CN105150105B - 光学元件磨削用金刚石砂轮离线电解修整装置及其修整方法 - Google Patents

光学元件磨削用金刚石砂轮离线电解修整装置及其修整方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种低成本的非球面光学元件磨削用金刚石砂轮离线电解修整装置。光学元件磨削用金刚石砂轮离线电解修整装置，包括主轴、设置有修整头的电解液槽、修整距离微调系统和控制器，金刚石砂轮安装在主轴上，所述主轴在控制器的控制下旋转从而带动金刚石砂轮作旋转运动；所述修整距离微调系统支撑电解液槽，并对电解液槽的高度进行精密微调，以调节电解液槽中的修整头与金刚石砂轮表面之间的距离。本发明修整效率高，砂轮表面磨粒凸出性好；通过调节砂轮转速、电解电压或电流、修整头与砂轮表面的距离，可实现砂轮的快速修整和精密修整，既保证磨粒具有良好的凸出性，也保证结合剂对磨粒具有较强的把持性。

Description

光学元件磨削用金刚石砂轮离线电解修整装置及其修整方法
技术领域
本发明涉及光学元件超精密加工领域，特别涉及一种大口径非球面光学元件成型磨削加工阶段金刚石砂轮的离线电解修整装置及其修整方法。
背景技术
随着激光技术的不断发展，大口径高功率激光驱动器作为激光技术的一个重要分支，在惯性约束核聚变方面有着重要的应用，如美国的NIF装置。作为世界上最大的光学工程，在大口径光学元件数量、质量方面，高功率激光驱动器所提出的要求比迄今为止任何光学系统都高出许多。而光学元件的超精密加工，是获得大批量、高性能光学元件的重要手段。
磨削加工作为大口径非球面激光光学元件超精密加工的重要成型工序，其使用固结金刚石砂轮获得光学非球面元件的快速成型，并获得一定面形精度与表面质量。金刚石砂轮在使用过程中，由于金刚石颗粒与光学材料的相互作用，使得原本凸出的磨粒逐渐钝化、磨损、脱落，进一步增大磨削力，降低了元件的表面质量和加工精度，严重者导致元件产生较大崩边、裂纹，最终使得元件不合格或报废。因此在金刚石砂轮使用一段时间后，需要对其进行电解修整，使表面的金刚石颗粒凸出，达到一定的锐利度与形状精度。
实现非球面光学元件高效磨削加工的设备，是一种高精度的三轴联动超精密磨削机床。目前国际上仅日本Nagase公司、Okamoto公司、瑞士Magerle集团等具有生产能力，而国内也处于高校、科研院所等研制阶段，设备投入成本达到数百甚至上千万人民币。因此，采用超精密磨削机床实现金刚石砂轮在位修整，会增加元件的制造成本，延长加工工时，降低总体生产效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种低成本的非球面光学元件磨削用金刚石砂轮离线电解修整装置。
本发明还要提供一种采用上述修整装置的修整方法。
本发明解决技术问题所采用的解决方案是：光学元件磨削用金刚石砂轮离线电解修整装置，包括主轴、设置有修整头的电解液槽、修整距离微调系统和控制器，金刚石砂轮安装在主轴上，所述主轴在控制器的控制下旋转从而带动金刚石砂轮作旋转运动；所述修整距离微调系统支撑电解液槽，并对电解液槽的高度进行精密微调，以调节电解液槽中的修整头与金刚石砂轮表面之间的距离。
所述电解液槽用于容纳电解质修整液，设置在电解液槽内的修整头与电解直流电源阴极相连，用于进行修整电解反应。
所述修整头利用过盈配合的圆柱孔实现与直流电源阴极的电导通。
所述金刚石砂轮与电解直流电源阳极相连，修整头与金刚石砂轮表面等距离贴合且与直流电源阴极相连，输出电解电压连续可调。
还包括支撑底座，所述支撑底座保证所有部件的安装可靠，所述支撑底座下方设置有高度可调的四个脚。
所述主轴与金刚石砂轮之间不绝缘，具有电流导通能力。
所述主轴安装金刚石砂轮的位置设计为锥形轴，锥度与金刚石砂轮的法兰孔一致，所述金刚石砂轮、法兰、主轴之间可以导电。
所述修整头按金刚石砂轮的磨削刃形状分为直线磨削刃修整头以及圆弧磨削刃修整头。
还包括防护罩，所述防护罩对修整区域进行包裹。
在所述防护罩上还设置有换气系统。
光学元件磨削用金刚石砂轮离线电解修整装置的修整方法，该方法包括以下步骤：1)首先清洁主轴锥面与金刚石砂轮法兰内孔面无杂质油污，将金刚石砂轮安装于主轴上并锁死；2)根据金刚石砂轮磨削刃形状选择相应的修整头安装于电解液槽中；3)向电解液槽中注入适量去离子水，加入适量硫酸钾粉末电解质并搅拌均匀；4)根据具体修整工艺，通过修整距离微调系统调节电解液槽水平位置与高度，使修整头位于金刚石砂轮正下方；5)开启装置总电源，换气风扇启动；6)在控制器面板上修改主轴转速后，开启主轴旋转运行，此时金刚石砂轮低速均匀旋转；7)开启电解电源，调节电解电压与输出电流，开始电解修整；8)根据金刚石砂轮表面电解修整情况，选择合适的电解修整参数；9)完成修整后将金刚石砂轮表面清理干净，处理电解液。
本发明的有益效果：可用于金属结合剂金刚石砂轮的离线电解修整，在不占用超精密磨削机床工时的情况下，修整效率高，砂轮表面磨粒凸出性好；本发明除能实现金刚石砂轮的电解修整外，对于其他磨粒(CBN、白刚玉等)的金属结合剂砂轮，通过选用合适的电解质，均可实现砂轮的快速离线电解修整，获得良好的磨粒凸出性；通过选用不同轮廓形状的修整头，可实现直线磨削刃砂轮和不同圆弧半径的圆弧磨削刃砂轮的电解修整，形状精度优于50μm；通过调节砂轮转速、电解电压或电流、修整头与砂轮表面的距离，可实现砂轮的快速修整和精密修整，既保证磨粒具有良好的凸出性，也保证结合剂对磨粒具有较强的把持性；采用本发明的装置修整青铜结合剂金刚石砂轮，修整耗时约6小时，节约超精密磨削机床工时15％；用修锐的金刚石砂轮进行大口径非球面光学元件的精密成型磨削加工，材料去除速率可达120cm3/min，产生的崩边尺寸小于1mm，表面沙眼均匀，无烧蚀痕迹，600mm口径元件面形误差优于20μm。
附图说明
图1是本发明的金刚石砂轮离线电解修整装置的立体图。
图2是本发明的金刚石砂轮离线电解修整装置的电气原理图。
图3是本发明的直线磨削刃金刚石砂轮修整头的主视图。
图4是图3的左视图。
图5是图3的俯视图。
图6是图3的立体图。
图7是本发明的圆弧磨削刃金刚石砂轮修整头的主视图。
图8是图7的左视图。
图9是图7的俯视图。
图10是图7的立体图。
具体实施方式
如图1和2所示，本发明的修整装置包括主轴1、设置有修整头的电解液槽3、修整距离微调系统4、防护罩5、控制器和支撑底座7。金刚石砂轮2安装在主轴1上，在控制器的控制下，主轴1旋转从而带动金刚石砂轮2作低速旋转运动；电解液槽3用于容纳电解质修整液，设置在电解液槽3内的修整头与电解直流电源阴极相连，用于进行修整电解反应，修整头利用过盈配合的圆柱孔实现与直流电源阴极的良好电导通；修整距离微调系统4支撑电解液槽3，可以对电解液槽3的高度进行精密微调，以调节电解液槽3中的修整头与金刚石砂轮2表面之间的距离，从而控制修整效果。
金刚石砂轮2与电解直流电源阳极相连，修整头与金刚石砂轮2表面等距离贴合且与直流电源阴极相连，输出电解电压连续可调，实现金刚石砂轮2表面与修整液的连续均匀作用，去除金刚石砂轮2表面的结合剂，达到均匀修整的目的。
支撑底座7保证所有部件的安装可靠。支撑底座7的操作台面最好敷设耐腐蚀的尼龙板，便于放置电解液槽3等部件。支撑底座7可采用优质不锈钢矩管焊接而成，可最大化地减轻装置的整体重量，另外，为适应不同安装地面的要求，支撑底座7下方设置有高度可调的四个脚。
主轴1支撑、紧固金刚石砂轮2，控制器可实现主轴1的转速可调，从而带动金刚石砂轮2作匀速和低速旋转运动，保证修整均匀性。主轴1与金刚石砂轮2之间不绝缘，具有电流导通能力。
主轴1可采用优质45#结构钢制造，安装金刚石砂轮2的位置设计为锥形轴，锥度与金刚石砂轮2的法兰孔一致，便于金刚石砂轮2的安装紧固，同时保证金刚石砂轮2、法兰、主轴1之间可以导电。主轴1的轴端设计为左旋螺纹锁紧，而工作时金刚石砂轮2旋转方向为右旋，主轴1的另一端为直连联轴节安装位置。为减轻装置的总体重量，在保证主轴1悬臂刚度的情况下，可将主轴1设计为中空结构。主轴1的电机可选用TYPE90DF 0.75-30伺服电机，输入转速0-3000r/min，再经过速比为1:50的精密行星减速机PLF090，实现低转速输出，同时配备WT100伺服控制器，实现不同转速的编程控制。主轴1上最好还设计电刷，便于电解电流的导通。
修整头可采用黄铜材料制造，按金刚石砂轮2的磨削刃形状，修整头可分为两类，即直线磨削刃修整头，如图3-6所示，以及圆弧磨削刃修整头，如图7-10所示，并且根据圆弧金刚石砂轮2磨削刃半径的大小，可以设计不同半径的圆弧磨削刃修整头。修整头表面形状与待修整金刚石砂轮2表面磨削刃形状一致，即平面磨削刃金刚石砂轮2采用圆柱面的修整头，圆弧磨削刃的金刚石砂轮2采用鼓面的修整头，并且根据圆弧磨削刃金刚石砂轮2的圆弧半径不同，需选用对应半径的鼓面修整头。
电解电路及其控制系统提供电解反应所需的低压直流电，控制器实现电流、电压的连续可调及保证电流、电压的稳定性。以青铜结合剂金刚石砂轮为例，电解反应式如式(1)。为提高修整效率，往电解液里加入适量硫酸甲(K2SO4)粉末电解质，使溶液饱和，降低电解液的电阻率。
防护罩5采用不锈钢矩管焊接成框架结构，对修整区域进行包裹，防护罩5上、左、右、前框架表面均可安装透明有机玻璃板，可在砂轮修整过程中对修整器外部人员进行安全保护的同时，也可随时观察砂轮修整情况，而在防护罩5后表面框架可安装尼龙板，实现装置的整体美观。同时还可在防护罩5设置换气系统，通过换气风扇将修整区域内反应产生的氢气、水蒸气、热量及时排出。
金刚石砂轮2的旋转速度0-60r/min连续可调，电解电压0-24V连续可调，金刚石砂轮2表面与修整头间距(修整距离)1-10mm连续可调，可实现不同磨削刃形状的金属结合剂金刚石砂轮快速离线电解修整作业。
根据具体修整工艺，操作控制器面板6上的相应按钮，修改具体参数，实现对主轴1旋转速度的控制，同时可对已有参数进行保存，便于下次工作时直接进行调用执行。控制器面板6主要分为两个操作区域，即：WT100电机控制器操作区域和GPS-3250D电源适配器操作区域。电机控制器操作区域有相关的参数设置按钮若干，电源适配器操作区域有电源电压调节、电流条件等旋流，以及实时电压电流大小显示。
图2是本发明装置的电气原理图，按下设备总开关KA1后，换气风扇开始工作，将保护罩5内的气体快速排出；按下开关KA2，WT100电机控制器通电工作，根据具体工艺，设置参数并运行，砂轮主轴开始旋转；按下开关KA3后，GPS-3250D电源适配器将220V交流市电转换为低压直流电并稳流，其输出阳极连接金刚石砂轮电刷，阴极连接修整头，开始电解反应；防护罩5通过接地线与大地相连，保护操作人员安全。
在进行砂轮修整作业时，首先清洁主轴1锥面与金刚石砂轮2法兰内孔面无杂质油污，将金刚石砂轮2安装于主轴1上并锁死；根据金刚石砂轮2磨削刃形状选择相应的修整头安装于电解液槽3中；向电解液槽3中注入适量去离子水，加入适量硫酸钾(K2SO4)粉末电解质并搅拌均匀；根据具体修整工艺，通过修整距离微调系统4调节电解液槽3水平位置与高度，使修整头位于金刚石砂轮2正下方，修整头与金刚石砂轮2表面的距离约为4-10mm；开启装置总电源，换气风扇启动；在控制器面板6上修改主轴1转速后，开启主轴1旋转运行，此时金刚石砂轮2低速均匀旋转；开启电解电源，调节电解电压与输出电流，开始电解修整；根据金刚石砂轮2表面电解修整情况，选择合适的电解修整参数(砂轮转速、电解电流或电压、修整头与砂轮表面距离)；完成修整后将金刚石砂轮2表面清理干净，处理电解液。
本发明的装置可快速实现金属结合剂金刚石砂轮的离线修整作业，通过调节主轴转速、电解电压、电流以及修整距离，可以分别实现粗修整(将砂轮表面钝化层快速去除)和精修整(保证金刚石颗粒把持性的同时获得较好的磨粒凸出性能)。经过实验证明，修整一块金属结合剂金刚石砂轮，耗时约6小时(磨削机床在位修整耗时约8小时)，表面磨粒凸出性好，形状精度优于50μm。

Claims (10)

1.光学元件磨削用金刚石砂轮离线电解修整装置，其特征在于：包括主轴(1)、设置有修整头的电解液槽(3)、修整距离微调系统(4)和控制器，金刚石砂轮(2)安装在主轴(1)上，所述主轴(1)在控制器的控制下旋转从而带动金刚石砂轮(2)作旋转运动；所述修整距离微调系统(4)支撑电解液槽(3)，并对电解液槽(3)的高度进行精密微调，以调节电解液槽(3)中的修整头与金刚石砂轮(2)表面之间的距离。
2.如权利要求1所述的光学元件磨削用金刚石砂轮离线电解修整装置，其特征在于：所述电解液槽(3)用于容纳电解质修整液，设置在电解液槽(3)内的修整头与电解直流电源阴极相连，用于进行修整电解反应。
3.如权利要求1所述的光学元件磨削用金刚石砂轮离线电解修整装置，其特征在于：所述修整头利用过盈配合的圆柱孔实现与直流电源阴极的电导通。
4.如权利要求1所述的光学元件磨削用金刚石砂轮离线电解修整装置，其特征在于：所述金刚石砂轮(2)与电解直流电源阳极相连，修整头与金刚石砂轮(2)表面等距离贴合且与直流电源阴极相连，输出电解电压连续可调。
5.如权利要求1所述的光学元件磨削用金刚石砂轮离线电解修整装置，其特征在于：还包括支撑底座(7)，所述支撑底座(7)保证所有部件的安装可靠，所述支撑底座(7)下方设置有高度可调的四个脚。
6.如权利要求1所述的光学元件磨削用金刚石砂轮离线电解修整装置，其特征在于：所述主轴(1)安装金刚石砂轮(2)的位置设计为锥形轴，锥度与金刚石砂轮(2)的法兰孔一致，所述金刚石砂轮(2)、法兰、主轴(1)之间可以导电。
7.如权利要求1所述的光学元件磨削用金刚石砂轮离线电解修整装置，其特征在于：所述修整头按金刚石砂轮(2)的磨削刃形状分为直线磨削刃修整头以及圆弧磨削刃修整头。
8.如权利要求1所述的光学元件磨削用金刚石砂轮离线电解修整装置，其特征在于：还包括防护罩(5)，所述防护罩(5)对修整区域进行包裹。
9.如权利要求8所述的光学元件磨削用金刚石砂轮离线电解修整装置，其特征在于：在所述防护罩(5)上还设置有换气系统。
10.光学元件磨削用金刚石砂轮离线电解修整装置的修整方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：1)首先清洁主轴(1)锥面与金刚石砂轮(2)法兰内孔面,使其无杂质油污，将金刚石砂轮(2)安装于主轴(1)上并锁死；2)根据金刚石砂轮(2)磨削刃形状选择相应的修整头安装于电解液槽(3)中；3)向电解液槽(3)中注入适量去离子水，加入适量硫酸钾粉末电解质并搅拌均匀；4)根据具体修整工艺，通过修整距离微调系统(4)调节电解液槽(3)水平位置与高度，使修整头位于金刚石砂轮(2)正下方；5)开启装置总电源，换气风扇启动；6)在控制器面板(6)上修改主轴(1)转速后，开启主轴(1)旋转运行，此时金刚石砂轮(2)低速均匀旋转；7)开启电解电源，调节电解电压与输出电流，开始电解修整；8)根据金刚石砂轮(2)表面电解修整情况，选择合适的电解修整参数；9)完成修整后将金刚石砂轮(2)表面清理干净，处理电解液。
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