改變、吸濕招致透鏡折射率的改變.
玻璃的模壓成形是替代切削、磨削、研磨加工透鏡、棱鏡的最佳的小型零件大批量出產辦法.模壓成形技能是將模具內的溫度操控在沖壓的玻璃搬運溫度以上p軟化溫度以下；在模具內；進入有流動性的玻璃；加壓成形；而且堅持這種狀況20s以上；直到成形了的玻璃溫度散布均勻化；將模具的形狀精度作到0．1 μm；外表粗糙度作到0．01μm以下；在上述條件下加壓成形；能加工出和模具精度附近的零件.
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