CN108747603A - 非回转光学阵列的粗精集成递进磨削方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非回转光学阵列的粗精集成递进磨削方法，包括步骤1分别设计和制作精密结构化粗磨金刚石砂轮、精密结构化超细金刚石砂轮的结构轮廓和分隔板的结构：步骤2依次将步骤1中精密结构化粗磨金刚石砂轮、分隔板和精密结构化超细金刚石砂轮安装在机床主轴上；将加工工件固定在机床工作台上；步骤3砂轮在位修形：步骤4仿形粗磨：采用仿形磨削法，利用精密结构化粗磨金刚石砂轮进行粗磨；步骤5相切轨迹递进精密：沿着递进磨削轨迹，利用精密结构化细粒度或超细粒度金刚石砂轮对工件表面进行递进磨削，通过一个磨削循环高效完成整个微结构阵列表面轮廓的半精加工和精加工。

Description

非回转光学阵列的粗精集成递进磨削方法

技术领域

本发明涉及到非回转光学阵列的磨削方法，具体涉及一种非回转光学阵列的粗精集成递进磨削方法。

背景技术

非回转光学阵列作为微结构表面其中的一类，相对于其他微结构，有着更为复杂的面形结构，常被作为现代光学和通信领域的关键部件，非回转光学阵列光学元件可以大大简化系统的构成，非回转光学阵列的加工精度往往较高，阵列结构的单元间距一般在毫米或微米级，面形精度和表面粗糙度要求分别在亚微米级和纳米级，相比于传统的回转光学阵列，非回转光学阵列零件的精度更难保证。但由于超精密磨削是目前针对非回转光学阵列表面精密加工最为行之有效的手段，其主要的实现形式是在超精密机床上采用微小磨具进行超精密磨削加工。但存在的主要问题是金刚石砂轮与工件均为单点接触，当进给步长低至数微米时，加工效率非常低；微细砂轮轮廓尖端磨损快，为满足形状精度要求需要多次插入砂轮修整循环，大大降低加工效率。

发明内容

本发明的目的就是针对传统的单片砂轮单点接触磨削效率低，轮廓尖端磨损快的问题，提出一种非回转光学阵列的粗精集成递进磨削方法。本发明将半精加工和精加工整合起来，可以在工件表面上加工出高形状精度的非回转光学阵列，非回转光学阵列可表现为V型槽阵列、微圆弧槽阵列、微金字塔阵列等，可以用于陶瓷、玻璃、硬质合金等硬脆性材料。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种非回转光学阵列的粗精集成递进磨削方法，包括以下步骤：

步骤1粗精集成砂轮设计与修整：分别设计和修整精密结构化粗磨金刚石砂轮、精密结构化超细金刚石砂轮的结构轮廓和分隔板的结构：

步骤2砂轮与工件的固定与安装：依次将步骤1中精密结构化粗磨金刚石砂轮和、分隔板和精密结构化超细金刚石砂轮安装在机床主轴上；将加工工件固定在机床工作台上；

步骤3砂轮在位修形：采用接触或非接触式修整方法在位精密修整两种砂轮的结构阵列的轮廓，保证粗磨和精磨砂轮及其表面微细结构的固定位置关系；

步骤4仿形粗磨：采用仿形磨削法，利用精密结构化粗磨金刚石砂轮进行粗磨，去除工件的大部分体积，减小精密结构化细粒度或超细粒度金刚石砂轮磨削余量，减小砂轮磨损，从而保证最终精密磨削精度。

步骤5相切轨迹递进精密：沿着递进磨削轨迹，即按照砂轮的最后一个微细结构单元与工件最终轮廓保持相切的运动轨迹，利用精密结构化细粒度或超细粒度金刚石砂轮对工件表面进行递进磨削，通过一个磨削循环高效完成整个微结构阵列表面轮廓的半精加工和精加工。

进一步的，步骤1中所设计的仿形粗磨削用精密结构化粗粒度金刚石砂轮的各个结构单元轮廓一致，根据选定的精密磨削余量设计砂轮微结构单元轮廓；相切轨迹精密磨削用细粒度或超细粒度微细结构金刚石砂轮需按精密磨削余量以及精密磨削切深设计多个高度渐变的砂轮微细结构单元轮廓；分隔板的厚度应大于微结构阵列工件的在砂轮轴向方向的宽度。

进一步的，步骤1中所述的精密结构化粗磨金刚石砂轮、精密结构化超细金刚石砂轮的修整装置：包括支架、Z轴进给机构、喷嘴、摩擦轮和控制系统；其中，所述的支架安装在砂轮罩上，所述Z轴进给机构安装在支架上，所述喷嘴由Z轴进给机构驱动；所述的摩擦轮安装在砂轮下侧，由步进电机驱动摩擦轮旋转；所述控制系统与Z轴进给机构、步进电机相连。

进一步的，所述Z轴进给机构，包括用于使水射流喷嘴沿砂轮表面进给的直线电机。

进一步的，步骤1中所述的精密结构化粗磨金刚石砂轮、精密结构化超细金刚石砂轮的加工方法，调整磨料水射流喷嘴使射流束径向垂直于金刚石砂轮工作表面，通过控制修整装置，实现射流束与砂轮的相对运动，在砂轮表面加工出所述的砂轮微结构单元轮廓。

进一步的，所述的砂轮是设计半精加工和精加工用的两种粒度砂轮。

进一步的，所述的砂轮阵列单元轮廓与工件轮廓谷底无过切。

进一步的，所述的工件阵列轮廓为V型、曲线型或其他形状。

本发明的有益技术效果如下：

(1)通过磨料水射流对砂轮表面的微结构加工，解决了机械修整方法的修整工具易磨损，激光和微细电火花修整法对砂轮表面造成热损伤等问题，能够实现修整砂轮阵列轮廓精度高，砂轮表面磨粒突出高度大，修整工具无磨损。

(2)通过主动控制喷嘴与砂轮表面的相对运动，可以实现多种砂轮表面微结构的创成，还可提高砂轮的磨削性能，改善工件表面和亚表面质量，提高磨削精度。

(3)砂轮匀速旋转、精密控制喷嘴运动的驻留时间可以主动控制砂轮表面微细结构阵列的精密截面轮廓形状，该类精密砂轮阵列结构可用于实现具有周期性阵列结构的精密零件(如齿轮和具有阵列结构的光学零件工件表面的)的高精度轮廓磨削。

(3)本发明采用的在位砂轮修整方法可避免定制复杂形状的超硬磨料砂轮，大大降低加工工具的成本；可快速响应各类复杂曲面阵列的加工需求，大大缩短新产品开发周期。

(4)本发明突破了传统的非回转光学阵列的加工工序，以两种不同粒度的一体化砂轮作为加工工具，以硬脆难加工材料为加工对象。这种磨削方法减小了砂轮精密结构化超细金刚石砂轮的磨损，提高了加工精度；使用一体化砂轮，采用粗精集成磨削方法，成倍缩短阵列加工所需的磨削加工循环次数，避免了不同工序更换粗细粒度砂轮所需的换刀时间和重新对刀的操作，减少砂轮修整次数，可大幅提高加工效率；可以用于陶瓷、玻璃、硬质合金等硬脆性材料。本发明一定程度上解决了非回转光学阵列磨削效率低，砂轮更换频繁等一系列难题，实现了基于精密结构化砂轮的非回转光学阵列的高效高质量磨削加工。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为砂轮阵列轮廓的磨料水射流修整装置示意图；

图2为砂轮阵列轮廓的磨料水射流修整原理示意图；

图3为砂轮表面的多种微细结构图及对应的砂轮与工件相互运动关系；

图4为具体实施例中，磨料水射流修整后的砂轮阵列轮廓形貌；

图5、图6为本发明非回转光学阵列的粗磨阶段示意图；

图7为图6的精密结构化超细金刚石砂轮局部放大图A；

图8为图6的精密结构化粗磨金刚石砂轮局部放大图B。

图9为本发明非回转光学阵列的精磨阶段示意图。

图中：1砂轮罩；2砂轮；3支架；4喷嘴；5Z轴进给机构；6直线电机；7步进电机；8橡胶摩擦轮；9射流束；2-1精密结构化粗磨金刚石砂轮；2-2精密结构化超细金刚石砂轮；10分隔板；11工件；12横向磨削轨迹；A精密结构化超细金刚石砂轮局部放大图；B精密结构化粗磨金刚石砂轮局部放大图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中超精密磨削是目前针对非回转光学阵列表面精密加工最为行之有效的手段，其主要的实现形式是在超精密机床上采用微磨具进行超精密磨削加工。但存在的主要问题是金刚石砂轮与工件均为单点接触，当进给步长低至数微米时，加工效率非常低；微细砂轮轮廓尖端磨损快，为满足形状精度要求需要多次插入砂轮修整循环，大大降低加工效率，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种非回转光学阵列的粗精集成递进磨削方法，具体的方法如下：

步骤1设计和修整砂轮微结构轮廓：仿形粗磨削用精密结构化粗粒度金刚石砂轮的各个结构单元轮廓一致，根据选定的精密磨削余量设计砂轮微结构单元轮廓；相切轨迹精密磨削用细粒度或超细粒度微细结构金刚石砂轮需按精密磨削余量以及精密磨削切深设计多个高度渐变的砂轮微细结构单元轮廓。分隔板10的厚度应大于微结构阵列工件的在砂轮轴向方向的宽度。

目前砂轮表面结构化方法主要包括两大类：利用CVD、电镀或钎焊等方法对砂轮表面的毫米或微米尺度磨粒实现有序排布；采用机械、激光和微细电火花等砂轮修整方法在砂轮表面加工出微观或宏观沟槽阵列结构。后者可以以更高的精度获得砂轮表面结构。但是机械、激光和微细电火花等砂轮修整方法普遍存在的缺点是修整装置复杂，修整工具磨损快，修整效率低，修整成本高等问题。如车削法使用金刚笔作为修整工具修整超硬磨料砂轮，该方法只适用于修整陶瓷结合剂类的超硬磨料砂轮，并且修整工具磨损较快，修整效率较低；激光和微细电火花修整法修整精度高，但表面的磨粒因高温发生碳化，表层磨粒会快速磨损；对于金属结合剂金刚石砂轮的微细结构还缺乏高效精密的修整方法；本发明的精密结构化粗磨金刚石砂轮2-1和精密结构化超细金刚石砂轮2-2的阵列轮廓采用磨料水射流修整方法，采用了如附图1、图2所示砂轮阵列轮廓的磨料水射流修整装置，其包括砂轮罩1，砂轮2，安装在砂轮罩上的支架3，磨料水射流喷嘴4，Z轴进给机构5，直线电机6，步进电机7；橡胶摩擦轮8；

其中，Z轴进给机构包括直线电机6、支架3；Z轴进给机构安装在砂轮罩1右侧，喷嘴4安装在Z轴进给机构下侧，所述控制系统与Z轴进给机构连接。

支架3通过螺钉固定在砂轮罩上完成定位，Z轴进给机构可以完成Z轴的进给运动，以完成对喷嘴与砂轮表面之间相对运动的控制。

砂轮2在橡胶摩擦轮8的控制下匀速旋转或按一定时间间隔间歇旋转，喷嘴4在步进电机7的控制下沿Z轴方向连续或间歇往复运动，获得喷嘴与砂轮表面的相对运动，从而利用磨料水射流加工实现砂轮表面多种微细结构的精密加工，用以提高砂轮磨削性能，改善磨削质量。

砂轮匀速旋转、精密控制喷嘴运动的驻留时间可以主动控制砂轮表面微细结构阵列的精密截面轮廓形状，该类精密砂轮阵列结构可用于实现具有周期性阵列结构的精密零件(如齿轮和具有阵列结构的光学零件工件表面的)的高精度轮廓磨削。

具体的砂轮阵列轮廓的制造方法是通过以下步骤实现的：

如图3和图4所示，调整磨料水射流喷嘴4使射流束9径向垂直于金刚石砂轮工作表面，通过控制砂轮匀速旋转、精密控制喷嘴运动的驻留时间可以实现砂轮表面微细结构截面轮廓的主动精密控制，用以实现精密微细结构阵列的高效精密加工；

步骤2.如图5和图6所示，将加工工件11固定在机床工作台上，将高度一致的精密结构化粗磨金刚石砂轮2-1、按磨削余量设计的高度渐变微细结构超细金刚石砂轮2-2安装在机床主轴上；在精密结构化粗磨金刚石砂轮磨削时，为了防止精密结构化超细金刚石砂轮对工件11产生碰撞，在两个砂轮中间用分隔板10隔开。

步骤3.在粗磨阶段，精密结构化砂轮采用金属结合剂金刚石砂轮，精密结构化粗磨金刚石砂轮2-1粒度为#60～#600；砂轮安装到主轴上，主轴高速旋转，工件随磨床工作台往复运动，砂轮主轴下降并逐渐切入工件，采用切入磨削轨迹12，精密结构化粗磨金刚石砂轮2-1微细结构单元对工件11表面进行仿形磨削，，直接加工出间距相等平行的5个沟槽，达到设计的精加工余量时砂轮主轴退回，金刚石砂轮每次进给深度为5～50μm，累计进给深度100～1000μm。

步骤4.在精磨阶段，精密结构化超细金刚石砂轮2-2粒度为#1500～#5000；利用精密结构化超细金刚石砂轮2磨削工件4表面。精磨阶段Ⅰ，精密结构化超细金刚石砂轮2-2前端的微细结构单元逐渐切入工件11，沿着与工件轮廓相切的运动轨迹，在仿形磨削的沟槽基础上，逐层去除预留的磨削余量；精磨阶段Ⅱ，精密结构化超细金刚石砂轮2-2的最终微细结构单元沿相切轨迹切除最终磨削余量，完成非回转光学阵列一个轮廓周期的精加工；精磨阶段Ⅲ，精密结构化超细金刚石砂轮2-2从工件11切出，工件各微结构单元轮廓一致。通过一个磨削循环，高效完成整个微结构阵列表面轮廓的半精加工和精加工。

所述金属结合剂金刚石砂轮的参数为：直径200mm，宽度1-16mm，浓度为70～200％.

所述砂轮转速：砂轮旋转时外圆的线速度，为5m/s～30m/s；工作台进给速度：100mm/min～20000mm/min；光磨次数：3～4次。

所述的砂轮阵列单元轮廓与工件轮廓谷底无过切。

所述非回转光学阵列表面的面形精度和表面粗糙度分别可以达到亚微米级和纳米级。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所述领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种非回转光学阵列的粗精集成递进磨削方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1分别设计和修整精密结构化粗磨金刚石砂轮、精密结构化超细金刚石砂轮的结构轮廓和分隔板的结构：

步骤2依次将步骤1中精密结构化粗磨金刚石砂轮、分隔板和精密结构化超细金刚石砂轮安装在机床主轴上；将加工工件固定在机床工作台上；

步骤3砂轮在位修形：采用接触或非接触式修整方法在位精密修整两种砂轮的结构阵列的轮廓，保证粗磨和精磨砂轮及其表面微细结构的固定位置关系；

步骤4仿形粗磨：采用仿形磨削法，利用精密结构化粗磨金刚石砂轮进行粗磨，去除工件的大部分体积；

步骤5相切轨迹递进精密：沿着递进磨削轨迹，即按照砂轮的最后一个微细结构单元与工件最终轮廓保持相切的运动轨迹，利用精密结构化细粒度或超细粒度金刚石砂轮对工件表面进行递进磨削，通过一个磨削循环高效完成整个微结构阵列表面轮廓的半精加工和精加工。

2.如权利要求1所述的非回转光学阵列的粗精集成递进磨削方法，其特征在于，步骤1中所设计的仿形粗磨削用精密结构化粗粒度金刚石砂轮的各个结构单元轮廓一致，根据选定的精密磨削余量设计砂轮微结构单元轮廓；相切轨迹精密磨削用细粒度或超细粒度微细结构金刚石砂轮需按精密磨削余量以及精密磨削切深设计多个高度渐变的砂轮微细结构单元轮廓；分隔板的厚度应大于微结构阵列工件的在砂轮轴向方向的宽度。

3.如权利要求1所述的非回转光学阵列的粗精集成递进磨削方法，其特征在于，步骤1中所述的精密结构化粗磨金刚石砂轮、精密结构化超细金刚石砂轮的修整装置：包括支架、Z轴进给机构、喷嘴、摩擦轮和控制系统；其中，所述的支架安装在砂轮罩上，所述Z轴进给机构安装在支架上，所述喷嘴由Z轴进给机构驱动；所述的摩擦轮安装在砂轮下侧，由步进电机驱动摩擦轮旋转；所述控制系统与Z轴进给机构、步进电机相连。

4.如权利要求3所述的非回转光学阵列的粗精集成递进磨削方法，其特征在于，所述Z轴进给机构，包括用于使水射流喷嘴沿砂轮表面进给的直线电机。

5.如权利要求3所述的非回转光学阵列的粗精集成递进磨削方法，其特征在于，步骤1中所述的精密结构化粗磨金刚石砂轮、精密结构化超细金刚石砂轮的加工方法，调整磨料水射流喷嘴使射流束径向垂直于金刚石砂轮工作表面，通过控制修整装置，实现射流束与砂轮的相对运动，在砂轮表面加工出所述的砂轮微结构单元轮廓。

6.如权利要求1所述的非回转光学阵列的粗精集成递进磨削方法，其特征在于，所述的砂轮微结构单元轮廓与工件轮廓谷底无过切。

7.如权利要求1所述的非回转光学阵列的粗精集成递进磨削方法，其特征在于，所述的工件阵列轮廓为V型、曲线型或其他形状。