光学非球曲面器件的超精密磨削加工技术研究

　　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: