CN1064291C - 球面零件轨迹成形加工方法及装置 - Google Patents

Abstract

球面零件轨迹成形加工方法及装置主要属于光学零件加工技术领域。现有技术工序分散，需多台套设备及多种磨(模)具，加工精度主要依靠操作者的经验和技巧，而且加工大尺寸零件较困难。本发明创造了一种轨迹成形加工方法，砂轮与工件点接触，加工轨迹为螺旋线，砂轮作圆周运动且做进给移动，工件自转并摆动。本发明使光学零件的球面加工成本降低，效率提高，加工精度由设备来保证，并能实现大尺寸球面零件的批量生产。

Description

球面零件轨迹成形加工方法及装置

本发明主要属于光学零件加工技术领域。

在现有技术中，目前世界各国普遍采用范成法粗磨和准球心法精磨和抛光。范成法系由英国学者泰勒(W．Taylor)于1920年提出，于50年代开始用于光学生产，并在60年代末开始在我国广泛应用。它是一种高速铣磨方法，见图1，在加工过程中，磨轮1的环形刃口与工件2的加工表面相接触，二者轴线成α角，磨轮1高速旋转，工件2低速旋转，则加工出一半径为R的球面。这种方法的本质是磨轮环形刃口与工件2加工表面是线接触，是由磨轮刃口轨迹的包络面成形球面的方法。准球心方法是一种压力转移方法，图2所示为该方法用于高速精磨工序情况，金刚石磨具3的磨削面，由若干金刚石丸片4组成，与工件5的加工面接触，工件5旋转，磨具3转动且沿弧线摆动，二者轴线在球心处相交。图3所示为高速抛光情况，它与精磨工序不同的是以模具6代替磨具3。准球心法的本质是磨(模)具与工件是面接触，加在磨(模)具上的压力主要转移在工件上多余的突出部分，因此，此处接触压力大，磨去也较快，进而加工出所需精度的面形。

上述现有技术存在若干不足，首先是加工成本较高，主要表现在，设备种类多，粗磨、精磨、抛光三道工序分别在三台设备上完成。磨(模)具数量多，不论是范成法还是准球心法，对于不同曲率半径或口径的球面，均须用一套对应的磨轮和磨(模)具加工。也就是说配备多种磨轮和磨(模)具。加工费也较高，主要是由于各工序间的辅助工序、辅助设备、辅料等造成。其次是加工效率低，主要是由于辅助工序多，加工余量大，磨(模)具等均需频繁修整等原因。第三是表面粗糙度和面形精度难以保证，一是表面粗糙度，在光学零件的铣磨加工中，理论上认为其最佳磨削线速度约35m／S，这样就要求磨轮转速在1～2万rpm才能达到这一速度。而高速转动的磨轮不能进行动平衡，振动较大，因此，在工件表面产生细密的菊花振纹等表面疵病，致使表面粗糙度较差。二是面形精度，在粗磨工序中，根据理论计算，面形精度与磨轮中径Dm(见图1)、刃口半径r以及磨轮与工件张角α直接相关，磨轮制造误差产生Dm的误差，磨轮的磨耗产生r的误差，而α角因调整精度不高，有较大的调整误差，因此面形精度很难保证。而在高速精磨和抛光工序中，工件面形精度主要是靠磨(模)具的面形精度来保证，而磨(模)具的面形精度是依靠操作者的经验和技巧来保证，因此对操作者的技术水平要求较高。第四是现有技术不论是从设备上，还是从磨轮、磨(模)具上都很难适应于大尺寸(大口径，大曲率半径)工件的加工。而本发明的目的就是要创造一种能够加工球面零件，特别是球面光学零件，并较现有技术成本低、效率高、易于保证加工精度，而且能够加工大尺寸零件的加工方法，即实现工序集中化、磨(模)具多用化、加工范围扩大化，为此我们发明了一种球面零件轨迹成形加工方法及装置。

本发明是这样实现的，见图4主视图和图5俯视图，其方法是用磨(模)具7作为加工工具，所说的磨(模)具为砂轮或抛光轮，砂轮与被加工表面，理论上为点接触，即接触点9。工件8除绕工件轴11自转外，还绕与工件轴线11相垂直并相交的摆动轴线12摆动，砂轮7自转，同时在控制下向工件作进给运动，当加工凸球面时砂轮轴10与摆动轴12的距离为砂轮半径与工件半径R之和，当加工凹球面时砂轮轴10与摆动轴12的距离为工件半径R与砂轮半径之差。接触点9的加工轨迹为螺旋线13，经理论推导表明，该轨迹形成的曲面是球面，半径为R(见图8)。

本发明其装置，仍由图4和图5表示，它由砂轮轴10、工件轴11、摆动轴12及砂轮7组成。砂轮7可以是金刚石砂轮，也可以是抛光轮。砂轮7装置于砂轮轴10上，工件8装夹于工件轴11的前端，摆动轴线12与工件回转轴线11在垂直平面内相互垂直并相交，砂轮轴线10与工件回转轴线11在水平面内相交。砂轮7和工件8均可在精确控制下位移。砂轮7可由二至三片粒度不同的砂轮叠加而成，分别可用于粗磨、精磨和超精磨(抛光)，只需移动砂轮轴10或工件8可使砂轮与工件接触。

本发明效果如下，由于工序集中化、磨(模)具多用化和加工范围扩大化，首先是降低了成本，即三个工序设备合一。工件8一次固定就可以从粗磨直至超精磨(抛光)工序完毕。对于加工不同半径的球面，只需调整摆动轴12至接触点9的距离R即可，不需更换磨(模)具。其次是提高了加工效率，工序集中化，加工余量减小，砂轮7一经修整不需再频繁修整。第三是加工精度完全由轨迹成形的位置精度确定，只要磨床精度达到要求，即能保证加工精度，消除了人为因素的影响。当砂轮7直径为200mm，转速为3000rpm时，其圆周线速度即可达到31m／s，接近最佳磨削速度，因此，避免了高速转动而产生的振动，从而提高加工表面质量。超微粒金刚石砂轮的应用也在一定程度上提高了粗糙度。第四是对于大尺寸零件，只需调整摆动轴12与接触点9的距离R及摆动角α即可，而不必依靠增大，磨具尺寸来实现，因此能够进行大尺寸零件的加工。

图1是范成法粗磨示意图，图2、图3是准球心法示意图，其中图2表示高速精磨，图3表示高速抛光。图4和图5是本发明装置及工况示意图。图8是本发明加工轨迹示意图。图6和图7是本发明加工凹球面装置及工况示意图。图9和图10是本发明采用碗形磨轮加工凸球面情形的示意图。图11和图12表示加工凹球面的示意图。

下面结合实例详细介绍本发明。

例1．见图4和图5，磨轮7采用金刚石磨粒，浓度为50％或100％、粗磨砂轮粒度为120#或240#、精磨砂轮粒度为W14、W7中的一种、超精磨砂轮粒度为W2．5或W1．5，粗磨、精磨砂轮结合剂为青铜或铸铁，超精磨砂轮结合剂用树脂，或用聚氨脂抛光轮。磨轮(抛光轮)均为盘形，外径为200mm、内径为75mm、每片厚10mm，转速为3000rpm，圆周线速度为31．4／s，工件8转速为50～500rpm可调，零件球面曲率半径R为27．21mm、口径φ为35mm、

启动该装置，磨轮7微量进给，其圆周面与工件8于接触点9处接触。所需球面加工半径R通过调整接触点9与摆动轴12的距离来实现，加工过程中砂轮7做精确进给位移，最小位移示值为0．625μm。这样，工件转动且摆动的复合运动与砂轮回转运动相干涉的结果，形成无数个螺旋线，包络出一球面。采用同样方法进行精磨和抛光(超精 磨削)。陶瓷、玻璃等脆硬材料塑性磨削理论指出金刚石锐刃以小于0．2μm的进给量，能够实现塑性磨削，即超精磨削，可取代传统抛光工艺，本实施例设置了压电陶瓷微位移机构，能使工件8的微位移示值达到0，006μm。上述是加工凸球面。也可以设置三个垂直的磨轮轴，分别固定粗磨、精磨、超精磨三块磨轮，用于加工凹球面。如此加工的方法，现已达到加工中等精度光学零件的效果。采用本方法不仅可以加工玻璃工件，还可加工陶瓷、晶体和金属工件。

例2、为了加工凹球面，见图6和图7可将接触点9移至摆动轴12左侧，砂轮7的半径小于被加工凹球面曲率半径R，如此即可加工凹球面。

例3、设计一种碗形砂轮，如图9及图10所示，可加工凸球面，图11和图12是加工凹球面。

Claims (7)

1、一种球面零件的加工方法，包括粗磨、精磨和抛光三大基本工序，通过磨／模具对被加工表面进行磨削、研磨或抛光，其特征在于所说的磨／模具为砂轮或抛光轮，砂轮与被加工表面，理论上为点接触，工件(8)除绕工件轴(11)自转外，还绕与工件轴线(11)相垂直并相交的摆动轴线(12)摆动，砂轮(7)自转，同时在控制下向工件作进给运动直到当加工凸球面时砂轮轴(10)与摆动轴(12)的距离为砂轮半径与工件半径R之和，当加工凹球面时砂轮轴(10)与摆动轴(12)的距离为工件半径R与砂轮半径之差，接触点(9)的加工轨迹为螺旋线(13)。

2、根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于当砂轮(7)为盘形时，其圆周面与工件(8)接触，当其为碗形时，其环形端面与工件(8)接触，并且当为盘形时，可由2至3片不同粒度砂轮或抛光轮叠加而成，分别可用于粗磨、精磨和超精磨或抛光。

3、根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于当接触点(9)在轴(12)右侧时，加工凸球面，当接触点(9)在轴(12)左侧时，加工凹球面，此时，砂轮(7)的半径需小于加工球面半径R。

4、根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于用超精密磨削代替现有加工技术的抛光工序，同时工件(8)相对于砂轮(7)在控制下可做微小进给位移，位移量每次小于0．2μm。

5、根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于它可加工材质为玻璃、陶瓷、晶体和金属的工件。

6、一种专用于权利要求1所述加工方法的装置，其特征在于它由砂轮轴(10)、工件轴(11)、摆动轴(12)及砂轮(7)组成，砂轮(7)装置于砂轮轴(10)上，砂轮(7)可以是金刚石砂轮，也可以是抛光轮，工件(8)装夹于工件轴(11)的前端，摆动轴线(12)与工件回转轴线(11)在垂直平面内相互垂直并相交，砂轮轴线(10)与工件回转轴线(11)在水平面内相交。

7、根据权利要求6所述的装置，其特征在于磨轮(7)可以是盘形，也可以是碗形，当是盘形时，可由2至3片叠加而成。

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