CN107297691B - 光学加工平行金刚石砂轮复合截面轮廓的修整方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学加工平行金刚石砂轮中央平直线和两侧边缘圆弧过渡的复合截面轮廓的修整方法，该方法包括以下步骤：1)调整修整器上的修整砂轮的旋转轴与超精密平面磨床竖向Y轴之间的平行度；2)修整砂轮端面研磨修整金刚石砂轮的外圆面，使金刚石砂轮外圆面获得满足元件加工工艺要求的圆周跳动精度及轴向平行度；3)调整金刚石砂轮进给方向与超精密平面磨床X轴成下倾角度，修整砂轮的端面研磨金刚石砂轮的两侧棱边为平滑圆弧。本发明采用金刚石砂轮修形与修锐同时进行，可以准确获得中央直线段的宽度与两侧圆弧过渡的高度，有效避免磨削过程中砂轮棱边处造成的加工应力集中，降低元件的亚表面缺陷深度及不稳定性。

Description

光学加工平行金刚石砂轮复合截面轮廓的修整方法
技术领域
本发明涉及光学元件超精密磨削加工领域，具体涉及光学元件磨削亚表面缺陷及其深度稳定性控制过程中，所使用的平行金刚石砂轮的中央平直线和两侧边缘圆弧过渡复合截面轮廓的修整方法。
背景技术
被广泛应用于高功率激光装置中的透射类光学元件，其加工亚表面缺陷对元件的抗激光损伤阈值和整个装置的总体输出性能具有重要的影响。利用固结磨料平行金刚石砂轮进行光学元件的超精密成形磨削加工，可高效获得高精度的光学表面，但同时需要对全口径的亚表面缺陷质量严格控制，便于后续抛光加工对磨削亚表面缺陷的完全去除和精度的进一步收敛。为减小元件表面磨削加工产生的中频小尺度波纹，需要严格保证平行金刚石砂轮截面轮廓与砂轮轴线之间的平行度，同时在砂轮两侧棱边需要适当的圆弧过渡，以减小磨削过程中边缘处的加工应力集中而导致亚表面缺陷深度剧增。为兼顾加工精度和缺陷的要求，需要采用“中央平直线+两侧边缘圆弧过渡”的复合截面轮廓金刚石砂轮进行光学元件的磨削加工。
CN 105234821A、CN 102765058A分别公开了一种圆弧砂轮修整器，利用单点金刚石笔实现圆弧截面的修形，使用该修整器获得的砂轮截面轮廓为单一圆弧形状，在磨削平面光学元件时其圆弧轮廓会复印至元件表面而引入明显的小尺度波纹误差。此外，使用单点金刚石笔对金刚石砂轮进行修形时，两种超硬磨料相互作用容易导致金刚石笔磨损严重，同时金刚石砂轮表面的金刚石颗粒破损脱落，导致砂轮的磨削性能下降，不适合光学加工领域。
CN201510263137A公开了一种基于杯形工具球面包络的圆弧砂轮在线修整装置，可以实现非球面磨削圆弧金刚石砂轮的在线修整，使用该装置修整的砂轮截面轮廓为圆弧形状，在磨削平面元件时也会引入严重的小尺度波纹误差。
目前已公开的砂轮修整器及修整方法的专利中，基本都是实现单一的圆弧截面轮廓或直线截面轮廓修整。在大口径光学元件超精密加工过程中，为实现全口径低缺陷的控制工艺要求，需要获得“中央平直线+两侧边缘圆弧过渡”的复合式砂轮截面轮廓。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种光学加工平行金刚石砂轮中央平直线和两侧边缘圆弧过渡的复合截面轮廓的修整方法。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：光学加工平行金刚石砂轮复合截面轮廓的修整方法，该方法包括以下步骤：
1)将金刚石砂轮安装于超精密平面磨床主轴上，将修整器固定于超精密平面磨床工作台上，并调整修整器上的修整砂轮的旋转轴与超精密平面磨床竖向Y轴之间的平行度；
2)修整砂轮端面研磨修整金刚石砂轮的外圆面，同时金刚石砂轮沿机床X轴的方向作进给运动，去除金刚石砂轮的表面磨损钝化层，使金刚石砂轮外圆面获得满足元件加工工艺要求的圆周跳动精度及轴向平行度；
3)调整金刚石砂轮进给方向与超精密平面磨床X轴成下倾角度，继续修整加工，修整砂轮的端面研磨金刚石砂轮的两侧棱边为平滑圆弧，最终保证金刚石砂轮的两侧过渡圆弧高度大于加工元件时的每刀磨削深度，且金刚石砂轮的中央部分残留的平直段大于加工元件时的光栅式磨削间距。
进一步的，步骤1)所述的平行度是指：修整砂轮的旋转轴轴线与超精密平面磨床Y轴之间的夹角满足公式(1)：
其中：α为修整砂轮的旋转轴与超精密平面磨床竖向Y轴之间的角度；W为金刚石砂轮的宽度；ep为金刚石砂轮的轴向平行度误差。
进一步的，步骤2)所述的研磨修整的工艺参数为：金刚石砂轮的转速为400r/min～600r/min；修整砂轮(2)的转速为800r/min～1200r/min；修整进给速度为80mm/min～120mm/min；每刀修整深度为2μm～10μm。
进一步的，步骤2)所述的圆周跳动精度≤2μm，轴向平行度≤3μm。
进一步的，步骤3)所述金刚石砂轮进给方向与超精密平面磨床X轴的倾斜角度满足公式(2)：
其中：β为金刚石砂轮进给方向下倾角度；dp为金刚石砂轮的两侧过渡圆弧高度；rg为修整砂轮的半径；W为金刚石砂轮的宽度；L为修整后金刚石砂轮的中央残留直线段长度。
进一步的，所述的超精密平面磨床可实现横向X轴和竖向Y轴联动，所述的超精密平面磨床主轴旋转误差小于1μm。
进一步的，所述的修整器上的修整砂轮高速旋转端面跳动误差小于5μm。
本发明的有益效果是：采用杯形修整砂轮实现光学加工金刚石砂轮的修整，金刚石砂轮修形与修锐同时进行，可获得中央平直线与两侧边缘圆弧过渡的复合式截面轮廓，砂轮修整精度高；采用本发明的修整方法，可以准确获得中央直线段的宽度与两侧圆弧过渡的高度，有效避免磨削过程中砂轮棱边处造成的加工应力集中，降低元件的亚表面缺陷深度及不稳定性。
附图说明
图1是本发明复合式截面轮廓修整示意图。
图2是采用本发明方法修整后的平行金刚石砂轮展开三维形貌图。
图3是采用本发明方法修整后的平行金刚石砂轮轴向截面轮廓误差图。
图4是采用本发明方法修整后的平行金刚石砂轮圆周跳动误差图。
具体实施方式
本发明的光学加工平行金刚石砂轮复合截面轮廓的修整方法包括以下步骤：
1)如图1所示，将金刚石砂轮3安装于超精密平面磨床主轴上，将修整器1固定于超精密平面磨床工作台上，并调整修整器1上的修整砂轮2的旋转轴与超精密平面磨床竖向Y轴之间的平行度，修整砂轮2的旋转轴轴线与超精密平面磨床Y轴之间的夹角满足公式(1)；
其中：α为修整砂轮2的旋转轴与超精密平面磨床竖向Y轴之间的角度；W为金刚石砂轮3的宽度；ep为金刚石砂轮3的轴向平行度误差。
2)修整砂轮2端面研磨修整金刚石砂轮3的外圆面，同时金刚石砂轮3沿机床X轴的方向作进给运动，逐渐去除金刚石砂轮3的表面磨损钝化层，使金刚石砂轮3外圆面获得满足元件加工工艺要求的圆周跳动精度及轴向平行度；
3)调整金刚石砂轮3进给方向与超精密平面磨床X轴成一微小下倾角度，倾斜角度满足公式(2)；继续修整加工，此时修整砂轮2的端面研磨金刚石砂轮3的两侧棱边为平滑圆弧，最终保证金刚石砂轮3的两侧过渡圆弧高度大于加工元件时的每刀磨削深度，且金刚石砂轮3的中央部分残留的平直段大于加工元件时的光栅式磨削间距；
其中：β为金刚石砂轮3进给方向下倾角度；dp为金刚石砂轮3的两侧过渡圆弧高度；rg为修整砂轮2的半径；W为金刚石砂轮3的宽度；L为修整后金刚石砂轮3的中央残留直线段长度。
上述步骤2)所述的研磨修整的工艺参数为：金刚石砂轮3的转速为400r/min～600r/min；修整砂轮2的转速为800r/min～1200r/min；修整进给速度为80mm/min～120mm/min；每刀修整深度为2μm～10μm。
上述步骤2)所述的圆周跳动精度≤2μm，轴向平行度≤3μm。
上述光学加工平行金刚石砂轮复合截面轮廓修整方法中，超精密平面磨床可实现横向X轴和竖向Y轴联动，磨床主轴旋转误差小于1μm，修整器1上的修整砂轮2高速旋转端面跳动误差小于5μm。
实施例：
本实施例的修整对象为Φ400mm×20mm平行金刚石砂轮，粒度为1800#，结合剂为树脂。修整砂轮尺寸为Φ100mm×40mm，粒度为1500#，磨粒为绿色碳化硅(GC)。本实施例光学加工平行金刚石砂轮复合截面轮廓的修整方法的步骤如下：
1)将金刚石砂轮3安装于超精密平面磨床主轴上，将修整器2固定于超精密平面磨床工作台上，利用心棒和千分表调节修整器1上的修整砂轮2的旋转轴轴线与机床Y轴之间的平行度。为降低加工元件表面的小尺度波纹，金刚石砂轮3的轴向平行度需不大于3μm。因此，根据公式(1)计算得到修整砂轮2的旋转轴轴线与超精密平面磨床Y轴之间的夹角需不大于31″。本实施例中调节的修整砂轮2的旋转轴轴线与超精密平面磨床Y轴之间的夹角为25″；
2)进行对刀操作，按金刚石砂轮3的转速Nw＝500r/min、修整砂轮2的转速Nd＝1000r/min、每刀修整深度dp＝10μm、修整进给方向平行于X轴且进给速度v＝100mm/min的工艺，利用修整砂轮2端面对金刚石砂轮3外圆表面进行研磨修整。修整后测量金刚石砂轮3圆周跳动误差为1.5μm，轴向截面轮廓平行度为2.5μm，砂轮两侧棱边轮廓锋利；
3)本实施例中设计的金刚石砂轮3的两侧过渡圆弧高度为15μm，设计的金刚石砂轮3的中央残留直线段长度为12mm，按照公式(2)计算得到修整方向偏离X轴的角度为1.36°。修改超精密平面磨床数控程序参数，使修整进给方向沿X轴下倾1.36°，利用修整砂轮2端面对金刚石砂轮3两侧锋利棱边进行研磨修整。
修整完成后，测量金刚石砂轮3的外圆轮廓三维形貌，如图2所示。提取金刚石砂轮3不同相位处的轴向截面轮廓，如图3所示，两侧过渡圆弧高度约14μm，中央±6mm为残留的直线段部分，其平行度误差小于2μm。提取金刚石砂轮3不同轴向位置处的圆周跳动误差，如图4所示，-4mm、0mm、4mm处的圆周跳动误差均小于1.5μm。

Claims (7)

1.光学加工平行金刚石砂轮复合截面轮廓的修整方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)将金刚石砂轮(3)安装于超精密平面磨床主轴上，将修整器(1)固定于超精密平面磨床工作台上，并调整修整器(1)上的修整砂轮(2)的旋转轴与超精密平面磨床竖向Y轴之间的平行度；
2)修整砂轮(2)端面研磨修整金刚石砂轮(3)的外圆面，同时金刚石砂轮(3)沿机床X轴的方向作进给运动，去除金刚石砂轮(3)的表面磨损钝化层，使金刚石砂轮(3)外圆面获得满足元件加工工艺要求的圆周跳动精度及轴向平行度；
3)调整金刚石砂轮(3)进给方向与超精密平面磨床X轴成下倾角度，继续修整加工，修整砂轮(2)的端面研磨金刚石砂轮(3)的两侧棱边为平滑圆弧，最终保证金刚石砂轮(3)的两侧过渡圆弧高度大于加工元件时的每刀磨削深度，且金刚石砂轮(3)的中央部分残留的平直段大于加工元件时的光栅式磨削间距。
2.如权利要求1所述的光学加工平行金刚石砂轮复合截面轮廓的修整方法，其特征在于，步骤1)所述的平行度是指：修整砂轮(2)的旋转轴轴线与超精密平面磨床Y轴之间的夹角满足公式(1)：
其中：α为修整砂轮(2)的旋转轴与超精密平面磨床竖向Y轴之间的角度；W为金刚石砂轮(3)的宽度；ep为金刚石砂轮(3)的轴向平行度误差。
3.如权利要求1所述的光学加工平行金刚石砂轮复合截面轮廓的修整方法，其特征在于，步骤2)所述的研磨修整的工艺参数为：金刚石砂轮(3)的转速为400r/min～600r/min；修整砂轮(2)的转速为800r/min～1200r/min；修整进给速度为80mm/min～120mm/min；每刀修整深度为2μm～10μm。
4.如权利要求1所述的光学加工平行金刚石砂轮复合截面轮廓的修整方法，其特征在于，步骤2)所述的圆周跳动精度≤2μm，轴向平行度≤3μm。
5.如权利要求1所述的光学加工平行金刚石砂轮复合截面轮廓的修整方法，其特征在于，步骤3)所述金刚石砂轮(3)进给方向与超精密平面磨床X轴的倾斜角度满足公式(2)：
其中：β为金刚石砂轮(3)进给方向下倾角度；dp为金刚石砂轮(3)的两侧过渡圆弧高度；rg为修整砂轮(2)的半径；W为金刚石砂轮(3)的宽度；L为修整后金刚石砂轮(3)的中央残留直线段长度。
6.如权利要求1所述的光学加工平行金刚石砂轮复合截面轮廓的修整方法，其特征在于，所述的超精密平面磨床可实现横向X轴和竖向Y轴联动，所述的超精密平面磨床主轴旋转误差小于1μm。
7.如权利要求1所述的光学加工平行金刚石砂轮复合截面轮廓的修整方法，其特征在于，所述的修整器(1)上的修整砂轮(2)高速旋转端面跳动误差小于5μm。
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