CN109732104B - 金属锡质抛光盘的精密车削方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金属锡质抛光盘的精密车削方法。金属锡质抛光盘的精密车削方法，在车削时保持车刀进给速度和切削深度不变，通过控制抛光盘转速变化来补偿实现稳定的温度场，使得刀尖的高度保持不变。本发明在车削过程中通过控制抛光盘的转速变化，即通过转速补偿实现车削过程中的恒温度场控制，进而获得平坦的锡质抛光盘。本发明可以实现金属平面抛光盘平面度的快速修正，能适应不同尺寸抛光盘的车削要求，操作过程简单，通用性好。

Description

金属锡质抛光盘的精密车削方法

技术领域

本发明涉及光学加工技术领域，尤其涉及一种金属锡质抛光盘的精密车削方法。

背景技术

随着激光技术的不断发展，硬脆光学材料具有越来越重要的应用空间，如固体激光器中的YAG板条元件、蓝宝石屏幕等，这些硬脆材料由于硬度较高，且兼具化学惰性，传统的抛光方式具有加工表面质量差且加工效率低的问题。为了保证硬脆材料元器件的合格率、加工效率和加工成本，选择合理的抛光工艺参数十分重要。锡质金属合成抛光盘是一种合适的硬脆材料抛光模，锡合成盘具有适当的硬度，能够使硬脆材料获得较高的表面质量，同时由于元件与抛光盘接触时表面几乎不发生弹性形变，从而避免了元件的塌边，这对具有全口径要求的元件来说具备极大的优势。

在金属锡质抛光盘的抛光过程中，由于抛光盘的弹性变形较小，盘面的平面度直接决定了元件的面形精度，而锡质抛光盘的盘面形成通常采用高速车削方式，一般而言，设备的机械精度对车削结果的影响最大。但是，当抛光盘平面度达到微米量级时，车削过程的切削温度对刀身的膨胀作用不可忽略。金属盘在车削过程由于切削热产生及发散热过程的非均匀，会引起车刀及盘面的非均匀热胀形变，进而恶化加工精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种金属锡质抛光盘的精密车削方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：金属锡质抛光盘的精密车削方法，在车削时保持车刀进给速度和切削深度不变，通过控制抛光盘转速变化来补偿实现稳定的温度场，使得刀尖的高度保持不变。

进一步的，所述车削时的抛光盘转速w为：

δ₁+δ₃＝C_Fa_pf^0.75v^0.85＝C_Fa_pf^0.75(v₁+v₃)^0.85

v₁＝rw₁

v₃＝rw₃

w＝w₁+w₃

式中，f为车削进给速度，a_p为切削深度，v为车削时的相对速度，C_F为速度修正系数，w₁为T条件下抛光盘车削时转速，r为抛光盘半径，w₃为抛光盘在不同半径处车削时需要补偿的转速值，v₁为T条件下相对线速度，v₃为T条件下需补偿的线速度。

进一步的，采用经验数据来确定修正系数，通过另外两次特值参数T1及T2条件下的切削结果，推导计算出一组修正系数，进而计算得到转速补偿量w₃进一步的，设抛光盘的基准转速为C，在常规参数T₀条件下，车刀进给速度为f₁、f₂，切削深度为a_p1、a_p2，车削时转速补偿量分别为w_c1、w_c2，则在T1及T2补偿条件下车削后盘面形状精度为H_c1、H_c2，通过盘面形状的变化量分别推出修正系数，进而得到w在不同半径处的数值。

本发明的有益效果是：在车削过程中通过控制抛光盘的转速变化，即通过转速补偿实现车削过程中的恒温度场控制，进而获得平坦的锡质抛光盘。本发明可以实现金属平面抛光盘平面度的快速修正，能适应不同尺寸抛光盘的车削要求，操作过程简单，通用性好。

附图说明

图1是金属盘的车削原理示意图。

图2是在恒定速度下的车削结果示意图。

图3是实施例的车削条件下的盘面形状示意图。

图4是实施例的变速度车削时的抛光盘转速示意图。

图5是实施例的抛光盘的变速度车削结果示意图。

图6是实施例的元件加工结果示意图。

具体实施方式

当金属锡质抛光盘平面度达到亚微米量级时，车削过程的切削温度对刀尖的高度位置有不可忽略的影响。本发明从工程应用角度出发，基于恒定切削温度场的应用需求，提出了一种变切削速度的锡盘车削方法。

(一)影响锡盘车削精度的因素

金属盘的车削过程是一种典型的机械加工行为，车削过程包括两方面的运动：盘面的高速旋转和车刀的直线进给，如图1所示。因此，设备的精度对车削结果的影响很大，如抛光盘的转台跳动精度，导轨的直线度，导轨和抛光盘旋转平面的平行度。普通的研磨抛光机由于设备精度较差，车削后锡盘的平面度只能达到亚毫米级别，且盘面的波纹度明显。而对高精度的平面研磨抛光机而言，即抛光盘转轴的跳动误差小于1μm，导轨的直线度误差优于1μm(在21℃条件下)时，采用固定参数车削后盘面形状为高阶的曲面形状，抛光盘的形状精度较设备精度低了约1个量级。

对车削过程中的多参量进行分别监控可知，此时影响盘面形状的主要因素是车削过程温度场。通过红外热成像仪对车削过程的温度测量发现，车削时车刀从起始位置向前缓慢进给时，车削过程中车刀及盘面处于一个非均匀的温度场，并引起车削热效应，具体包括两个方面：1)车刀的热伸长；2)盘面的热变形。

(二)切削过程的温度场分析

1)切削热分析

在切削加工过程中，刀具与锡盘为高速相对运动，锡盘在刀具的剪切、挤压作用下，经弹性变形、塑性变形直至形成切屑，同时刀具与锡盘、切屑之间彼此存在挤压、摩擦作用。

切削热的来源为：

Q_A＝Q_D+Q_FF+Q_FR (1)

式(1)中，Q_D、Q_FF、Q_FR分别为切削层变形、前刀面摩擦、后刀面摩擦产生的热量。

由于切削过程中消耗的机械能绝大部分转化为热能，因此单位时间内产生的切削热为：

q≈F_cv_c＝C_Fca_pf^0.75v^-0.15K_Fcv_c＝C_Fca_pf^0.75v^0.85K_Fc (2)

式(2)中，v为切削速度，f为进给速度，a_p为背吃刀量。

2)切削热的扩散

切削热由切屑、工件、刀具和周围介质(切削液、空气)等传散出去，在抛光盘不同的径向位置，车刀所处的热对流条件也不同。

3)切削温度

切削温度θ指前刀面与切屑接触区内的平均温度，是由切削热的产生与扩散的平衡条件所决定的。由于生热及散热条件的不断变化，切削温度在整个切削过程也处于一个动态平衡过程。

凡是增大切削力和切削功率的因素都会使切削温度θ上升，而有利于切削热传出的因素都会降低切削温度。

(三)变速度车削方法

锡盘车削过程复杂，通过转台结构的改进(气浮转台)和车削的预先热机，可以抑制部分车削热效应，但仍存在显著的刀身热形变，进而引起刀尖的位移并恶化车削结果。

1)恒定速度车削

干切削所产生的高温主要集中在刀尖部分，距离刀尖越远，温度越低。首先固定一组车削参数：如抛光盘转速150rpm，车刀进给速度10mm/min，切削深度10μm。在该条件下盘面车削后的典型结果如图2所示。由于锡盘的形状为沿C轴旋转轴线的中心对称形状，为加强分析的对比性，在分析中以抛光盘的径向误差曲线来表征抛光盘的形状误差。

从图2中可以看出，车削过程的变化主要可以分为三个阶段：

在常规车削参数范围内，车削起始端，约为起点至100mm左右有显著的高位误差，这是由于切削发热，刀具从室温快速升温，刀尖有显著伸长约10μm左右。从100mm位置处到260mm位置处，刀具处于相对的热平衡状态。从260mm到300mm位置处，由于热对流的增加，车刀温度反而下降，盘面形状逐渐变高，整体车削过程表现出明显的热胀效应。

2)变速度切削方法

为实现盘面精度的提高，需要保持切削温度的恒定，进而获得车刀的稳定的热膨胀状态。由于切削热的传递散热条件难以精确控制，因此，本发明选择了对切削热的产生进行主动控制，提出了一种基于温度恒定的切削速度补偿方法，在盘面车削过程中，保持车刀进给速度和切削深度a_p的恒定，通过抛光盘转速变化的方法，实现车削热的主动调控。

在固定车削参数的T条件(即特定的抛光盘转速C、车刀进给速度f、切削深度a_p)下，在t时刻下，车刀处的切削热平衡方程为：

δ＝δ₁+δ₂+δ₃ (3)

式(3)中，δ为车削过程的总体温度，可定义为常量；

δ₁为T条件下的车削热；

δ₂为T条件下的散热量，δ₂＝-C_ta_pf^0.3v^0.15，C_t为热量修正系数(其为定值)，r为抛光盘半径；δ₃为T条件下的热补偿量。

因此，在特定切削参数下，切削时的转速补偿量可以由下式4-8求得：

δ₁+δ₃＝C_Fa_pf^0.75v^0.85＝C_Fa_pf^0.75(v₁+v₃)^0.85 (4)

v₁＝rw₁ (5)

v₃＝rw₃ (6)

w＝w₁+w₃ (8)

式中，f为车削进给速度(即车刀沿直线导轨的进给速度)，a_p为切削深度，v为车削时的相对速度，w为抛光盘车削时转速(即求解目标)，C_F为速度修正系数(其为定值)，w₁为T条件下抛光盘车削时转速(设定值)，r为抛光盘半径，w₃为抛光盘在不同半径处车削时需要补偿的转速值，v₁为T条件下相对线速度，v₃为T条件下需补偿的线速度。

为解得转速w₃，采用经验数据来确定修正系数，通过另外两次特值参数T1及T2条件下的切削结果，可推导计算出一组修正系数，进而计算得到转速补偿量w₃。具体计算过程如下：设抛光盘的基准转速为C(C＝150rpm)，在常规参数T₀条件下(f₀＝10mm/min，a_p0＝10μm)，盘面的车削结果如图2所示，车刀进给速度为f₁(f₁＝f₀)、f₂，切削深度为a_p1、a_p2(a_p1＝a_p2＝a_p0)，车削时转速补偿量分别为w_c1、w_c2(w_c2＝0)，则在T1及T2补偿条件下车削后盘面形状精度为H_c1、H_c2(抛光盘车削后的平面度检测结果)，通过盘面形状的变化量可分别推出修正系数，进而得到目标结果w在不同半径处的数值。

实施例：

在抛光盘基准转速C＝150rpm时，设置T1为f₁＝10mm/min、a_p1＝10μm、w_c1＝(r-r₀)*0.2，T2为f₂＝3mm/min、a_p2＝10μm、w_c2＝0，盘面车削后的测量结果如图3所示，对比T0条件的盘面形状(图2)与T1条件下的盘面形状(图3a)，可以推出C_F为47，同理，对比T0条件下的盘面形状(图2)与T2条件下的盘面形状(图3b)，可以推出C_t为92，进而可计算得到在基准转速C时的补偿速度w₃，实施变速度车削时的抛光盘转速如图4所示，变速度车削后抛光盘的径向轮廓误差约0.8μm，如图5所示。

对不同的金属抛光模材料或其它抛光设备而言，需要采用上述方法对各车削条件下的热补偿系数进行修正。而当车刀进给的导轨直线度较差时，也可以通过本方法在一定程度上改善车削结果。

在获得良好平面度锡盘的基础上，对128mm×25mm×2mm的激光晶体板条元件进行抛光，元件的面形PV值可以快速收敛到0.11λ(λ＝633nm)(图6中显示2Pt.PV 0.11wv)，且几乎没有塌边现象，如图6所示。

通过以上分析可以看出，金属锡质抛光盘在车削过程中，车削发热量主要与抛光盘转速、X直线导轨进给速度和切削深度有关，本发明在车削时保持车刀进给速度、切削深度不变，而通过控制抛光盘转速变化来补偿实现稳定的温度场，使得刀尖的高度保持不变，从而使Φ910mm的锡质抛光盘平面度可达1μm以下，板条元件的面形精度可快速收敛至0.1λ。

Claims (2)

1.金属锡质抛光盘的精密车削方法，其特征在于，在车削时保持车刀进给速度和切削深度不变，通过控制抛光盘转速变化来补偿实现稳定的温度场，使得刀尖的高度保持不变,所述车削时的抛光盘转速w为：

δ₁+δ₃＝C_Fa_pf^0.75v^0.85＝C_Fa_pf^0.75(v₁+v₃)^0.85

v₁＝rw₁

v₃＝rw₃

δ＝δ₁+δ₂+δ₃

w＝w₁+w₃

式中，δ为车削过程的总体温度，δ₁为T条件下的车削热，δ₂为T条件下的散热量，δ₃为T条件下的热补偿量，f为车削进给速度，a_p为切削深度，v为车削时的相对速度，C_F为速度修正系数，w₁为T条件下抛光盘车削时转速，r为抛光盘半径，w₃为抛光盘在不同半径处车削时需要补偿的转速值，v₁为T条件下相对线速度，v₃为T条件下需补偿的线速度，C_t为热量修正系数。

2.如权利要求1所述的金属锡质抛光盘的精密车削方法，其特征在于，采用经验数据来确定速度修正系数；再通过另外两次特值参数T1及T2条件下的切削结果，推导计算出一组速度修正系数，进而计算得到抛光盘在不同半径处车削时需要补偿的转速值w₃。

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