摘 要:为磨削加工出高精度、高质量的光学非球曲面器件。详尽分析了砂轮的安装及半径等误差对零件加工度的影响。设计研制出了一套非球曲面磨削系统,并用它进行了实验研究。实验结果表明:要获得高精度的非球曲面器件,只有当金刚石砂轮的平均磨粒尺寸低于10μm,并在采用较高的砂轮线速度和较小的进给量的情况下,才能实现光学非球曲面的超精密磨削加工,经过各种磨削参数的优化选择,其非球曲面最终的零件轮廓精度为0·4μm,表面粗糙度Ra优于0·01μm。
1 前 言
随着科学技术的不断发展,非球曲面器件在航空、航天及军用设备中应用得越来越广泛,而且对其表面质量及轮廓精度要求极高。为了获得高精度的非球曲面零件,常采用超精密磨削、珩磨、研磨及抛光等方法。然而研磨、珩磨及抛光等方法加工光学玻璃等脆性材料时不可避免地具有生产效率低,加工表面的面形精度不高等缺点。近年来,超精密磨削加工技术得到了极大发展,它能大大地提高零件的加工精度和加工效率[1~3]。因此,对光学非球曲面器件超精密磨削加工的研究具有重要的理论意义和实用价值。本文分析了影响已加工表面质量的各种主要因素,研制了一套非球曲面磨削系统,并用该磨削系统进行了大量磨削实验,经过各种磨削参数的优化选择,最终磨削出了高精度的非球曲面器件。
2 超精密非球曲面磨削系统结构简图
为了加工出高精度的非球曲面器件,图1是由作者设计的一个超精密光学非球曲面磨削系统简图。这台机床的横溜板、纵溜板均采用气体静压结构,其直线位移是由分辩率为102400step/r的高分辩率伺服电机直接拖动精密滚珠丝杠来实现的,其位移分辩率可达0·02μm;工件主轴采用气浮轴承结构,其回转精度为0·05μm;磨头采用空气轴承空气驱动形式,其最高转速为80000r/min,回转精度为0·1μm,工件通过过渡盘由真空吸盘夹紧;砂轮的中心高通过微调机构来实现[4]。在加工非球曲面时,由数控系统控制纵溜板及横溜板作相应的纵向和横向进给,即可实现非球曲面的超精密磨削加工。
3 磨削过程中砂轮安装及半径误差对零件加工精度的影响分析
3·1 砂轮安装误差对零件加工精度的影响
砂轮安装时如果在X轴方向与工件回转轴线有不重合误差ΔX,则此误差会对零件磨削加工后的形状精度产生较大的影响,如图2所示。若设在磨削点处倾角为θ,则在此点处Z轴方向的误差值EΔx(θ)可表示为
对于由图2所示的曲率半径小于9 mm的内凹非球曲面零件来说,当砂轮在X轴方向的安装误差ΔX有变化时,会对零件的形状误差产生较大的影响。从式(1)中可以看出:一方面加工误差随ΔX绝对值的增大而增大;另一方面,当ΔX值固定时,加工误差随θ值的增大而增大(0≤θ≤45°),当θ=0°时,EΔX(θ) =0。从式(1)可算出:若零件的形状精度要求控制在0·1μm以内,则ΔX必须控制在0·1μm以内,这对于非球曲面磨削系统的设计来说非常关键。
3·2 砂轮半径误差对零件加工精度的影响
在磨削加工过程中,当砂轮有半径误差ΔR时,它会对零件面形精度产生较大的影响,如图3所示。设工件与砂轮接触点的倾角为θ,考虑到砂轮回转轴线倾斜45°,则由ΔR所产生的Z轴方向上的误差EΔR(θ)可表示如下:
从图3可看出:一方面加工误差EΔR(θ)随砂轮半径误差ΔR绝对值的增大而增大;另一方面,当砂轮半径误差ΔR值固定时,加工误差随θ角的增大而增大,当θ=0°时,EΔR(θ)=0。由式(2)可知,对于最小曲率半径R =9 mm的内凹非球面来说,当工件与砂轮接触点的倾角θ达到最大值时(最大值为45°),如果工件的面形精度要求控制在0·1μm以内,则ΔR必须控制在0·17μm以内。
3·3 砂轮安装及半径误差综合作用时对零件面形精度的影响
前面已经分别分析了砂轮在X方向的安装位置误差ΔX及砂轮半径误差ΔR单独作用时对零件面形精度的影响,而实际加工时往往是几种误差(ΔX,ΔR)同时对零件的面形精度产生影响。当砂轮的微调中心高满足所需微调精度要求时,若设ΔX、ΔR等误差对零件面形精度的影响值为E(θ)。则综合上面的分析可得E(θ) = EΔx(θ)+ EΔR(θ),亦即
同样由式(3)可知,对于最小曲率半径R =9 mm的内凹非球曲面来说,当ΔX和ΔR综合作用对零件的面形精度产生影响时,如果ΔX和ΔR同时取正值,则E(θ)值增大,零件加工后的面形精度会显著降低;反之当ΔX和ΔR取相反值时,则E(θ)变小,零件加工后的面形精度提高。在实际的磨削加工中应该重视这一理论分析的结果,以最大限度地提高零件的加工精度。下面给出该项综合误差在加工中进行补偿的一种方法。图4所示为砂轮磨削时的轨迹示意图。在磨削加工时,CNC数控系统控制工件在Z轴方向和砂轮在X轴方向同时运动,从而得到所需的非球曲面轨迹。设砂轮的中心点轨迹坐标为(Xo,Zo),砂轮与工件接触点的轨迹坐标为(Xw,Zw),砂轮半径为R,砂轮磨削点法线方向与Z轴夹角为θ,则有下式:
当数控系统生成砂轮轨迹之后,磨削系统进行初次磨削,磨削完毕后用高精度的检测设备对非球曲面的面形误差进行检测,然后补偿砂轮轨迹,再次进行磨削加工,如此重复,直到满足精度要求为止,其流程如图5所示。下面给出计算ΔX和ΔR误差的一种方法。
对于测量面上的点(θi,Ei)i=1~n来说,根据式(3)有
当求出a、b之后,由于ΔX = a,ΔR = b,因此补偿后的变量Xo′及R′为
将式(13)和式(14)代入非球曲面光学通用方程式中,由数控系统求出补偿后的砂轮轨迹曲线,再次磨削加工该非球曲面,即可实现对综合误差E(θ)的补偿,亦即解决了砂轮在X方向的安装位置误差ΔX和砂轮半径误差ΔR对零件面形精度的综合影响。
通过上述对影响零件加工精度的误差分析可知,对非球曲面零件加工精度影响因素最大的是:中心高微调机构的微调误差、在X轴上砂轮的安装误差、砂轮半径误差及球头金刚石砂轮的修整误差等。笔者将在课题的设计和研究中予以充分的考虑。通过对以上误差的分析,研制出了一套非球曲面磨削系统,其实物照片如图6所示。
4 试验结果与讨论
首先用K9玻璃进行磨削实验。在采用砂轮平均磨粒尺寸为40,20,10,2·5,1μm五种金刚石砂轮,并在vs=1 200 m/min、f=3μm/r、ap=1μm的磨削条件下对它进行磨削加工。加工完毕后,该K9玻璃样品用Nanoscope 3A扫描探针显微镜进行观察。观察结果表明:砂轮平均磨粒尺寸对表面粗糙度有很大的影响。试验还表明:在其它磨削条件不变的情况下,只有采用平均磨粒尺寸低于10μm的金刚石砂轮才能获得非球曲面零件的塑性域超精密磨削加工。
图6和图7是采用平均磨粒尺寸为1μm的金刚石砂轮在磨削参数&UPSilon;s=20 m/s、ap=1μm、f=1μm/r的情况下,对光学玻璃(K9)进行磨削加工后用Nanoscope 3A检测而得到的显微图形及其表面形貌。
从图中可看出,所测得的光学玻璃(K9)表面粗糙度均方根值rms为8·021 nm,Ra为6·200 nm。图8是用自行研制的非球曲面磨削系统所磨得的非球曲面实物照片图,经检测,其面形精度为0·4μm。
5 结 论
从以上的研究中可得出如下的结论:
(1)砂轮的安装及半径误差是影响非球曲面零件加工精度的重要因素,在非球曲面磨削系统的设计中必须注意这两个方面的影响。
(2)金刚石砂轮的平均磨粒尺寸是影响磨削表面粗糙度的一个很重要的因素,只有采用平均磨粒尺寸小于10μm的金刚石砂轮,并采用较高的砂轮线速度和较小的进给量的情况下进行磨削时,才能获得高精度的非球曲面零件。
(3)利用平均磨粒尺寸为1μm的金刚石砂轮进行磨削加工,能够加工获得表面粗糙度均方根值rms为8·021 nm、Ra为6·200 nm的超光滑表面。通过检测,其面形精度为0·4μm。
参考文献:
[1] Yoshiharu, Morihiko·Ultra-Precision grinding of KTP Crystals for Op-tical surface [J]·Int J Japan Soc, Prec Eng, 1994,28(1):39—40·
[2]庄司克雄·研削加工技术の课题と与最新技术动向[J]·机械と工具,1997,5:10—16·
[3] Bifano T G, Dow T A, Scattergood R O·Ductile-Regime Grinding: ANew Technology for MachiNIng Brittle Materials[J]·ASME Journal ofEngineering for Industry, 1991, 113: 184—189·
[4]陈明君,董申,张龙江·超精密磨削光学非球曲面时中心高微调机构的研制[J]·制造技术与机床,2000,(9):12—13·
基金项目:国家自然科学基金资助项目(59835180);哈尔滨工业大学校基金资助项目(HIT·2000·61)
作者简介:陈明君(1971-),男,哈尔滨工业大学精密工程研究所博士,主要从事超精密加工及工业自动化的研究。
