超精密非球面镜面模具直轴磨削的研究

　　1　引　言

　　非球面镜面超精密加工技术的研究一直是制造领域的热点和难点,从20世纪60年代以来,国内外有关专家投入了大量的人力物力,已经取得了初步的研究成果。非球面光学产品有着无可比拟的光学性能和广阔的应用前景。在国防、航空航天领域,大型或超大型光学产品的开发是国防空间技术的关键,体现着一个国家的技术实力和经济实力。在IT突飞猛进的时代,除国防、空间技术宏观领域外,更多的民用光学产品如数码相机、电脑摄像头、DVD拾取头、光纤通讯以及激光产品,也在朝小型、微型等微观方向发展,成为与人民生活息息相关的核心技术。西方发达国家,尤其是美国、日本和英国,已经有了成熟的超精密机床设备及工艺研究成果,它们代表了当今世界的超精密制造水平,但其开发成本也相当高,一些典型设备市场价格在800万人民币左右。在发展中国家,这项技术还存在相当大的差距,尤其是经济急速发展的中国,一方面面临着强大的市场需求,超精密加工越来越引人注目;另一方面,受发达国家的技术封锁和出口限制,开发自主产权的超精密成套装备成了制造业的热点和难点问题。

　　中国航空精密机械研究所,哈尔滨工业大学等国内研发机构,经过多年的努力,已经积累了一定的技术储备,但总的来说还处于起步阶段,非常有必要进一步加大投入和深入研究。纵观超精密加工技术,其核心集中在以下几个方面:(1)超精密硬件技术的研究与开发;(2)超精密软件技术的开发;(3)超精密工艺技术的研究,也就是说,硬件技术是基础,软件技术是关键,工艺技术是保证。

　　本文主要研究超精密加工原理及硬件组成,以单点金刚石切削(SPDT—主要加工对象为铜、铝及合金等有色金属材料)以及超精密磨削(UP2GT—主要加工对象为黑色金属、玻璃、陶瓷等超硬材料)为主,研究直轴方式超精密加工,以及系统的算法及结构和实现,同时研究了直轴磨削的工艺条件,开发了直轴磨削(车削)加工的计算机辅助加工软件系统。通过应用实例分析超精密加工的具体步骤和实际应用,开发出来的系统除制造精度已达到纳米级精度外,最大的特点是开发成本低,特别适用于小型(10 mm以下)超精密镜面光学零件及模具的生产,具有非常好的市场推广前景。

　　2　直轴磨削加工原理

　　非球面镜面超精密直轴磨削装置如图1所示。工件通过真空吸盘固定在工件主轴上,由线性马达带动作100~5 000(r/min)的回转运动,工件主轴固定于机床床身(天然大理石材料制成),砂轮安装在高速旋转(高达100 000 r/min)空气主轴上,而砂轮空气主轴固定于机床立柱,立柱沿Y轴方向直线运动。调整Y轴坐标,使加工接触点通过工件的中心(刀具对心),加工过程中,X、Z两轴联动,完成非球面曲线形状加工。直轴磨削(UPGT2Vertical Grinding)中,砂轮的回转运动,工件的回转运动在数控装置的控制下产生X、Z两轴联动,主要完成高硬度材料的模具加工,原理上与数控车削是相同的,因此对于铜、铝等有色金属的加工,常采用原理方式一致的单点金刚石切削(SPDT)。