CN108202147A - 一种带有中心孔的折衍混合表面反射镜车削加工方法 - Google Patents

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李伟皓
杨坤
王朋
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Abstract

本发明公开了一种带有中心孔的折衍混合表面反射镜车削加工方法，包括下料、镜坯成形、消应力退火、粗车镜面、消应力退火、精密对刀、精车镜面、清洗与包装等步骤。本发明通过各个加工步骤的精密配合，实现了对带有中心孔的折衍混合表面有色金属反射镜的超精密车削加工，加工精度高，易于实现，操作效率高。

Description

一种带有中心孔的折衍混合表面反射镜车削加工方法
技术领域
本发明属于光学元件加工技术领域，涉及一种带有中心孔的折衍混合表面反射镜车削加工方法。
背景技术
在如图1所示的卡式结构光学系统中，使用的主反射镜都需要带有中心孔。随着对光学系统小型化、智能化、灵巧化、无热化、轻量化等要求的逐步提高，小型卡式结构的主反射镜开始采用如图2所示的轴对称折衍混合表面。常规轴对称折衍混合表面分为基底和衍射结构两部分，基底为球面或者轴对称高次曲线，衍射结构包含衍射环带横向分布、衍射环带深度、衍射结构面形等因素，对其加工需使用特定的单晶金刚石刀具。光学面形检测技术的现状是：带有中心孔的二次曲面可使用干涉方法检测；而带有中心孔的轴对称高次非球面和轴对称折衍混合表面，目前仅可在实验室阶段花费很大的代价来实现亚微米精度的面形检测，仍难满足光学成像所需。加工折衍混合表面反射镜，须在工艺方法上严格控制，才能在加工表面面形无法检测的情况下，满足最终镜头成像所需。
使用超精密车削加工有色金属反射镜的加工工艺现已基本成熟。使用超精密车削法加工此类反射镜，存在对刀精度控制、消应力处理、表面疵病指标控制三方面工艺难点。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：提供一种超精密车削加工方法，解决上述工艺问题，最终能够制备出满足当前红外光学系统需要的折衍混合表面有色金属反射镜。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种带有中心孔的折衍混合表面反射镜车削加工方法，其包括以下步骤：
步骤一：下料
对金属棒料按预设尺寸切片下料；
步骤二：镜坯成形
按设计图纸进行反射镜镜坯成形加工，留出反射镜精密车削的光学表面厚度加工余量；
步骤三：消应力退火
对所成形镜坯执行消应力退火工艺；
步骤四：粗车镜面
按照预设的基底的形状和尺寸，对镜坯的光学表面厚度加工余量进行去除，去除到零件最终所需厚度的上差值在±0.02mm范围内；
步骤五：消应力退火
对粗车后的反射镜执行消应力退火工艺；
步骤六：精密对刀
车削折衍混合表面使用专用刀具，所述专用刀具为：刀具圆弧包角不小于50°，刀具圆弧轮廓度须优于300nm，刀具圆弧半径选择范围0.1～0.2mm，0°前角，10°后角；车削折衍混合表面前，将专用刀具安装在加工机床上，用于车削球面及非球面基底，专用刀具与加工机床之间的安装需满足：对刀偏差Δx值与加工表面Pv值的关系式为Δx≈2×Pv×R/D，R为球面半径或非球面的近似球面半径，D为光学表面口径；
步骤七：精车镜面
使用专用刀具进行镜面的基底成形、折衍混合表面车削；
步骤八：清洗与包装
对完成折衍混合表面车削的反射镜进行酒精喷洗，喷洗完成后使用无纺布进行第一层包装，使用脱脂纱布进行第二层包装，然后进行外部包装。
其中，所述步骤二中，光学表面厚度加工余量由折衍混合表面的基底决定，反射镜口径较大则需在厚度上留取较大的余量；如果是球面基底，加工余量为0.2～0.5mm；如果是非球面基底，计算该基底的非球面度，若非球面度为负，加工余量为0.2～0.5mm；若非球面度为正，按反射镜口径情况选定的加工余量再增加0.2～0.5mm，其和作为该非球面基底所需的加工余量。
其中，所述步骤三中，消应力退火条件为：温度为180℃～200℃，时间2h-4h。
其中，所述步骤五中，消应力退火条件为：温度为180℃～200℃，时间6h-8h。
其中，所述步骤六中，专用刀具与加工车床之间进行调整对刀时，选用试车表面为球面的试车件，试车件的R/D值小于零件待车削表面的R/D值；试车件的面形与零件面形相同；试车件的口径与零件口径不同，试车件的口径取10～20mm；
对刀过程为：首先在高度上对刀，对刀之后在球面试车件上先行验证，完成指标为在100×显微镜下观察不到车削中心残留；其后开展X方向上对刀，完成要求为：试车件试车面形不能观察到因对刀误差引入的“W”形或“M”形，用数字化指标界定为Pv值与刀具轮廓度接近，即面形分析短波截止频率设定在0.8mm时，测试面形整体Pv值须优于0.3μm。
其中，所述步骤八中，所述酒精清洗的过程为：完成车削加工的零件保持在加工机床上，主启动加工机床主轴转速提升到3000rpm，使零件高速旋转，同时在零件已加工表面连续喷射无水酒精，无水酒精喷射位置处于零件中心孔边缘，喷射距离在15-25cm。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的，通过各个加工步骤的精密配合，实现了对带有中心孔的折衍混合表面有色金属反射镜的超精密车削加工，加工精度高，易于实现，操作效率高。
附图说明
图1为现有技术中卡式光学系统结构示意图；
图2为现有技术中折衍混合表面示意图；
图3为本发明实施例方法的流程图。
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。
折衍混合表面反射镜的加工过程通常为：使用普通机械加工方式加工镜坯，然后，在镜坯的基础上，使用超精密车削加工折衍混合表面。为解决对刀精度控制、消应力处理、表面疵病指标控制三方面工艺难点，本实施例相应对精密对刀方法、消应力处理方法、清洁包装方法做出了改进。
本发明实施例车削加工方法的实施条件如下：
加工设备
镜坯成形使用普通车床、数控车床或数控加工中心。光学表面加工使用超精密数控车床，加工表面面形精度须达到微米级，表面粗糙度须达到纳米级。机床的跟随误差越小，加工出的表面质量越好。消应力退火使用高温试验箱。下料使用金属下料机。
加工刀具
镜坯成形使用普通车刀。整个加工光学表面过程均使用单晶金刚石刀具。车削基底，刀具要求为：圆弧轮廓度须优于300nm，刀具圆弧半径选择范围0.5～1mm，0°前角，10°后角。车削最终的轴对称折衍混合表面，使用刀具要求为：刀具圆弧包角不小于50°，刀具圆弧轮廓度须优于300nm，刀具圆弧半径选择范围0.1～0.2mm，0°前角，10°后角。
常加工的有色金属：7A04铝合金、2A12铝合金、6061铝合金、黄铜、紫铜。
环境控制要求：温度范围17～23℃，温度变化速率低于1℃/h；湿度30％～70％。
仪器与量具：中心测厚仪、Talysurf PGI式轮廓仪、杠杆千分表、游标卡尺、放大镜等。
本发明实施例车削加工方法的加工流程如图3所示，包括以下步骤：
步骤一：下料
对金属棒料按所需尺寸切片下料。
使用设备：金属下料机。
步骤二：镜坯成形
按图纸依照常规机械加工工艺基本完成反射镜的加工，仅留出最终需要超精密车削的表面。厚度加工余量的选取，主要由折衍混合表面的基底决定，反射镜口径较大则需在厚度上留取较大的余量。如采用的是球面基底，考虑到常规机械的面形、形位等指标的加工精度，为使整个镜面完成精加工，加工余量直接需在0.2～0.5mm内选取。如采用的是非球面基底，则需对该基底的非球面度进行计算，如非球面度为负，则直接在0.2～0.5mm内选取；如非球面度为正，则需要在非球面计算值的基础上，按反射镜口径情况加上0.2～0.5mm，其和作为该非球面基底所需的加工余量。
使用设备：普通车床、数控车床或数控加工中心。
步骤三：消应力退火
按照相应有色金属材料的消应力退火工艺执行，退火条件：温度为180℃～200℃，时间2h-4h。
使用设备：高温试验箱。
步骤四：粗车镜面
按照基底的曲线方程，对镜坯在光学表面上加工余量进行去除。去除到零件最终所需厚度的上差值在±0.02mm范围内。使用常规粗对刀方法即可保证粗车所需面形精度。使用刀具仅有加工基底所需的圆弧刀。主轴转速800～1500rpm，进给速度10～20mm/min，背吃刀量0.05～0.2mm。
使用设备：超精密数控车床。
步骤五：消应力退火
本次消应力退火需尽可能地将之前引入的加工应力去除。仍基本按照相应有色金属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为原来的1.5～2倍，即退火条件：温度为180℃～200℃，时间6h-8h。
使用设备：高温试验箱。
步骤六：精密对刀
车削折衍混合表面需在机床上增设专用刀具。该刀具的对刀调整除使用常规对刀仪粗调整外，还需要使用对刀试车件进一步精密调整。此类零件的对刀试车件在设计和使用上有特定的要求。而车削球面及非球面基底，对刀偏差Δx值与加工表面Pv值的关系式为Δx≈2×Pv×R/D，R为球面半径或非球面的近似球面半径，D为光学表面口径。可见，零件的R/D值决定了对刀调整地敏感度，R/D值越小，敏感度越高。由此，在调整车削折衍混合刀具对刀的时候，所用的试车件试车表面为球面即可，但其R/D值必须要小于零件待车削表面的R/D值；试车件的面形为凸或凹要与零件面形相同；而试车件的口径D不需要与零件相同，综合加工效率和Talysurf PGI式轮廓仪检测的便捷准确，D通常取10～20mm。刀具在高度上的精确对刀，需要在球面试车件上先行验证，完成指标为在100×显微镜下观察不到车削中心残留。其后，开展X方向上精密对刀，完成要求为：试车件试车面形Talysurf PGI式轮廓仪检测曲线上不能观察到因对刀误差引入的“W”形或“M”形，用数字化指标界定为Pv值与刀具轮廓度接近，即面形分析短波截止频率设定在0.8mm时，测试面形整体Pv值须优于0.3μm。
使用设备：超精密数控车床。
步骤七：精车镜面
精车镜面包含基底成形、以及车削折衍混合表面。按照前道粗车镜面加工方法车削基底，使用杠杆千分表控制端跳和径跳小于0.02mm，去除量控制在0.01～0.04mm，确保整个表面都被车削到。折衍混合表面的常用表达式如下所示
其中，m＝1，2，3... (1)
表达式分为两部分，基底项以及衍射结构项。基底项是球面或非球面，都采用常规的非球面表达式。衍射结构项中，λ0为零件透镜使用波长，n0为该光学材料在使用波长上的折射率，如λ衍射面为反射面，n0＝-1。为衍射面的台阶高度。
使用数控机床进行加工时，需要编制加工点列，此时，对于台阶高度系数，反射镜应选择no factor，有时候生成的衍射环带数与图纸给出的为倍数关系，则需要将nofactor项改为乘/除倍率选项，并更改相应的倍数关系。C1、C2、C3、C4...为衍射面系数，有时候也用Z2、Z4、Z6、Z8...表示，其和C1、C2、C3、C4...的对应关系为，ZN＝CN/2/λ0，N＝2，4，6...。设计图纸上通常会给出衍射中心环带为凸还是凹，以及环带发生位置表，编程过程中须对两者进行核对。将零件面形参数输入到CAM软件中，设置主轴旋转方向、刀具进给方向、刀具半径等车削工艺参数后，须对刀具车削过程进行仿真，观察刀具在车削过程中出现的车削阴影情况以及刀具干涉情况，调整刀具摆放角度、主轴旋转方向以及刀具进给方向，继续仿真和调整，直至在车削仿真中刀具无干涉和出现车削阴影面积最小。然后，根据调整好的各个参数在CAM软件中生成加工点列，点列密度0.01mm～0.02mm。更换经过精密对刀的刀具依照编制的车削点列在完成基底成形的零件(零件须仍装卡在机床上)上直接一次性加工最终的折衍混合表面，主轴转速1000～1500rpm，进给速度2～5mm，背吃刀量2～5μm。须持续向车削的刀具位置处施加切削液，以减少积屑瘤的产生。确保排屑装置在车削过程中持续工作，吹气排屑方式要将气管口指向未切削表面，吸气排屑方式要尽可能将吸气口对准切削位置。
步骤八：清洗与包装
零件完成折衍混合表面车削后，仍要保持在机床上的装卡状态，将主轴转速提升到3000rpm，使用装有无水酒精的喷壶对高速旋转的已加工表面连续高速喷射约20ml无水酒精，利用高速旋转的离心力清除微小切屑。喷射位置应处于零件中心孔边缘，喷射距离应在20cm左右以保证安全。喷射清洗时，主轴旋转面上要做好遮挡，清洗过程中不能有人员位于此平面上。完成喷射清洗后，停止主轴旋转，将零件从主轴上拆卸，拆卸过程中要佩戴一次性橡胶手套以防止手上的油脂污染车削表面。零件拆卸后，使用高纯高压氮气对车削表面残留的微小尘屑进一步清除。在60W白炽灯下使用6X显微镜查看加工表面，观察不到尘屑则判定为完成清洁。因有色金属材料质地较软，普通包装方法易引起加工表面划伤。因此，要使用无纺布进行第一层包装，使用脱脂纱布进行第二层包装，然后才可使用常规的包装方法。
由上述技术方案可以看出，本发明通过各个加工步骤的精密配合，实现了对带有中心孔的折衍混合表面有色金属反射镜的超精密车削加工，加工精度高，易于实现，操作效率高。
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)

1.一种带有中心孔的折衍混合表面反射镜车削加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：下料
对金属棒料按预设尺寸切片下料；
步骤二：镜坯成形
按设计图纸进行反射镜镜坯成形加工，留出反射镜精密车削的光学表面厚度加工余量；
步骤三：消应力退火
对所成形镜坯执行消应力退火工艺；
步骤四：粗车镜面
按照预设的基底的形状和尺寸，对镜坯的光学表面厚度加工余量进行去除，去除到零件最终所需厚度的上差值在±0.02mm范围内；
步骤五：消应力退火
对粗车后的反射镜执行消应力退火工艺；
步骤六：精密对刀
车削折衍混合表面使用专用刀具，所述专用刀具为：刀具圆弧包角不小于50°，刀具圆弧轮廓度须优于300nm，刀具圆弧半径选择范围0.1～0.2mm，0°前角，10°后角；车削折衍混合表面前，将专用刀具安装在加工机床上，用于车削球面及非球面基底，专用刀具与加工机床之间的安装需满足：对刀偏差Δx值与加工表面Pv值的关系式为Δx≈2×Pv×R/D，R为球面半径或非球面的近似球面半径，D为光学表面口径；
步骤七：精车镜面
使用专用刀具进行镜面的基底成形、折衍混合表面车削；
步骤八：清洗与包装
对完成折衍混合表面车削的反射镜进行酒精喷洗，喷洗完成后使用无纺布进行第一层包装，使用脱脂纱布进行第二层包装，然后进行外部包装。
2.如权利要求1所述的带有中心孔的折衍混合表面反射镜车削加工方法，其特征在于，所述步骤二中，光学表面厚度加工余量由折衍混合表面的基底决定，反射镜口径较大则需在厚度上留取较大的余量；如果是球面基底，加工余量为0.2～0.5mm；如果是非球面基底，计算该基底的非球面度，若非球面度为负，加工余量为0.2～0.5mm；若非球面度为正，按反射镜口径情况选定的加工余量再增加0.2～0.5mm，其和作为该非球面基底所需的加工余量。
3.如权利要求1所述的带有中心孔的折衍混合表面反射镜车削加工方法，其特征在于，所述步骤三中，消应力退火条件为：温度为180℃～200℃，时间2h-4h。
4.如权利要求3所述的带有中心孔的折衍混合表面反射镜车削加工方法，其特征在于，所述步骤五中，消应力退火条件为：温度为180℃～200℃，时间6h-8h。
5.如权利要求1所述的带有中心孔的折衍混合表面反射镜车削加工方法，其特征在于，所述步骤六中，专用刀具与加工车床之间进行调整对刀时，选用试车表面为球面的试车件，试车件的R/D值小于零件待车削表面的R/D值；试车件的面形与零件面形相同；试车件的口径与零件口径不同，试车件的口径取10～20mm；
对刀过程为：首先在高度上对刀，对刀之后在球面试车件上先行验证，完成指标为在100×显微镜下观察不到车削中心残留；其后开展X方向上对刀，完成要求为：试车件试车面形不能观察到因对刀误差引入的“W”形或“M”形，用数字化指标界定为Pv值与刀具轮廓度接近，即面形分析短波截止频率设定在0.8mm时，测试面形整体Pv值须优于0.3μm。
6.如权利要求1所述的带有中心孔的折衍混合表面反射镜车削加工方法，其特征在于，所述步骤八中，所述酒精清洗的过程为：完成车削加工的零件保持在加工机床上，主启动加工机床主轴转速提升到3000rpm，使零件高速旋转，同时在零件已加工表面连续喷射无水酒精，无水酒精喷射位置处于零件中心孔边缘，喷射距离在15-25cm。
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