CN107457413B - 一种光学零件球面研磨模的车削制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于数控加工技术领域，具体涉及一种在光学零件精磨工序中使用的高精度球面研磨模的车削制备方法。本发明提出的光学零件球面研磨模的车削制备方法，在精密车削加工中使用球面试车件进行数控车削精密对刀，并且在对研磨模的工作球面进行车削精修后，对工作球面的球面半径进行检测，根据检测结果进行反复车削精修，直至满足要求。该方法通过精密对刀以及根据检测结果进行调整，能够加工出满足光学精度要求的球面研磨模。

Description

一种光学零件球面研磨模的车削制备方法

技术领域

本发明属于数控加工技术领域，具体涉及一种在光学零件精磨工序中使用的高精度球面研磨模的车削制备方法。

背景技术

光学零件的传统加工需要使用大量模具，包括研磨模、抛光模、粘模等，工装系数通常在4以上。光学零件的一般加工流程为：粗磨、精磨、抛光和定心磨边。其中，精磨工序使用的研磨模的面形精度很大程度决定了光学零件最终的面形指标。精磨工序中研磨模的球面半径指标一般按光学样板B级要求。B级光学样板球面半径要求见表1。

表1B级光学样板球面半径允差表

球面半径R/mm

0.5～5

5～10

10～35

35～350

350～1000

1000～40000

半径允差(±)/mm

0.001

0.003

0.005

0.03

0.05

0.05R/1000

制备此精度的球面，通常使用范成法研磨，但该方法没有使用普通数控车床经济便捷。而常规数控车削的工艺方法，难以稳定达到此球面半径精度要求。因此，本发明基于常规精度的数控车床，进行一系列工艺改进，最终制备出满足B级光学样板球面半径精度要求的球面研磨模。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提出一种光学零件球面研磨模的车削制备方法，以解决如何基于常规数控车床制备出满足B级光学样板球面半径精度的光学零件研磨模的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出一种光学零件球面研磨模的车削制备方法，该车削制备方法包括如下步骤：

S1、使用球面试车件进行数控车削精密对刀；

S2、对研磨模的工作球面进行车削精修；

S3、对工作球面的球面半径进行检测，并根据检测结果进行反复车削精修，直至满足要求。

进一步地，步骤S1具体包括如下步骤：

S11、Y轴对刀：测量试车件车削中心出现的圆锥或圆柱的半径，对刀具在Y轴方向的位置进行调整，直至在试车件车削中心观察不到圆锥或圆柱；

S12、X轴对刀：检测过试车件球面旋转中心的圆弧，获得面形偏差图样与对刀偏差Δx值，根据面形偏差图样与对刀偏差Δx值，对刀具在X轴方向的位置进行调整，直至试车件的面形检测图样上观察不到明显的“W”形或“M”形；其中，Δx≈8×Pv×R/D，R为球面半径，D为球面口径，Pv值为加工球面面形偏差峰谷值；

S13、刀具圆弧半径标定：测量试车件的球面半径，得到刀具圆弧半径理论值与实际值的偏差，根据偏差对刀具圆弧半径值进行修正。

进一步地，试车件的R/D值小于待加工的研磨模的工作球面的R/D值。

进一步地，试车件的R/D值为0.8。

进一步地，步骤S3具体包括如下步骤：

S31、使用具有工作球面的球面半径值的A级光学样板作为半径值的检测基准；

S32、分别测量A级光学样板和工作球面的球面矢量高度，根据球面矢量高度的偏差，对刀具X轴偏差、刀具圆弧半径和加工球面半径R进行修正。

进一步地，在工作球面的圆弧顶点、圆弧中部和圆弧边缘三个位置分别进行测量。

进一步地，在步骤S1之前，依次进行下料、粗成形、第一次消应力退火、精成形和第二次消应力退火五个步骤。

(三)有益效果

本发明提出的光学零件球面研磨模的车削制备方法，在精密车削加工中使用球面试车件进行数控车削精密对刀，并且在对研磨模的工作球面进行车削精修后，对工作球面的球面半径进行检测，根据检测结果进行反复车削精修，直至满足要求。该方法通过精密对刀以及根据检测结果进行调整，能够加工出满足光学精度要求的球面研磨模。

附图说明

图1为本发明实施例球面研磨模车削制备方法流程图；

图2为本发明实施例工作球面研磨模示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本实施例提出一种光学零件球面研磨模的车削制备方法，具体实施条件如下：

(1)加工设备：大连机床出产的CL20A数控车床，X轴定位精度0.016mm，Z轴定位精度0.020mm，X轴重复定位精度0.007mm，Z轴重复定位精度0.010mm，主轴转速45～4500rpm。金属下料机和高温试验箱。

(2)加工刀具：35°尖刀、80°内孔刀等。

(3)常加工的材料：45#钢和H62黄铜。

(4)环境控制要求：温度范围15～25℃，湿度30％～70％。

(5)仪器与量具：TalysurfPGI式轮廓仪、杠杆千分表、测量环、0-10mm千分表、游标卡尺、6X放大镜、光学样板、读数显微镜等。常用测量环尺寸有(内口口径/外口口径，单位mm)：5/8、8/12、12/16、16/20、20/25、25/32、32/40、40/50、50/60、60/70、70/80、80/90、90/100。

本实施例的车削制备方法包括下料、粗成形、第一次消应力退火、精成形、第二次消应力退火和精修球面六个步骤流程如图1所示。

(1)下料：使用金属下料机，对金属棒料按所需尺寸切片下料。

(2)粗成形：使用数控车床，先车削制备螺纹接口，车削模具非工作面。然后掉头，用螺纹胎具装卡找正，粗车工作面，一般要求完成仿形车削。对于凹球面粗成形，采用编制宏程序优化数控车削路径方法。一般给后面工序留量大于5mm。

具体到本实施例，粗成形步骤包括：反爪装卡，打螺纹底孔MΦ20mm×16mm，平端面，车外螺纹接头轮廓d1Φ36mm，车辅助球面rSR90mm，车工装口径dΦ134mm，车螺纹MM24-6H以及退刀槽4mm×Φ28mm。掉头使用螺纹胎具装卡找正，平端面到50.09mm，以Φ130mm为限定粗车工作球面RSR95.28mm。

(3)第一次消应力退火：使用高温试验箱，按照相应材料的消应力退火工艺执行。45#钢消应力退火温度范围450℃-600℃，H62黄铜消退火温度范围270℃-300℃。退火保温时长根据零件大小选择，通常，较小的取2h，较大的取4h。

具体到本实施例，原料为45#钢Φ140mm×60mm棒料，在500℃下保温4h后，自然冷却。

(4)精成形：使用数控车床的球面车削程序，修整模具工作球面，并车削所需沟槽。一般留余量在2mm左右。

(5)第二次消应力退火：使用高温试验箱，本次消应力退火需尽可能地将之前引入的加工应力去除。仍基本按照相应材料的消应力退火工艺执行，但高温点上的保温时间需增加到上一次消应力退火的1.5倍。

具体到本实施例，在500℃下保温6h后，自然冷却。

(6)精修球面：使用数控车床，先使用试车件完成精密对刀，然后车削精修模具工作球面。完成车削后，按球面半径精密检测与反馈方法，反复修整，直至满足要求。具体包括：

S1、使用球面试车件进行数控车削精密对刀；其中具体包括：

S11、Y轴对刀：如刀具在Y轴上偏高，车削中心会出现圆锥，偏低，会出现圆柱。使用游标卡尺或读数显微镜，测量试车件车削中心出现的圆锥或圆柱的半径，对刀具在Y轴方向的位置进行调整，直至在6X显微镜下，在试车件车削中心观察不到圆锥或圆柱；

S12、X轴对刀：如出现对刀偏差Δx，球面面形会出现“W”形或“M”形，对于凸球面，刀具X轴上过心为“M”形，未达到中心则为“W”形。使用Talysurf式轮廓仪检测过试车件球面旋转中心的圆弧，获得面形偏差图样与对刀偏差Δx值，根据面形偏差图样与对刀偏差Δx值，对刀具在X轴方向的位置进行调整，直至试车件的面形检测图样上观察不到明显的“W”形或“M”形；其中，根据经验公式Δx≈8×Pv×R/D，R为球面半径，D为球面口径，Pv值为加工球面面形偏差峰谷值。加工球面的R/D值越小，其面形偏差Pv值对于对刀偏差Δx的响应度越高。因此，试车件的R/D值最好小于待加工的研磨模的工作球面的R/D值，考虑到实际的圆弧刀具刀尖包角，以及加工效率，常用的对刀试车件设计为R/D值为0.8，口径为60mm，凸球面凹球面皆可。一般满足要求时，Pv值都优于2μm。Talysurf式轮廓仪检测圆弧面形偏差的不确定度优于0.2μm，球面半径不确定度优于1μm。

S13、刀具圆弧半径标定：试车件完成Y轴和X轴对刀后，继续试车球面，获得满足面形偏差要求的球面后，使用Talysurf式轮廓仪测量试车件的球面半径，得到刀具圆弧半径理论值与实际值的偏差，根据偏差对刀具圆弧半径值进行修正，输入机床刀具数据库中。刀具半径的标定误差要在微米量级。

S2、对研磨模的工作球面进行车削精修；

S3、工作球面研磨模车削精修加工后，球面表面带有宽度和深度在1mm～5mm范围内均匀分布的环槽。使用Talysurf触针式轮廓仪难以直接检测研磨模的球面面形。因此，需要对工作球面的球面半径进行检测，并根据检测结果进行反复车削精修，直至满足要求。其中具体包括：

S31、使用测量环和0-10mm的千分表组成简易球径仪，同时使用具有工作球面的球面半径值的A级光学样板作为半径值的检测基准，A级光学样板球面半径要求见表2。

表2A级光学样板球面半径允差表

球面半径R/mm

0.5～5

5～10

10～35

35～350

350～1000

1000～40000

半径允差(±)/mm

0.005

0.001

0.002

0.02

0.03

0.03R/1000

S32、如加工球面与基准样板存在偏差，则进一步对刀具X轴偏差、刀具圆弧半径值(刀具数据库中)、加工半径值R(数控程序中)三个参数进行修正。如图2所示，简易球径仪在测量时直接获得的是球面矢量高度值H1(简称矢高)。先使用简易球径仪测量A级光学样板矢高(球面矢高H1的标准值)，标为零点，在加工球面上的矢高相对零点的值设为H。一般测量在加工球面上选取三个位置进行测量，圆弧顶点、圆弧中部和圆弧边缘。圆弧顶点矢高测量值设为a，圆弧中部矢高测量值设为b，圆弧边缘矢高测量值设为c。

对于凹球面，

a＝b＝c时，刀具X轴偏差和刀具圆弧半径值为理想状态；

a<b<c时，刀具X轴偏差应向正方向调整；

a>b>c时，刀具X轴偏差应向负方向调整；

a<b>c且a＝c时，刀具圆弧半径值应增大；

a>b<c且a＝c时，刀具圆弧半径值应减小。

H<0时，加工半径值R的设定应增大；

H>0时，加工半径值R的设定应减小；

H＝0时，为理想状态。

对于凸球面，上述凹球面适用的规律则反之使用。

一般来说，光学零件要求球面面形低圈，对于模具制造来讲，凹球面球面半径要大于理论值，凸球面半径要小于理论值。具体到加工中简易球径仪获得的矢高相对值上，要最终调整到H>0，常用的公差带为

具体到本实施例，精修球面并根据检测结果进行反复车削精修的步骤为：精车削工作球面RSR95.28mm球面到尺寸。然后根据球面半径精密检测与反馈方法，修整模具。按几何关系计算，工作球面RSR95.28mm的H值检测值应在光学样板零位的0～0.011mm。实际操作中，考虑到刀具轮廓度偏差、A级样板球面半径偏差以及千分表的检测精度，设定为0.003～0.008mm。相对矢高检测满足a＝b＝c，且H在0.003～0.008mm，即完成球面精修。

(7)结束：加工结束后，即可满足使用需求。可根据需要，补充刻字及包装入库的工艺要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种光学零件球面研磨模的车削制备方法，其特征在于，所述车削制备方法包括如下步骤：

S1、使用球面试车件进行数控车削精密对刀；

S2、对所述研磨模的工作球面进行车削精修；

S3、对所述工作球面的球面半径进行检测，并根据检测结果进行反复车削精修，直至满足要求；其中，

所述步骤S1具体包括如下步骤：

S11、Y轴对刀：测量试车件车削中心出现的圆锥或圆柱的半径，对刀具在Y轴方向的位置进行调整，直至在所述试车件车削中心观察不到圆锥或圆柱；

S12、X轴对刀：检测过所述试车件球面旋转中心的圆弧，获得面形偏差图样与对刀偏差Δx值，根据所述面形偏差图样与对刀偏差Δx值，对刀具在X轴方向的位置进行调整，直至所述试车件的面形检测图样上观察不到明显的“W”形或“M”形；其中，Δx≈8×Pv×R/D，R为球面半径，D为球面口径，Pv值为加工球面面形偏差峰谷值；

S13、刀具圆弧半径标定：测量所述试车件的球面半径，得到所述刀具圆弧半径理论值与实际值的偏差，根据所述偏差对所述刀具圆弧半径值进行修正。

2.如权利要求1所述的车削制备方法，其特征在于，所述试车件的R/D值小于待加工的所述研磨模的工作球面的R/D值。

3.如权利要求2所述的车削制备方法，其特征在于，所述试车件的R/D值为0.8。

4.如权利要求1所述的车削制备方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括如下步骤：

S31、使用具有所述工作球面的球面半径值的A级光学样板作为半径值的检测基准；

S32、分别测量所述A级光学样板和所述工作球面的球面矢量高度，根据球面矢量高度的偏差，对刀具X轴偏差、刀具圆弧半径和加工球面半径R进行修正。

5.如权利要求4所述的车削制备方法，其特征在于，在所述工作球面的圆弧顶点、圆弧中部和圆弧边缘三个位置分别进行测量。

6.如权利要求1所述的车削制备方法，其特征在于，在所述步骤S1之前，依次进行下料、粗成形、第一次消应力退火、精成形和第二次消应力退火五个步骤。