CN106542727B - 一种微磨削尖端精准诱导的曲面镜面脆裂成型方法 - Google Patents

一种微磨削尖端精准诱导的曲面镜面脆裂成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微磨削尖端精准诱导的曲面镜面脆裂成型方法，包括步骤：通过金刚石砂轮V形尖端在光学玻璃材料表面磨削出带有沟槽微尖端的V形微沟槽；在光学玻璃材料加工有微沟槽的一面设定两个距离为L的支撑点，在光学玻璃材料的另一面设置加载点与沟槽微尖端之间具有水平偏离距离l的加载压头，加载压头按加载速度ν对光学玻璃材料垂直施加作用力F,通过作用力F的加载点与沟槽微尖端的诱导在0.3毫秒以内形成贯穿的光滑镜面曲面。本发明不需要冷却液、抛光液和材料去除，脆裂加工的加载时间在4秒以内，沿微槽方向和沿加载方向形状精度达到8.8微米/毫米和31.7微米/毫米，表面粗糙度达到13.7纳米和29.6纳米。

Description

一种微磨削尖端精准诱导的曲面镜面脆裂成型方法
技术领域
本发明涉及光学玻璃曲面的制造领域，具体涉及无脆裂破坏的破损光滑的微沟槽的金刚石微尖端微磨削方法，微裂纹诱导的材料近零去除成形方法，是一种光学曲面无需外在机械加工的新的加工技术。
背景技术
目前，手机、手表等的玻璃显示屏幕轮廓正在由平面向2.5D的曲面和3D曲面发展，但是，制造需要粗磨、精磨和抛光等多道工序，工具磨损快和数控设备难控制，加工效率极低，且生产中有大量难回收的排放物。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种微磨削尖端精准诱导的曲面镜面脆裂成型方法。本发明提供了使用金刚石砂轮微尖端微磨削微沟槽，并通过微裂纹诱导脆裂成形得到光学曲面，主要解决的技术问题是解决了滚压和激光刻蚀带来的微沟槽边缘破损以及精磨抛光工艺的效率低等问题，实现无污染、高效率、低成本的玻璃曲面镜面脆裂加工。
本发明所采用的技术方案是：
一种微磨削尖端精准诱导的曲面镜面脆裂成型方法，包括步骤：
通过金刚石砂轮V形尖端在长方形板的光学玻璃材料表面磨削出带有沟槽微尖端的V形微沟槽；
在光学玻璃材料加工有微沟槽的一面设定两个距离为L的支撑点，在光学玻璃材料的另一面设置加载点与沟槽微尖端之间具有水平偏离距离l的加载压头，所述加载压头按一定的加载速度ν对光学玻璃材料垂直施加作用力F,通过作用力F的加载点与沟槽微尖端的诱导形成贯穿的光滑曲面。
进一步地，所述作用力F的大小为：
其中，B为工件宽度、W为工件厚度、hv为微沟槽深度、rv为沟槽尖端半径、L为支撑点距离。
进一步地，所述的加载速度ν<50mm/min。
进一步地，所述的V形微沟槽的夹角为60°～120°。
进一步地，当V形微沟槽的中心线与光学玻璃材料表面夹角θ为90°时，若加载压头的加载点与沟槽微尖端的水平偏离距离l等于板厚W时，则形成半径R为板厚的凸圆弧形光滑曲面；若加载点与沟槽微尖端的水平偏离距离l小于板厚W时，则形成半径的凸圆弧形光滑曲面。
进一步地：当V形微沟槽的中心线与光学玻璃材料夹角θ小于90度且所述中心线与光学玻璃材料的加载点所在平面的交点位于光学玻璃材料的待剥离部分时，若水平偏移距离时，得到的凸圆弧形光滑曲面，若水平偏移距离得到半径
的凸圆弧形光滑曲面。
进一步地，当V形微沟槽的中心线与光学玻璃材料夹角θ小于90度且所述中心线通过加载点时，得到沿所述对称线脆裂的斜平面形光滑曲面。
进一步地，当V形微沟槽的中心线与光学玻璃材料夹角θ小于90度且所述中心线与光学玻璃材料的加载点所在平面的交点位于光学玻璃材料的待成型部分时，得到R＝l+Wtanθ的凹圆弧形光滑曲面。
进一步地，所述的工件材料的材质包括光学玻璃、陶瓷或蓝宝石。
与现有技术相比，本发明的有益效果是避免滚压和激光刻蚀造成的微沟槽边缘破损和切割面的不平整，以及避免使用高消耗的高精密五轴机床精密磨削曲面镜面，得到高精度和低表面粗糙度的切割表面，平均形状精度达8.8微米/毫米，平均表面粗糙度Ra＝13.7纳米。
附图说明
图1是光学玻璃材料微沟槽磨削原理图。
图2是微尖端精准诱导脆裂成型示意图。
图3是另一微尖端精准诱导脆裂成型示意图。
图4是另一微尖端精准诱导脆裂成型示意图。
图5是XZ平面的微裂纹诱导脆裂切割面表面形貌电镜图。
图6是XY平面的微裂纹诱导脆裂切割面表面形貌电镜图。
图7是YZ平面的微裂纹诱导脆裂切割面表面形貌电镜图。
图8是微尖端精准诱导脆裂成形过程示意图。
图中所示为：1-砂轮微尖端；2-金刚石砂轮；3-光学玻璃材料；31-待剥离部分；32-待成型部分；4-V形微沟槽；5-沟槽微尖端；6-加载压头；7-光滑曲面；8-加载点。
具体实施方式
为更好理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例所表示的范围。
一种微磨削尖端精准诱导的曲面镜面脆裂成型方法，包括步骤：
通过金刚石砂轮V形尖端在长方形板的光学玻璃材料3表面磨削出带有沟槽微尖端5的V形微沟槽4(见图1)；
在光学玻璃材料3加工有微沟槽4的一面设定两个距离为L的支撑点，在光学玻璃材料3的另一面设置加载点8与沟槽微尖端5之间具有水平偏离距离l的加载压头6，所述加载压头6按一定的加载速度ν对光学玻璃材料3垂直施加作用力F,通过作用力F的加载点8与沟槽微尖端5的诱导在0.3毫秒以内形成贯穿的光滑曲面7。
具体而言，所述作用力F的大小为
其中，B为工件宽度、W为工件厚度、hv为微沟槽深度、rv为沟槽尖端半径、L为支撑点距离。
具体而言，所述的加载速度ν<50mm/min。
具体而言，所述的V形微沟槽4的夹角为60°～120°。
在本发明的另一实施例中，当V形微沟槽4的中心线与光学玻璃材料3表面夹角θ为90°时，若加载压头6的加载点8与沟槽微尖端5的水平偏离距离l等于板厚W时，则形成半径R为板厚的凸圆弧形光滑曲面7；若加载点8与沟槽微尖端5的水平偏离距离l小于板厚W时，则形成半径的凸圆弧形光滑曲面7。
在本发明的另一实施例中，当V形微沟槽4的中心线与光学玻璃材料3夹角θ小于90度且所述中心线与光学玻璃材料3的加载点8所在平面的交点位于光学玻璃材料3的待剥离部分32时，若水平偏移距离时，得到的凸圆弧形光滑曲面7，若水平偏移距离得到半径
的凸圆弧形光滑曲面7。
在本发明的另一实施例中，当V形微沟槽4的中心线与光学玻璃材料3夹角θ小于90度且所述中心线通过加载点8时，得到沿所述对称线脆裂的斜平面形光滑曲面7。
在本发明的另一实施例中，当V形微沟槽4的中心线与光学玻璃材料3夹角θ小于90度且所述中心线与光学玻璃材料3的加载点8所在平面的交点位于光学玻璃材料3的待成型部分31时，得到R＝l+Wtanθ的凹圆弧形光滑曲面7。
具体而言，所述的工件材料3的材质包括光学玻璃、陶瓷或蓝宝石。
如图1所示，加工V形微沟槽4时用金刚石砂轮2的砂轮微尖端1在光学玻璃材料3上磨削出精密和光滑的V形微沟槽4和微沟槽尖端5，得到具有无破损精密光滑的微沟槽光学玻璃材料。然后用于微沟槽尖端5精准诱导脆裂成形加工。如图2至图4所示，V形微沟槽4置于加载压头6的反面，通过控制加载压头6的加载速度实现加载。随着加载进行达到临界条件，光学玻璃材料3由V形微尖端4处开始脆断，裂纹沿沿切割面扩展脆裂形成所需光滑曲面7。通过控制加载压头6的加载点8控制光滑曲面7的曲率，在V形微沟槽4结构一定时，通过调节支撑距离L可控制切割力。图4至图7显示了V形微沟槽4和光滑曲面7实际图，达到了镜面。微尖端精准诱导脆裂成形时间处于毫秒级，具有高效率特点，其精准诱导脆裂成形过程如图8所示。
在另一实施例中，采用CNC精密磨床(SMART B818)设备修整600#金属结合剂金刚石砂轮，得到微尖端。砂轮尺寸：直径150毫米，厚度4毫米，修整进给速度500毫米/分钟，切削深度20微米。工件材料3是石英光学玻璃，几何尺寸长×宽×高为120毫米×40毫米×4毫米，加工微槽深度为500微米。砂轮轴线和工件长边方向平行。研磨砂轮转速2400转/分钟，微磨削进给速度500毫米/分钟，微磨削切削深度20微米。采用WDW-05试验机进行微裂纹诱导脆裂成形加工，加载速度为5毫米/分钟，10毫米/分钟，20毫米/分钟，60毫米/分钟，100毫米/分钟，200毫米/分钟，300毫米/分钟。支撑距离35毫米，偏移距离1.5毫米。高速摄影机用于记录微裂纹诱导脆裂成形加工时间。
之后采用TALYSURF CLI 1000轮廓仪检测切割面形状精度和表面粗糙度。结果为：形状精度达到8.8微米/毫米，表面粗糙度Ra＝13.7纳米。脆裂成形加工时间在0.3ms之内，形成圆弧半径为6.74毫米。
综上所述，上述方法主要包括磨削微沟槽和微尖端精准诱导脆裂成形两个步骤，其中：磨削微沟槽的重点在于精确得到设计的金刚石砂轮微V形尖端，首先通过数控磨床对磨修整金刚石砂轮V形尖端，然后利用微尖端在硬脆性的材料表面磨削出设计轨迹的精密和光滑的微槽。而微尖端精准诱导脆裂成形重点在于加载速度和加载点，通过给定不同的加载速度和加载点进行微尖端精准诱导脆裂成型，得到所需的曲面镜面。
所述实施例的曲面镜面脆裂成形方法可以不需要冷却液和抛光液，脆裂加工的时间在0.3毫秒及以下，沿微槽方向和沿加载方向形状精度分别为8.8微米/毫米和31.7微米/毫米，表面粗糙度分别为13.7纳米和29.6纳米。利用施加力的位置和微槽尖端的位置以及施加力的大小加工出2.5D和3D的玻璃曲面体，脆断的施加力可以通过微沟槽尖端半径、深度、角度等进行预测。

Claims (7)

1.一种微磨削尖端精准诱导的曲面镜面脆裂成型方法，其特征在于，包括步骤：
通过金刚石砂轮V形尖端在长方形板的光学玻璃材料(3)表面磨削出带有沟槽微尖端(5)的V形微沟槽(4)；
在光学玻璃材料(3)加工有微沟槽(4)的一面设定两个距离为L的支撑点，在光学玻璃材料(3)的另一面设置加载点(8)与沟槽微尖端(5)之间具有水平偏离距离l的加载压头(6)，所述加载压头(6)按一定的加载速度ν对光学玻璃材料(3)垂直施加作用力F,通过作用力F的加载点(8)与沟槽微尖端(5)的诱导形成贯穿的光滑曲面(7)；
所述作用力F的大小为：
其中，B为工件宽度、W为工件厚度、hv为微沟槽深度、rv为沟槽尖端半径、L为支撑点距离。
2.根据权利要求1所述的微磨削尖端精准诱导的曲面镜面脆裂成型方法，其特征在于：所述的加载速度ν<50mm/min。
3.根据权利要求1所述的微磨削尖端精准诱导的曲面镜面脆裂成型方法，其特征在于：所述的V形微沟槽(4)的夹角为60°～120°。
4.根据权利要求2所述的微磨削尖端精准诱导的曲面镜面脆裂成型方法，其特征在于：当V形微沟槽(4)的中心线与光学玻璃材料(3)表面夹角θ为90°时，若加载压头(6)的加载点(8)与沟槽微尖端(5)的水平偏离距离l等于板厚W时，则形成半径R为板厚的凸圆弧形光滑曲面(7)；若加载点(8)与沟槽微尖端(5)的水平偏离距离l小于板厚W时，则形成半径的凸圆弧形光滑曲面(7)。
5.根据权利要求2所述的微磨削尖端精准诱导的曲面镜面脆裂成型方法，其特征在于：当V形微沟槽(4)的中心线与光学玻璃材料(3)夹角θ小于90度且所述中心线与光学玻璃材料(3)的加载点(8)所在平面的交点位于光学玻璃材料(3)的待剥离部分(32)时，若水平偏移距离时，得到的凸圆弧形光滑曲面(7)，若水平偏移距离得到半径
的凸圆弧形光滑曲面(7)。
6.根据权利要求2所述的微磨削尖端精准诱导的曲面镜面脆裂成型方法，其特征在于：当V形微沟槽(4)的中心线与光学玻璃材料(3)夹角θ小于90度且所述中心线通过加载点(8)时，得到沿所述中心线脆裂的斜平面形光滑曲面(7)。
7.根据权利要求2所述的微磨削尖端精准诱导的曲面镜面脆裂成型方法，其特征在于：当V形微沟槽(4)的中心线与光学玻璃材料(3)夹角θ小于90度且所述中心线与光学玻璃材料(3)的加载点(8)所在平面的交点位于光学玻璃材料(3)的待成型部分(31)时，得到R＝l+W tanθ的凹圆弧形光滑曲面(7)。
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