CN104339243A - 磨削机床及在该机床上加工非球面单晶硅透镜的方法 - Google Patents
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Abstract
磨削机床及在该机床上加工非球面单晶硅透镜的方法，它涉及一种磨削机床及单晶硅透镜精密磨削加工的方法。本发明为了解决现有的传统非球面透镜磨削加工面形精度低，表面损伤严重，后续抛光量较大，严重降低非球面透镜成形加工效率的问题。装置：真空吸盘安装在工作主轴上，单晶硅工件通过转接夹具安装在真空吸盘上，磨削主轴装在Z轴联动工作台上，圆弧形金刚石砂轮安装在磨削主轴的下端部，圆弧形金刚石砂轮的外圆弧与单晶硅工件表面相接触。方法：单晶硅工件和圆弧型金刚石砂轮的安装；单晶硅工件的外圆面磨削加工；单晶硅基准端面的磨削加工；单晶硅工件的非球凹面磨削加工；单晶硅工件的非球凸面磨削加工。本发明用于非球面单晶硅透镜的加工。
Description
技术领域
本发明涉及一种磨削机床及在该机床上加工轴对称非球面单晶硅透镜精密磨削加工的方法，具体涉及一种采用一定粒度的圆弧型碟片金刚石砂轮对单晶硅透镜的非球面精密磨削成形加工方法。
背景技术
近年来，非球面单晶硅透镜在军用和民用产品上的应用越来越广泛，非球面透镜用以替换球面透镜，最显著的优势在于可以修正球面透镜在准直和聚焦系统中所带来的球差。通过调整曲面常数和非球面系数，非球面透镜可以最大限度的消除球差。非球面透镜(光线汇聚到同一点，提供光学品质)，基本上消除了球面透镜所产生的球差(光线汇聚到不同点，导致成像模糊)。采用三片球面透镜，增大有效焦距，用于消除球差。但是，一片非球面透镜(高数值孔径，短焦距)就可以实现，并且简化系统设计和提供光的透过率。非球面透镜简化了光学工程师为了提高光学品质所涉及的元素，同时提高了系统的稳定性。例如在变焦系统中，通常情况下10片或者更多的透镜被采用(附加：高的机械容差，额外装配程序，提高抗反射镀膜)，然而1片或者2片非球面透镜就可以实现类似或更好的光学品质，从而减小系统尺寸，提高成本率，降低系统的综合成本。
然而，目前的轴对称非球面单晶硅透镜成形工艺，首先在铣磨机上对透镜工件预成型，预成型后的表面粗糙度大，面形精度差，损伤层厚度大，导致后续抛光加工余量大，透镜的整体加工效率极低，然后在磨边机上加工透镜外圆部分，工艺过程复杂。采用本发明的轴对称非球面单晶硅透镜加工方法，在一台磨削加工机床上可以同时完成精密磨削非球凹凸面(工作面)以及外圆，简化了工艺加工过程，磨削加工后透镜的表面粗糙度低，损伤层厚度小，面形精度高，凹凸面中心线对中误差小，极大的减小了后续抛光加工余量，提高了透镜的整体加工效率。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的传统非球面透镜磨削加工面形精度低，表面损伤严重，后续抛光量较大，严重降低非球面透镜成形加工效率的问题。进而提供一种磨削机床及在该机床上加工非球面单晶硅透镜的方法。
本发明的装置技术方案是：磨削机床包括X轴联动工作台、工作主轴、Y轴联动工作台和Z轴联动工作台，Y轴联动工作台安装在X轴联动工作台上，工作主轴穿设在Y轴联动工作台上，Z轴联动工作台设置在X轴联动工作台的一侧，所述磨削机床还包括真空吸盘、转接夹具、磨削主轴和圆弧形金刚石砂轮，真空吸盘安装在工作主轴上，单晶硅工件通过转接夹具安装在真空吸盘上，磨削主轴竖直安装在Z轴联动工作台上，圆弧形金刚石砂轮安装在磨削主轴的下端部，圆弧形金刚石砂轮的外圆弧与单晶硅工件表面相接触，所述转接夹具包括圆柱连接端和圆柱吸附端，圆柱连接端和圆柱吸附端由左至右依次固定连接并制成一体，且圆柱连接端的直径大于圆柱吸附端的直径，圆柱连接端和圆柱吸附端内分别开设两组正反相对设置的阶梯孔。
本发明的方法技术方案是：通过以下步骤实现的：
步骤一：单晶硅工件和圆弧型金刚石砂轮的安装；
将单晶硅工件贴在真空吸盘转接夹具上，并安装在机床工件主轴的真空吸盘上，通过工件主轴驱动单晶硅工件旋转运动；将圆弧金刚石砂轮安装在垂直布置的磨削主轴下端部，由磨削主轴驱动砂轮旋转运动；
步骤二：单晶硅工件的外圆面磨削加工；
采用千分表对工件的外圆面进行圆度测量并调整圆度误差在20～40μm；通过X轴联动工作台、Y轴联动工作台和Z轴联动工作台的移动使圆弧形金刚石砂轮接触单晶硅工件外圆面，编制Z轴方向直线运动轨迹进行单晶硅工件外圆精密磨削加工至所要求尺寸，加工参数为：工作主轴的转速为350～500rpm，圆弧形金刚石砂轮的转速为4000～8000rpm，磨削深度为2～20μm，磨削进给速度为10～100mm/min，磨削液为水基乳化液；
步骤三：单晶硅基准端面的磨削加工；
编制X轴方向直线运动轨迹进行单晶硅工件的基准端面精密磨削加工至端面完全被加工，加工参数为工作主轴的主轴转速为150-250rpm，圆弧形金刚石砂轮的转速为4000～8000rpm，圆弧形金刚石砂轮的磨削深度为2～20μm，圆弧形金刚石砂轮的进给速度为1-10mm/min，磨削液为水基乳化液；
步骤四：单晶硅工件的非球凹面磨削加工；
依据圆弧形金刚石砂轮的外径尺寸，编制X-Z平面内非球凹面磨削加工轨迹进行单晶硅工件的非球凹面精密磨削加工至所要求尺寸，加工参数为工作主轴的主轴转速为150-250rpm，圆弧形金刚石砂轮的转速为4000～8000rpm，圆弧形金刚石砂轮的磨削深度为2～20μm，圆弧形金刚石砂轮的进给速度为1-10mm/min，磨削液为水基乳化液；
步骤五：单晶硅工件的非球凸面磨削加工；
取下非球凹面加工成型的单晶硅工件，以非球凸面与转接夹具相接触，并安装在机床工件主轴的真空吸盘上；采用千分表对单晶硅工件的外圆进行圆度测量并调整圆度误差在1μm以内；依据圆弧形金刚石砂轮的外径尺寸，编制X-Z平面内非球凹面磨削加工轨迹进行单晶硅工件凸面精密磨削加工至所要求尺寸，加工参数为工作主轴主轴转速为150-250rpm，圆弧形金刚石砂轮的转速为4000～8000rpm，圆弧形金刚石砂轮的磨削深度为2～20μm，圆弧形金刚石砂轮的进给速度为1-10mm/min，磨削液为水基乳化液，至此完成了对单晶硅工件的磨削。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
1、本发明实现单晶硅透镜的精密磨削加工，包括透镜结构中的外圆、端面、凹面和凸面，采用以上加工参数以及加工方法，加工后工件的表面粗糙度为<40nm，面形精度<0.2μm，有效的降低了单晶硅透镜的表面损伤；基于以上加工顺序，可以控制凹面与凸面的中心线对中误差<1μm。
2、本发明有效的简化了磨削加工工艺的加工过程，有效降低后续抛光加工的工作量，单晶硅透镜工件成形效率提高60-70％；
3、本发明在一台机床上完成了透镜基准面、凸凹面以及外圆的精密磨削加工，有效的降低了设备成本。
4、本发明中的真空吸盘转接夹具，避免了繁琐的工件装夹过程，减少了工装时间，且对工件无应力伤害。
5、本发明操作简单，对工人技术要求不高。
附图说明
图1是本发明中轴对称非球面单晶硅透镜精密磨削加工装置图；图2是本发明中的工件图；图3是本发明中的真空吸盘转接夹具；图4是本发明中的外圆磨削加工图；图5是本发明中的端面磨削加工图；图6是本发明中的凹面磨削加工图；图7是本发明中的凸面磨削加工图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式的磨削机床包括X轴联动工作台1、工作主轴2、Y轴联动工作台3和Z轴联动工作台9，Y轴联动工作台3安装在X轴联动工作台1上，工作主轴2穿设在Y轴联动工作台3上，Z轴联动工作台9设置在X轴联动工作台1的一侧，所述磨削机床还包括真空吸盘4、转接夹具5、磨削主轴6和圆弧形金刚石砂轮7，真空吸盘4安装在工作主轴2上，单晶硅工件8通过转接夹具5安装在真空吸盘4上，磨削主轴6竖直安装在Z轴联动工作台9上，圆弧形金刚石砂轮7安装在磨削主轴6的下端部，圆弧形金刚石砂轮7的外圆弧与单晶硅工件8表面相接触，所述转接夹具5包括圆柱连接端5-1和圆柱吸附端5-2，圆柱连接端5-1和圆柱吸附端5-2由左至右依次固定连接并制成一体，且圆柱连接端5-1的直径大于圆柱吸附端5-2的直径，圆柱连接端5-1和圆柱吸附端5-2内分别开设两组正反相对设置的阶梯孔5-3。
具体实施方式二：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式的转接夹具5的圆柱吸附端5-2的外圆直径小于单晶硅工件8的外圆直径2-3mm。如此设置，便于对单晶硅工件8的不同端面进行加工。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的圆弧形金刚石砂轮7为树脂基圆弧金刚石砂轮，树脂基圆弧金刚石砂轮的粒度为D3～D7，树脂基圆弧金刚石砂轮的浓度为50％～100％。如此设置，便于保证加工质量和加工精度。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7说明本实施方式，本实施方式的磨削机床加工非球面单晶硅透镜的方法，所述方法通过以下步骤实现的：
步骤一：单晶硅工件8和圆弧型金刚石砂轮7的安装；
将单晶硅工件8贴在真空吸盘转接夹具5上，并安装在机床工件主轴2的真空吸盘4上，通过工件主轴2驱动单晶硅工件8旋转运动；将圆弧金刚石砂轮7安装在垂直布置的磨削主轴6下端部，由磨削主轴6驱动砂轮7旋转运动；
步骤二：单晶硅工件8的外圆面20磨削加工；
采用千分表对工件的外圆面20进行圆度测量并调整圆度误差在20～40μm；通过X轴联动工作台1、Y轴联动工作台3和Z轴联动工作台9的移动使圆弧形金刚石砂轮7接触单晶硅工件8外圆面20，编制Z轴方向直线运动轨迹进行单晶硅工件8外圆精密磨削加工至所要求尺寸，加工参数为：工作主轴2的转速为350-500rpm，圆弧形金刚石砂轮7的转速为4000-8000rpm，磨削深度为2-20μm，磨削进给速度为10-100mm/min，磨削液为水基乳化液；其中，砂轮转速/工作主轴转速不可为整数倍，否则出现明显波纹现象；砂轮速度越高(6000-8000rpm)，磨削深度越小(2-5μm)，磨削进给速度越慢(10-20mm/min)，磨削后的表面光洁度越好；磨削深度越大(10-20μm)，磨削进给速度越快(50-100mm/min)，材料去除效率越高。
步骤三：单晶硅基准端面21的磨削加工；
编制X轴方向直线运动轨迹进行单晶硅工件8的基准端面21精密磨削加工至端面完全被加工，加工参数为工作主轴2的主轴转速为150-250rpm，圆弧形金刚石砂轮7的转速为4000-8000rpm，圆弧形金刚石砂轮7的磨削深度为2-20μm，圆弧形金刚石砂轮7的进给速度为1-10mm/min，磨削液为水基乳化液；其中，砂轮转速/工作主轴转速不可为整数倍，否则出现明显波纹现象；砂轮速度越高(6000-8000rpm)，磨削深度越小(2-5μm)，磨削进给速度越慢(1-3mm/min)，磨削后的表面光洁度越好；磨削深度越大(10-20μm)，磨削进给速度越快(5-10mm/min)，材料去除效率越高。
步骤四：单晶硅工件8的非球凹面22磨削加工；
依据圆弧形金刚石砂轮7的外径尺寸，编制X-Z平面内非球凹面22磨削加工轨迹进行单晶硅工件8的非球凹面22精密磨削加工至所要求尺寸，加工参数为工作主轴2的主轴转速为150-250rpm，圆弧形金刚石砂轮7的转速为4000-8000rpm，圆弧形金刚石砂轮7的磨削深度为2-20μm，圆弧形金刚石砂轮7的进给速度为1-10mm/min，磨削液为水基乳化液；其中，砂轮转速/工作主轴转速不可为整数倍，否则出现明显波纹现象；砂轮速度越高(6000-8000rpm)，磨削深度越小(2-5μm)，磨削进给速度越慢(1-3mm/min)，磨削后的表面光洁度越好；磨削深度越大(10-20μm)，磨削进给速度越快(5-10mm/min)，在保证一定表面光洁度精度条件下，材料去除效率越高。步骤五：单晶硅工件8的非球凸面23磨削加工；
取下非球凹面22加工成型的单晶硅工件8，以非球凸面23与转接夹具5相接触，并安装在机床工件主轴2的真空吸盘4上；采用千分表对单晶硅工件8的外圆进行圆度测量并调整圆度误差在1μm以内；依据圆弧形金刚石砂轮7的外径尺寸，编制X-Z平面内非球凹面磨削加工轨迹进行单晶硅工件8凸面精密磨削加工至所要求尺寸加工参数为工作主轴2的主轴转速为150-250rpm，圆弧形金刚石砂轮7的转速为4000-8000rpm，圆弧形金刚石砂轮7的磨削深度为2-20μm，圆弧形金刚石砂轮7的进给速度为1-10mm/min，磨削液为水基乳化液；其中，砂轮转速/工作主轴转速不可为整数倍，否则出现明显波纹现象；砂轮速度越高(6000-8000rpm)，磨削深度越小(2-5μm)，磨削进给速度越慢(1-3mm/min)，磨削后的表面光洁度越好；磨削深度越大(10-20μm)，磨削进给速度越快(5-10mm/min)，在保证一定表面光洁度精度条件下，材料去除效率越高。至此完成了对单晶硅工件8的磨削。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的圆弧形金刚石砂轮7的外径尺寸小于单晶硅工件8的非球凹面的最小曲率半径。如此设置，便于保证加工质量和加工精度。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明的，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，以及应用到本发明未提及的领域中，当然，这些依据本发明精神所做的变化都应包含在本发明所要求保护的范围内。
Claims (5)
1.一种磨削机床，它包括X轴联动工作台(1)、工作主轴(2)、Y轴联动工作台(3)和Z轴联动工作台(9)，Y轴联动工作台(3)安装在X轴联动工作台(1)上，工作主轴(2)穿设在Y轴联动工作台(3)上，Z轴联动工作台(9)设置在X轴联动工作台(1)的一侧，其特征在于：所述磨削机床还包括真空吸盘(4)、转接夹具(5)、磨削主轴(6)和圆弧形金刚石砂轮(7)，真空吸盘(4)安装在工作主轴(2)上，单晶硅工件(8)通过转接夹具(5)安装在真空吸盘(4)上，磨削主轴(6)竖直安装在Z轴联动工作台(9)上，圆弧形金刚石砂轮(7)安装在磨削主轴(6)的下端部，圆弧形金刚石砂轮(7)的外圆弧与单晶硅工件(8)表面相接触，所述转接夹具(5)包括圆柱连接端(5-1)和圆柱吸附端(5-2)，圆柱连接端(5-1)和圆柱吸附端(5-2)由左至右依次固定连接并制成一体，且圆柱连接端(5-1)的直径大于圆柱吸附端(5-2)的直径，圆柱连接端(5-1)和圆柱吸附端(5-2)内分别开设两组正反相对设置的阶梯孔(5-3)。
2.根据权利要求1所述的磨削机床，其特征在于：所述转接夹具(5)的圆柱吸附端(5-2)的外圆直径小于单晶硅工件(8)的外圆直径2-3mm。
3.根据权利要求1或2所述的磨削机床，其特征在于：所述圆弧形金刚石砂轮(7)为树脂基圆弧金刚石砂轮，树脂基圆弧金刚石砂轮的粒度为D3～D7，树脂基圆弧金刚石砂轮的浓度为50％～100％。
4.一种使用权利要求1中的磨削机床加工非球面单晶硅透镜的方法，其特征在于：所述方法通过以下步骤实现的：
步骤一：单晶硅工件(8)和圆弧型金刚石砂轮(7)的安装；
将单晶硅工件(8)贴在真空吸盘转接夹具(5)上，并安装在机床工件主轴(2)的真空吸盘(4)上，通过工件主轴(2)驱动单晶硅工件(8)旋转运动；将圆弧金刚石砂轮(7)安装在垂直布置的磨削主轴(6)下端部，由磨削主轴(6)驱动砂轮(7)旋转运动；
步骤二：单晶硅工件(8)的外圆面(20)磨削加工；
采用千分表对工件的外圆面(20)进行圆度测量并调整圆度误差在20～40μm；通过X轴联动工作台(1)、Y轴联动工作台(3)和Z轴联动工作台(9)的移动使圆弧形金刚石砂轮(7)接触单晶硅工件(8)外圆面(20)，编制Z轴方向直线运动轨迹进行单晶硅工件(8)外圆精密磨削加工至所要求尺寸，加工参数为：工作主轴(2)的转速为350～500rpm，圆弧形金刚石砂轮(7)的转速为4000～8000rpm，磨削深度为2～20μm，磨削进给速度为10～100mm/min，磨削液为水基乳化液；
步骤三：单晶硅基准端面(21)的磨削加工；
编制X轴方向直线运动轨迹进行单晶硅工件(8)的基准端面(21)精密磨削加工至端面完全被加工，加工参数为工作主轴(2)的主轴转速为150-250rpm，圆弧形金刚石砂轮(7)的转速为4000～8000rpm，圆弧形金刚石砂轮(7)的磨削深度为2～20μm，圆弧形金刚石砂轮(7)的进给速度为1-10mm/min，磨削液为水基乳化液；
步骤四：单晶硅工件(8)的非球凹面(22)磨削加工；
依据圆弧形金刚石砂轮(7)的外径尺寸，编制X-Z平面内非球凹面(22)磨削加工轨迹进行单晶硅工件(8)的非球凹面(22)精密磨削加工至所要求尺寸，加工参数为工作主轴(2)的主轴转速为150-250rpm，圆弧形金刚石砂轮(7)的转速为4000～8000rpm，圆弧形金刚石砂轮(7)的磨削深度为2～20μm，圆弧形金刚石砂轮(7)的进给速度为1-10mm/min，磨削液为水基乳化液；
步骤五：单晶硅工件(8)的非球凸面(23)磨削加工；
取下非球凹面(22)加工成型的单晶硅工件(8)，以非球凸面(23)与转接夹具(5)相接触，并安装在机床工件主轴(2)的真空吸盘(4)上；采用千分表对单晶硅工件(8)的外圆进行圆度测量并调整圆度误差在1μm以内；依据圆弧形金刚石砂轮(7)的外径尺寸，编制X-Z平面内非球凹面磨削加工轨迹进行单晶硅工件(8)凸面精密磨削加工至所要求尺寸，加工参数为工作主轴(2)主轴转速为150-250rpm，圆弧形金刚石砂轮(7)的转速为4000～8000rpm，圆弧形金刚石砂轮(7)的磨削深度为2～20μm，圆弧形金刚石砂轮(7)的进给速度为1-10mm/min，磨削液为水基乳化液，至此完成了对单晶硅工件(8)的磨削。
5.根据权利要求4所述的加工非球面单晶硅透镜的方法，其特征在于：所述圆弧形金刚石砂轮(7)的外径尺寸小于单晶硅工件(8)的非球凹面的最小曲率半径。
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