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十七、工艺规程的设计
序言
光学零件的加工,分为热加工、冷加工和特种加工,热加工目前多采用于光学零件的坯料备制;
冷加工是以散粒磨料或固着磨料进行锯切、粗磨、精磨、抛光和定心磨边。
特种加工仅改变抛光表面的性能,而不改变光学零件的形状和尺寸,它包括镀膜、刻度、照相和胶合等。
冷加工各工序的主要任务是:
粗磨(切削)工序:
是使零件具有基本准确的几何形状和尺寸。
精磨(粗磨)工序:
是使零件加工到规定的尺寸和要求,作好抛光准备。
抛光(精磨)工序:
是使零件表面光亮并达到要求的光学精度。
定心工序:
是相对于光轴加工透镜的外圆。
胶合工序:
是将不同的光学零件胶合在一起,使其达到光轴重合或按一定方向转折。
球面光学零件现行加工技术三大基本工序为:
1、范成法原理的铣磨(切削)
2、压力转移原理的高速粗磨
3、压力转移原理的高速抛光。
范成法原理的铣磨(切削),虽然加工效率较高,但其影响误差的因素较多,达到较高精度和较粗糙度较困难。
压力转移原理的准球心高速粗磨和高速抛光,零件受力较均匀,加工效率也较高,但必须预先准确修整磨(模)具的面形,才能保证零件的面形精度。
准确修整面形精度需要操作者的经验和技巧,而且需反复修整。
一、传统研磨与高速研磨特点
1.传统研磨
传统研磨也叫古典研磨,它是一种历史悠久的加工方法
其主要特点是:
(1)采用普通研磨机床或手工操作;
(2)要求人员技术水平较高;
(3)研磨材料多采用散砂(研磨砂)抛光沥青
(4)抛光剂是用氧化铈或氧化铁;
(5)压力用加荷重方法实现虽然这种方法效率低,但加工精度较高所以,目前仍被采用。
2.高速研磨抛光
一般是指准球心法(或称弧线摆动法)。
其主要特点是:
(1)采用高速、高压和更有效的利用抛光模,大大提高了抛光效率
(2)压力头围绕球心做弧线摆动,工作压力始终指向球心,也是靠球模
成型的。
3.范成法
准球心法对机床的精度要求较低,加工方法和传统法相近,易于实现,用的较广;
范成法对机床精度及调整要求较高,目前很少采用。
二、准球心法和传统法较
1.准球心法
抛光模(或镜盘)绕镜盘(或抛光模)的曲率中心作弧线摆动,而压力方向始终对准球心,因此镜盘所承受的是恒压,给均匀抛光创造了条件。
2.传统法
是平面摆动,重压块垂直加压,其压力随摆角而变化,因而容易造成不均匀抛光。
加压采用弹簧或气压方式,力比较恒定.平稳。
而传统研磨抛光法用重压块加压,体积大,振动大。
三、球面研磨对镜盘的考虑
1.镜盘张角不宜过大,以便于光圈稳定,在多行的镜盘中,张角不宜大于140°
;
对于三块镜片一盘,若超过140°
影响也不大。
2.弹性上盘能承受高速研磨中的高速高压,但镜盘必须装得正。
刚性上盘
1.胶球模轴向定位基准要符合,切削、粗磨厚度控制的基准面以及高速研磨中准球心所需要的基准面(假如镜盘装在主轴上)
2.承座(定位孔)轴线与球面法线重合、深度一致;
3.曲率半径与被粘结面曲率半径要合理
4.承座(定位孔)与胶球模轴向基准面间的相对尺寸一致,并有消气孔。
5.粘结胶程度足够;
粘结面积足够;
粘结温度合适。
三、对切削工序的要求
一是切削出的球面面形要规则,曲率半径要达到工艺规定的公差范围;
二是表面粗糙度要符合粗磨的要求;
三是要去除一定的余量,保证将毛坯杂质层去除干净。
如果镜片抛光后合格率降低,检查切削面的面形精度也许会找出问题的症结。
1.切削设备精度
工件轴全跳动:
3um
磨轮轴全跳动:
3um
工件轴母线精度:
1um
工件轴移动精度:
工件、磨轮轴面等轴度:
1um
对球面来讲,既不产生非球面度,同表面又不会产生超菊花纹和过深碎裂层。
四、粗磨工序的要求
获得合理的粗磨表面结构对精磨过是极其重要的,它直接影响着精磨效率及其加工质量。
粗磨表面的性质可由宏观的和微观的表面不规则性来表示。
宏观不规则性是由磨削过程中磨具的偏差引起的,在精磨中通过选择合适的抛光模材料能大大减少这种宏观不规则性。
微观不规则性是由玻璃磨削的本质决定的。
1.表面结构对精磨过程的影响
玻璃磨削后留下凹凸层和裂纹层,抛光工序的效率就取决于这两层的性质。
一般的错误概念是认为抛光时粗磨表面的凹凸层越小越好,这是忽略了粗磨表面的微观结构对抛光过程的作用。
抛光模,特别是热固性塑料模,在抛光过程中易于钝化而失去抛光能力。
而凹凸层有利于减少或消除这种钝化现象。
抛光过程基本上可分成两个阶段,第一阶段去除凹凸层,第二阶段去除裂纹层。
第一阶段开始时,抛光模和玻璃的凹凸层顶峰接触,压强很大,而凹谷为抛光液进入整个表面又提供了良好的条件,因此抛光十分迅速。
随着抛光过程的继续,接触面积增大,压强减小,抛光液的附着能力降低,使抛光过程减慢。
当抛光面达到裂纹层时,玻璃表面同抛光模表面全部接触,抛光过程趋于稳定缓慢,而抛光模开始钝化,抛光继续,钝化加剧,抛光效率进一步下降。
钝化程度随过程的持续时间而定,而持续时间直接决定于裂纹层的深度。
这个凹凸层厚度的最佳值主要由抛光模材料的性质,以及与这个材料配合使用的抛光剂而定,其他因素还有主轴转速、压力和抛光液的进入能力等。
采用不同的粗磨方法,或者在同一方法中随磨具的钝化程度、冷却的润滑状态不同,所得的裂纹层也不同。
实践证明,用钝化了的金刚石磨具加工的工件,虽然凹凸层较小,但裂纹层却很深。
因此,不光要考虑凹凸层对抛光的影响,同时也要把裂纹层的深度作为粗磨工序的重要指标来考虑。
五、如何保持粗磨皿表面曲率半径的精度?
粗磨是用磨皿与镜片面接触的方式进行。
虽然,磨皿表面的曲率半径在开始使用时是修改得很好的,但是随着镜片的磨削,磨皿也在不断磨损,逐渐地就不一定能保证镜片的加工精度。
保持粗磨皿曲率半径不变或少变,就应采取:
1.合理选择工治具
凡是位于上面的治具总要比下面治具的尺寸小,这是因为上面治具要摆动的关系。
假如上面治具尺寸与下面治具的尺寸相同,上面治具的边缘磨削机会太少,上面治具有翘边的趋势。
假如上面治具尺寸比下面治具的尺寸小得太多,超过了规定的数据,上面治具在摆动过程中,其边缘不露出来,上面治具的边缘会磨损过甚,上面治具有塌边的趋势。
假如上面治具尺寸比下面治具的尺寸大,则在摆动时,下面治具的边缘露出的机会又会太少,下面治具的边缘磨损过甚,下面治具有塌边的趋势。
在修凹的磨皿时,镜片光圈细(偏负),则应多磨削凹磨皿的中心部分。
若凸凹对修,应将凸在下,凹在上,摆幅要大,约为凹磨的1/2。
镜片光圈粗(偏正),则应多磨削凹的磨皿边缘部分。
若凸凹对修,应将凹在下,凸在上,摆幅要大,约为凸磨的1/3。
在修凸的磨皿时,镜片光圈细(偏负),则应多磨削凹的磨皿边缘部分。
镜片光圈粗(偏正),则应多磨削凸磨皿的中心部分。
10°
右摆40°
。
抛光的结果好坏受许多因素影响:
工件的粗糙度
空气的温度及相对湿度
空气含尘量
玻璃种类
零件大小
1.零件与治具大小比列
2.抛光剂的性质
3.工作轴转速
4.摆动的频率、摆幅及摆幅中心位置
5.抛光面的温度、压力
6.抛光剂的输入量及温度
研磨粉对不同类型的光学材料,或光学材料相同但表面质量要求不同的光学零件有着不同的影响。
研磨粉的不同制法和不同的工艺处理,以及它的物理性能,对研磨效率有很大的影响,不同制法的氧化铁其结晶结构不同,其研磨能力不同;
不同制法的氧化铈,其研磨效率不同,相同制法而得的研磨粉,经过烧制工艺处理后,其研磨能力比未经过烧制工艺处理的高。
研磨粉颗粒的硬度应与玻璃的硬度、研磨皮的硬度、研磨压力等相适应。
硬度太大会在玻璃表面产生擦痕,硬度太低会将低研磨效率。
(1)研磨液的浓度
对于氧化铁(红粉)研磨液,采用氧化铁与水的重量之比为1:
3~1:
4。
对于氧化铈(黄粉、白粉)研磨液,
采用氧化铈与水的重量之比为1:
5或稍稀。
研磨液的浓度与理想值不符,将导致研磨效率的降低。
当浓度过高时,研磨效率反而降低,因为水量不足,导致热量难以散发。
过多的研磨粉堆积在玻璃表面上,研磨压力不能有效地挥作用。
当浓度过低时,则表面温度下降,同时减少微小切削作用。
(2)研磨液的供给量
在一定工艺条件下,使研磨效率最高所需的研磨液用量,为研磨液的适中量。
研磨时保持适中的研磨液供给量。
抛光液参数
液温低易起划痕,过高易使抛光层变形,一般控制在30~38℃之间,流量为900~1000L/min,PH值为3~9。
研磨液供给量太小,不利于机械磨削和散热;
研磨液供给量过大时,则表面温度下降,不利与化学作用,同时使吻合度变差。
(3)研磨液的PH值
不同类型的光学玻璃对研磨液的PH值要求不同的。
一般情况下氧化铁研磨液为中性(PH=7);
化铈研磨液略偏酸(PH=6~6.5)为好用。
光学研磨中,添加在研磨液中能够改变研磨工艺性能的物质,称为添加剂。
使玻璃稳定,减少对腐蚀的敏感,从而进一步改善光学表面质量的,称为稳定剂。
添加剂
对氧化铁研磨液,能提高研磨效率和改善光学表面质量的添加剂:
硝酸锌[Zn(NO3)2]、硫酸锌[ZNSO4]、氯化镍[NICL3]、氯化铁[FECL3]等。
对于氧化铈研磨液,能提高研磨率和改善光学表面质量的添加剂:
硝酸铈铵[(NH4)2CE(NO3)6]、硫酸锌[ZNSO4]。
添加剂的加入量不是任意的,每一种添加剂对于不同品位的抛光粉,不同类型的光学玻璃都有其理想的加入量。
影响表面光洁度的因素
镜片边缘有砂眼一种是因为细磨后光圈高(正),当中间已抛亮时,边缘尚有砂眼,另外,当镜片发生“走动”时,也会引起边缘有砂眼。
镜片中间有砂眼另一种是因为细磨后光圈低得太多,边缘已抛亮中间尚未抛到,镜片“走动”也会有可能造成镜片中间有砂眼。
镜片表面有粗砂眼则往往是细磨不充分所造成。
抛光过程中有时会在镜片表面产生油斑似的东西,这与玻璃的化学稳定性、抛光粉的性能、抛光模得到吻合情况有关,可以在抛光粉悬浮液中加少量硫酸锌加以消除(约每升6克)。
在用原器(样板)检验镜片表面光圈时,如果没有仔细地将原器(样板)和镜片表面擦干净,也容易使镜片表面受到损伤。
九、研磨皮及选择
抛光模:
聚氨酯(聚氨基甲酸乙酯),按使用的原料不同,分为聚醚型和聚酯型。
但当配料和制模工艺稍有偏差时,性能差异则很大。
研磨皮(抛光模)
由于不同的聚氨酯抛光材料吸水性不同,达到吸水平衡的时间差别很大,所以,在修模前应把抛光模放在抛光液中浸泡,达到吸水平衡后再修模否则,会引起抛光模的面形变化;
使用后应浸泡在抛光液中,否则,由于水份蒸发,造成面形变化,再次使用时会降低抛光模镜片的吻合性。
聚氨酯抛光模必须与光学玻璃的牌号、氧化铈磨粉的规格,相互匹配好。
抛光模的选择
1.太厚,则硬度太小,容易变形、加工的零件易塌边;
2.太薄,又使抛光模与镜片的吻合性不好,零件表面易产生划伤。
抛光胶的选择
抛光胶的硬度对抛光工作能否顺利进行是十分重要的
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- 光学 零件 加工 技术