摘 要:介绍的棱镜高效制造技术工艺参数,是在使用国产光学加工设备的条件下依靠工装夹具的精度来保证棱镜的角精度,采用工装夹具上刚性盘和靠体翻转加工的方法来实现高效生产,由此确定的技术参数。并对高效加工的前期准备条件和要求,及为适应工艺要求而对机床进行的局部改进也进行了介绍。
1 引 言
一项技术起点较高的棱镜高效制造技术其主要的一个方面,就是具有先进的技术方案和匹配合理的工艺技术参数。本文所介绍的棱镜高效制造工艺参数,是在使用国产光学高速加工设备的条件下,依靠工装夹具(靠体)来保证棱镜的角精度,采用工装夹具上刚性盘的加工方法和靠体翻转加工技术来实现高效所确定的技术参数。这里所介绍的高效制造技术,是从粗磨、精磨抛光的全部加工过程采用的全是高速加工,而不是高速加工和古典相混合的加工。
以下所介绍的工艺技术参数是在月产20万件合格品,历经10年的生产实践的基础上所取得的。
2 高效生产的前期准备条件
毛坯是不能直接进入高效生产的,必须具备一定的加工条件。我们把具备一定条件的半成品称为初形品,初形品所应具备的条件:
(1)具备高效生产所需要的胶合定位基准和加工定位基准。
(2)具备成品的棱差(或侧垂)精度要求,甚至比成品的棱差要求还高,为高效生产加工阶段满足成品棱差要求提供保证。
(3)其它条件:包括初形品的外形尺寸要求、角度要求及表面粗糙度度要求。初形品的单面加工余量一般在0·3~1·0 mm,角度误差一般为5′~10′,棱差(或侧垂)要求为成品1/3,表面为280#砂眼。
棱镜初形品的加工可采用卧式铣床加工,也可采用成条手修的方法加工。无论采取何种加工方式,都应以侧面为定位基准或测量基准。
3 铣磨工艺参数
由于棱镜生产采用的是刚性盘和靠体翻转加工技术,所以只要靠体本身的精度满足要求和棱镜胶合所用的粘接剂合适,棱镜的角精度就能得到保证。这是高效加工保证棱镜角精度的最主要的方面。其次是在铣磨工序中,选择合理的工艺参数,严格控制镜盘的平行差和面形精度,加工下来的棱镜就能达到要求。
3·1 铣磨机平行度和面形的调整
为了保证铣磨工序达到工艺要求,对铣磨机应进行平行度和面形精度的调整。其调整要求见图1。
图1所示的是用QM300铣磨机成盘加工棱镜时对平行度和面形控制要求。首先应将砂轮1的工作面调至与主轴上托盘4的基准面A平行,再将镜盘工作面C修至与托盘基准面A平行,并以此面作为测量平行度和加工控制尺寸h的基准B。将平行度调整好后,再将砂轮轴调一微小夹角α,这一微小倾角α就使棱镜的成盘面形呈中部低,当面形低至0·005~0·02 mm时,将其α角锁定即可。
3·2 棱镜成盘铣磨加工的要求
对于角精度为3′~5′,面形N=1~3 ,表面粗糙度B=Ⅳ~Ⅴ的棱镜,在与靠体胶合上盘后,其铣盘工序的要求如下:
镜盘直径:Φ320 mm
成盘面形要求:镜盘中部低0·05~0·015 mm
成盘平行度要求:最大半径处四点误差≤0·04 mm
3·3 铣磨工艺参数
根据多年的铣磨加工的体会,棱镜高效铣磨加工选择QM300设备较PM500更为理想。两者比较,QM300具备稳定性好,破边小,后道工序加工余量少;其次是铣磨工序所用的镜盘能与精磨和抛光工序通用,铣磨加工后直接装在PJM-320机床上精磨和抛光,具有辅助工序少,生产效率高的特点。铣磨工艺参数见表1。
4 精磨工艺及参数
高效生产的精磨工艺是指棱镜的某一个面在粗磨用QM300高速铣磨加工后,直接上PJM-320精磨机用多道金刚石丸片磨具有高速、高压的条件下的加工。
4·1 对PJM-320机床的改进
棱镜的精磨加工,使用的是西安光辉厂制造的PJM-320设备,经长期的生产考验,该机床具有优良的性能,精度高,稳定性好,故障率低。适合于高速精磨和高速抛光。为使机床适应工艺要求,对机床主轴接头进行局部改进。将镜盘置于机床主轴之上,即镜盘在下,金刚石磨具在上。见图2。改进后的优点是:
(1)可在一台设备上使用多道丸片(W40、W28、W14)磨具的加工,最后一道W10精磨在另一台设备上加工(主要是为保证表面粗糙度)。这样做的目的是可大量节省设备的投入。
(2)由于磨具在上,可以很快而又方便的更换磨具,节省操作时间,提高工作效率。而磨具在下(即在主轴之上)的方法,只能是一种粒度的磨具占一台机床,设备投入很大。
(3)在批量生产中,磨具经常产生钝化现象,面形也经常变化,由于磨具在上,同样可以很方便的取下进行修整。
(4)由于磨具在上,加工Φ320 mm的镜盘其磨具的直径为Φ240 mm。而磨具在下,加工同样大的镜盘却需要Φ380 mm。两者相比,磨具在上的方法可以节省约50%的金铡石丸片,具有成本低的特点。
由于对机床的改进,在一台PJM-320机床上进行W40、W28、W14三道金刚石丸片的加工,包括更换磨具的总时间仅需6 min,磨去量可达0·2 mm以上。
4·2 精磨工艺及参数
对用粒度为100#的金刚石砂轮经QM300铣磨机加工下来的棱镜,直接上PJM-320精磨机,可采用三道金铡石丸片精磨。可将W28、W14二道丸片在同一台机床上精磨,W10丸片单独在另一台机床上精磨。如果W10丸片偶然出“道子”,可采用辅助方法,用W7砂在二轴机上细磨将“道子”去除。
(1)高速精磨技术参数
机床型号:PJM-320 主轴转速:330 r/min
磨具摆速:33次/min 磨具摆幅:±10°
压力中心伸缩度:距主轴中心后缩15 mm
表压: 高压:3 kgf/cm2 低压:0·3 MPa
初压时间:12s 高压时间:60s 低压时间:12s
冷却液种类:水基型硫酸铝钾冷却液加工方式:磨具在上,镜盘在下。
(2)高速精磨的加工余量分配及面形要求
根据有关研究结果表明,用70#~100#金铡石砂轮铣磨完工后,玻璃表面粗糙度Ra0·82~0·90μm,破坏层深度为50μm。使用三道金刚石丸片精磨很容易将其铣磨工序所产生的破坏层去除。考虑到实际生产中的各种因素(机床的精度、主轴的跳动等)对表面粗糙度的影响,精磨去除量应相应放大,一般确定在0·08~0·12 mm较为合适。我们对K9材料的棱镜,在用100#金刚石砂轮铣磨完工后的精磨量确定为0·12 mm。各道丸片的去除量确定的原则:下道丸片必须将上道丸片的破坏层去除。
精磨的面形主要是根据用聚氨酯抛光模所要求的面形而定,并且要求吻合性要好。精磨面形一般比抛光结束所要求的面形低1~3道圈,对直径为Φ320mm的镜盘最边缘四个点的平行差≤0·04 mm。
4·3 磨具参数及制备
(1)磨具参数
根据PJM-320机床的加工范围,镜盘直径确定为Dj=320 mm,由下式求得磨具的直径Dm=240 mm。
Dm= KDj
式中Dm为磨具直径;K为磨具相对镜盘的比例常数,K =0·78。
丸片粒度:W28、W14、W10;丸片直径:Φ10×5(mm);结合剂:青铜结合剂Q2;丸片数量:n=125粒,由下式求得
式中n为金刚石丸片数量;k为金刚石丸片相对基模的覆盖比,k =20%;rm为基模的半径,rm=120mm;rw为金刚石丸片的半径,rw=5 mm。
(2)磨具的制备
将基模用280#砂修平,主要使表面粗糙一点,面形大概平整即可。用水将修整后的基模刷洗干净,再用丙酮将表面擦干净待用。将所用金刚石丸片的粘接贴合面用280#砂修磨一下,主要是去除压制产生的飞边和保证表面粗糙一点。同样用水清洗干净后再用丙酮清洗干净待用。用笔在基模上按同心圆排列方式做好标记,然后用聚氨酯粘接剂涂于基模表面,胶层应厚一些,可将丸片埋入1·5 mm为宜,将丸片采用来回搓动后定位于基模上标记处(用指压定位)即可。胶液应挂于基模边缘,这对外层丸片的固定十分有利。在常温下固化24 h后,用一所要求面形的铸铁模,用280#砂将金刚石磨具面形修至所需面形,清洗干净使用。
5 高速抛光工艺及参数
高速抛光是指成盘棱镜经过三道金刚石丸片的高速精磨后,用聚氨酯抛光模在高速、高压条件下抛光。
有研究结果表明,用W10金刚石,青铜(Q1)结合剂,浓度为75%的金刚石丸片精磨后的玻璃表面粗糙度为Ra0·02~0·2μm,破坏层深度为3·6~9·9μm。用聚氨酯模在高速条件下完全可以将W10金刚石丸片的破坏层抛除。因为这种抛光材料在高速抛光条件下的去除量可达20μm以上。这点已为我们在实际生产中的实验所证明。
在生产中我们用过多种型号的机床进行高抛,其中西安光辉厂制造的JP-350磨抛机对高精度棱镜的光胶盘抛光是十分合适的,而下面所给出的二种机型对中等精度棱镜的成盘抛光是比较理想的。
5·1 高抛设备及参数
经使用多种型号的机床抛光比较,抛光效率(去除麻点的能力)与压力和主轴转速成正比,与压力轴的摆动有关,摆动比定摆的抛光效率高30~50%。
5·2 抛光模的有关参数及制造
(1)聚氨酯抛光片的技术指标要求
密度: 0·65~0·68 g/cm2 邵氏硬度:80
抗拉强度:≥90 kg/cm2
压缩负荷:≥25 kg/cm2
温热老化抗拉强度:≥70 kg/cm2
(2)聚氨酯抛光片的选择
a、硬度选择。对抛光片硬度的选择主要是根据玻璃材料的硬度而定。对K9类较硬的材料,抛光片可选择硬一点邵氏硬度为80较为合适;而对软材料,抛光片的硬度应较低一点;如果软材料选择硬的抛光片,则表面粗糙度不能保证。
b、厚度选择。对抛光片厚度的选择主要是根据棱镜的面形要求和不规则(塌边)而定。对N=0·5~1的面形的要求,抛光片的厚度在0·5~0·8 mm较合适,主要表现在塌边小。对N=1~3的面形要求,抛光片的厚度在0·8~1·2 mm较为合适,主要表现为贴合性好,去除麻点快,但塌边较薄的抛光片大一些。
(3)抛光模直径的确定
抛光模直径的确定主要与加工方法有关和设备的加工范围有关。
若抛光模在下时:Dm=1.123Dj26
若抛光模在上时:Dm=0·75Dj
式中Dm为抛光模直径;Dj为镜盘直径。
(4)抛光模的制作
将基模面形用280#砂修磨至高光圈状态,用400mm刀口尺检查应有2/3贴擦,边缘透微光即可,用水将其刷洗干净后,再用丙酮擦干待用。将所用聚氨酯抛光片中心划一个Φ25 mm的孔,把基模置电炉上加热,涂热熔胶于上,并将胶层刮抹至薄而均匀,再把抛光片粘贴于基模之上。用一与基模面形相反的金属模压于之上,待冷却后用金刚石制品的模具修整至所需要的面形即可投入使用。
6 结束语
以上所介绍的棱镜高效制造技术已有10年时间,经过不断的改进完善,这项技术及工艺参数不仅适合于中等精度的棱镜,同样也适合于高精度棱镜的制造。具有很高的技术要求可保证性和生产效率,这主要是在技术上解决了以下几个主要问题:
(1)利用靠体的精度(配以合适的粘接剂),解决了大批量生产中如何保证棱镜的角精度问题。
(2)自粗磨至抛光结束的全加工过程采用高速加工设备,以此来实现高速化生产。
(3)采用靠体上刚性盘的方法和靠体翻转加工技术来实现高效化生产。
以上三个主要方面,构成了棱镜高效制造技术的主体。而在具体技术细节上,解决了几个主要问题:
(1)解决了加工全过程的粘接胶问题。有胶条用的条胶,棱镜与靠体胶合用的粘接胶,还有靠体上盘时用的冷胶。以上三种粘接胶对能否顺利完成高效加工具有关键性的作用。
(2)在精磨上,采用多道金刚石丸片连续高速精磨,而不是使用固着磨料与散粒磨料混合加工的方法。具有单工序效率高的特点。
(3)全加工过程设备选型匹配合理。对一个面的加工,做到了一次胶合上盘,可连续完成铣磨,精磨至抛光结束的全过程,不需要更换夹具或重新上盘,具有很高的生产效率。
参考文献:
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收稿日期: 2001-03-09
作者简介:刘树民(1955-),男,南京理工大学工程师,从事光学冷加工研究。
