摘要:高精度棱镜在其角度误差、面形误差和表面粗糙度等方面都具有较高的要求。对这类棱镜如何实现大规模生产,降低生产成本,是近几年来光学制造行业正在研究探索的一道难题。本文以斯米特屋脊棱镜的制造为例,通过四个方面的分析,对高精度棱镜的高效制造技术进行了阐述。
一、引言
在当今这个高科技快速发展的时代,光学技术越来越多地被应用到各个领域。同时,对光学零件的技术要求也越来越高,需求量越来越大。这已成为高精度零件近几年发展的特点。
如何在保证高精度棱镜指标要求的前提下,实现大规模生产,降低制造成本,是目前光学制造行业的一个热门话题,同时又是一个难题。
大规模制造高精度棱镜,采用传统的(单件手修角度或上石膏盘、槽盘加工等)加工方法已不适应大规模生产的要求,这就需要我们寻找新的加工方法,去解决精度高、批量大、成本低这一长期被认为是难以解决的矛盾。
本文是在制造斯米特(Schmidt)屋脊棱镜的过程中得到的一些体会,供同行参考。
二、高精度棱镜高效制造技术的组成及特点
直筒型望远镜中的斯米特屋脊棱镜,其屋脊面的要求为光圈数N=0·5、局部光圈ΔN=0·2、屋脊角误差Δ90°=±5″。这种精度的棱镜国内年产量的总和为800~1000万件,见图1。在图1中,第1面和第2面的光圈数N1,2=1,局部光圈ΔN1,2=0·4;第3面的光圈数N3=0·5,局部光圈ΔN3=0·2;第一光学平行差θiv=8′,第二光学平行差θ
=8′;表面疵病等级B=Ⅴ（九）。
在保证棱镜技术要求的条件下,完成这样大的产量,不难看出,传统的加工方法是不可能做到的,必须依靠高效制造技术才能得以实现。
1·高效制造技术的组成
(1)先进的工艺技术 一套先进的工艺技术不仅要适合高精度棱镜的大批量生产,同时还要保证棱镜的各项技术指标要求;加工工序和辅助工序少,操作方便易掌握;生产节奏快、效率高。
(2)高精度的工装夹具 高精度棱镜的高效制造是通过若干种工装夹具来保证的。工装夹具设计的合理性和制造的精密性是保证整个制造过程高效率生产和使产品保持高合格率的重要条件。所以,对工装夹具的设计要求为:①依靠工装夹具的精度来保证棱镜的技术要求;②依靠工装夹具设计的合理性来提高生产节奏,达到效率高的目的。
(3)高精度、高效率的生产线 高效生产线是棱镜高效制造技术的基本保证条件。在高速条件下对光胶面的抛光,如果没有精度高、传动平稳的设备保证是难以体现出高效制造的特点的。
2·高效制造技术的特点
(1)能保证棱镜的各项技术指标要求。
(2)整个制造过程无传统加工方法中需对操作者具有很高的“手上功夫”的要求,没有“卡脖子”工序,工艺流畅,能满足大批量生产。
(3)加工工序和辅助工序少,生产节奏快,效率高,制造成本低。
三、工艺总体方案的确定原则及步骤
1·工艺总体方案的确定原则
我们选择某个棱镜来加工,其工艺方案最根本的,是通过高效率的加工方法来获取最高的经济效益的。一旦工艺方案确定后,加工设备的类型和数量、人员的投入量、生产用场地、周转资金及各种材辅料等就随之而定。工艺方案不仅涉及到起动期各项投入,而且涉及到长期生产的各项费用。一项有缺陷的工艺,一旦实施,将对企业带来长期的、巨大的经济损失。
近几年来,许多新老光学厂都在生产斯米特屋脊棱镜,但由于在工艺设计上的原因,所以在资金、人力、物力投入了很大以后,却始终达不到予期的目标。其表现为产量和生产效率低下,究其原因就是工艺技术不过关。高技术水平的工艺方案将带来高的经济效益。
确定棱镜工艺总体方案应当包括二个方面的内容:
(1)加工技术方案的选择 所谓技术方案是指根据零件的特点和要求,以及批量生产的大小和价格等因素,选择与之相适应的加工方式。其具体内容是根据棱镜的特点和要求,分析清楚其特点和难度及角度、θiv、θ之间的相互关系,根据结果,对棱镜加工工艺的方案进行选择。
(2)加工方法和工装夹具的选择 这是指在技术方案确定之后,选择什么加工方法和设计什么形式的工装夹具来满足产量的要求和保证棱镜的各项技术要求。一项成功的工艺方案必须具有对产品的技术要求的可保证性,并具有对产品的批量要求和价格要求的可满足性。
2·分析棱镜的特点和要求,选择加工技术方案从图1中对零件的技术要求可知,该棱镜不仅对其两个折射面具有一般常规要求外,而且对屋脊角和面也有较高的要求,即Δ90°=±5″、N=0·5、ΔN=0·2,是中等精度和高精度于一体的棱镜。
该棱镜的误差可分为两类,即角度误差和面形误差。角度误差包括Δ90°、Δ48°及θiv和θ;面形误差为两折射面的面形误差N=1、ΔN=0·5及屋脊面的面形要求N=0·5、ΔN=0·2。对于高精度棱镜来说,要在大批量生产中同时满足这些误差要求并保证有较高的合格率并不是一件容易做到的事。它取决于对棱镜特点和要求分析的正确性及加工方法的可行性和工装夹具设计的先进性。首先让我们对棱镜的特点和要求进行分析。
由图1知道,Δ90°和Δ48°分别是两屋脊面夹角误差和两折射面夹角的误差,这两个误差比较直观,加工中对其影响因素也易于判断。我们再从棱镜的空间轴测图来看θiv和θ的形成和相互关系。见图2。
假设两折射面ABCDE和ABHGF在空间位置固定不动,当两屋脊面EFCD和GDCH作为一个刚体绕X轴转动时,将会使棱镜外形不对称,也就是我们通常所说的屋脊棱线不对称;当两屋脊面绕Y轴转动时,将会使两屋脊面相对两折射面的夹角(73°角)产生误差,即第二光学平行差θ,也就是我们通常理解的第二光学平行差,这是因为屋脊棱GD相对基准棱AB产生了偏转所引起的;当两屋脊面绕Z轴转动时,将使两折射面与屋脊线的夹角(66°角)产生误差,即第一光学平行差θiv。
通过对棱镜特点和要求的分析,我们清楚了以下几个问题:
(1)屋脊面和角的误差要求较高,是工艺设计和加工时重点考虑的问题。
(2)θiv和θ误差是怎样形成的。
(3)各项误差之间有什么关系及怎样相互影响。
3·加工方法的选择
通过前面的分析,我们知道了对角度误差影响的因素及θiv、θ的形成和相互变换所带来的影响。这就为路和依据。在选择加工方法和工装夹具时应考虑的重点是:
(1)对两折射面及夹角(N=1,ΔN=0·5、Δ48°=±5′)的加工属中等精度棱镜的要求,采用中等精度高效加工技术即可满足其要求。但因屋脊面与折射面的相互转动,加上工装夹具的制造精度、胶合定位的正确性和加工中的平行差等因素,都会引起θiv和θ的超差。所以,在考虑对折射面的加工方法时,必须考虑如何同时保证θiv和θ。
(2)两屋脊面及夹角的要求(N=0·5、ΔN=0·2、Δ90°=±5″)属对高精度棱镜加工的要求,采用光胶技术和柏油模抛光或面形高要求的聚氨酯模高抛都能达到要求。但因屋脊面与折射面的相互转动会产生θiv和θ误差,则在考虑对屋脊面加工时的重点应考虑的是先对48°折射面加工,还是后对48°折射面加工更能易于保证θiv和θ。
(3)设计什么形式的工装夹具才能做到在加工折射面或屋脊面的过程中,同时保证θiv和θ的要求;如何减少工序、加快节奏、提高效率。这是工装夹具设计最为重要的,因为它关系到对棱镜技术要求的可保证性和工艺整体方案对生产效率的影响。
四、斯米特屋脊棱镜的加工工艺和工装夹具的设计
1993年,我们对斯米特屋脊棱镜的高效制造工艺进行了设计和试验。经过几年的修改和完善,现用的工装夹具如图3和图4所示。
其主要工艺路线如图5所示。
从图3和图4的主要工艺路线图可以看出,该工艺方案是一项加工工序少、生产节奏快、效率高、可保证产品技术要求的先进方案。其优点可从以下几个方面体现出来:
(1)具有工序少、加工节奏快、生产效率高的特点。该方案在单位时间里具有较高的产品产出量,适合高精度棱镜的大批量生产。如对两个屋脊面的加工,只需一副工装在加工中翻转一次面即可完成对一个面的半精加工(后至W14砂)和对另一个面的全部加工(至抛光结束);对两个折射面的加工同样如此,也只需一副工装,一次翻转即可完成二个面的全部加工。充分体现了加工工序和辅助工序少、生产节奏快、效率高的特点。这是高精度棱镜高效制造技术主要组成部分之一。
(2)具有对棱镜技术要求的可保证性。该方案对棱镜的要求是由三副工装来保证。对屋脊角误差Δ90°=±5″的保证是由高精度的玻璃光胶工具来实现的;对两屋脊面的加工是由一副工装来保证的;对两折射面的加工是由另一副工装来保证的,这副工装不仅完成了对两折射面的加工,保证了48°角误差Δ48°=±5′的要求,同时还保证了棱镜的θiv和θ的要求。完美的体现出了高精度棱镜在高效生产条件下对其技术要求的可保证性。
(3)具有加工难度小工序少的特点。从棱镜的特点分析知道,两折射面的互相转动,都会对θiv和θ带来影响。也就是说在加工这两组面时,都可能会造成θiv和θ的超差。而该方案在使用由图3所示的工装和光胶工具分别加工两个屋脊面的时候,无需考虑对θiv和θ的影响,只需达到对面形N=0·5和Δ90°=±5″的误差要求,而θiv和θ的要求则是依靠以两屋脊面为胶合定位基准使用由图4所示工装来保证,即以两屋脊面为定位基准,通过对48°面的加工,纠正了前道工序造成的θiv和θ的误差,这就减少了在加工中技术难度大的问题。不仅使得生产节奏加快,而且使工序产品合格率提高,体现了整体工艺方案技术先进的特点。
(4)具有生产工序少、操作易掌握的特点。整个制造过程不需要象传统加工方法那样对操作者的“手上功夫”要求很高,操作者仅需一个月的培训,即可掌握基本的操作技能。因而没有因操作者技能的原因而出现“卡脖子”工序。整个工艺过程流畅,适合大批量生产的要求。
(5)具有制造成本低和经济效益高的特点。产品制造成本的高低主要由二个方面的因素决定:其一是直接用于制造过程的各种费用;其二是取决于产品合格率的高低。而后者的影响则更为重要。高效制造技术因依靠各类工装夹具来保证棱镜的各项技术要求,因而具有较高的合格率。再加上由于加上工序少、加工时间短、生产节奏快、操作人员投入少的优势,故高效制造技术具有成本低的特点。
综合该方案具有的五项主要优点可以看出,该方案是斯米特屋脊棱镜理想的高效制造工艺。我们从实际使用这一方案来看,从初形品投入至产出的全部加工过程仅需13h左右,产品平均合格率达68%(不含返修品)。较好地体现了高效制造技术的特点。
有关斯米特屋脊棱镜高效生产线的组成及工艺参数问题,因篇幅较长的原因,以后将另文再述。
五、结束语
经实际生产证明,斯米特屋脊棱镜的高效制造技术因其具有对棱镜技术要求的可保证性及生产节奏快、效率高和工序少、人员投入少、制造成本低等显著特点,是高精度棱镜比较理想的高效制造技术。这项技术适合于其它类型的棱镜的高效制造,这点我们在五角棱镜的制造中同样得到了成功的应用。
参考文献:
[1]沈海龙·光学测量(下册)———光学零件的检验[M]·上海:华东工学院,1982·
[2]刘树民·国产光学设备棱镜高效制造技术[J]·光学技术,1998,(5)·
本文作者：刘树民
收稿日期: 1998-09-29;收到修改稿日期: 1998-11-02
