CN117428628A - 一种石英异形片的加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石英异形片的加工装置，包括上主轴、下主轴和第一主轴电机，所述上主轴顶部与升降组件连接，且底部设置有上工装，所述下主轴底部设置有第二主轴电机，且顶部设置有下工装，所述下工装上设置有负压孔，所述负压孔与真空系统连接，所述第一主轴电机的转轴上设置有砂轮组，所述第一主轴电机还与三轴移动组件连接，所述砂轮组包括从下至上依次设置的粗磨砂轮、精磨砂轮、下倒边砂轮和上倒边砂轮，还提供一种一次装夹完成加工的方法。本发明加工成型效率高，能够进行批量生产，尺寸精度及成品率高。

Description

一种石英异形片的加工装置及方法

技术领域

本发明涉及光学材料制备技术领域，具体涉及一种石英异形片的加工装置及方法。

背景技术

石英作为一种特殊的光学材料，广泛应用于诸多光学器件领域，包括雷达超声延迟线、红外测向、红外摄影、通信、光谱仪、分光光度计、透镜、大型天文望远镜、高温操作窗口、振镜系统反射镜等等。

对于振镜系统，基底材料是决定性能的关键，目前广泛使用的基底材料包括单晶硅、K9玻璃、石英等。其中硅基底用途较为广泛，可用于从可见到红外的振镜系统。石英光学性能及热学性能最好，多用于紫外波段等高端应用，精度要求更高、价格也最为昂贵。

用于振镜系统的硅片或石英片均为八边形或其它种类的异形片，通常需将毛坯块料通过切割、铣、磨、抛等方式加工成型，由于外形为异形且对尺寸精度要求极高，常规切割方式无法满足成型加工需求，现有方法硅、石英、玻璃等材质的基底异形片多采用精雕机加工，不同厚度和倒边产品通过定制成型磨具实现外形和倒边同时完成。市场需求的规格均为定制，无标准尺寸。由于其特殊的异形结构和高精度需求，对加工设备和成型磨具精度有较高要求。

现有精雕机加工振镜异形基底时，大尺寸异形片成型用真空吸附固定加工，小尺寸异形片成型需要胶粘固定。此方法加工不足处在于，成型磨具专为某一种异形片规格定制，磨具不具有通用性，耗材采购成本高、周期长。石英材质较为坚硬，由于成型磨具磨削位置固定，持续加工磨料容易钝化脱落，造成研磨阻力增大，工件容易产生崩边和掉料，为此需要频繁检查和更换磨具，加工效率低。另外，异形片倒边精度取决于成型刀具精度不可调整，导致高精度产品加工受限。另外与普通玻璃或硅单晶相比，石英玻璃硬度更高且质地硬脆，导致加工效率及成品率均较低。随着高端紫外及深紫外振镜应用需求的增加，现有精雕机加工石英振镜异形片的方式无法满足用户对数量及品质的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种石英异形片的加工装置及方法，加工成型效率高，能够进行批量生产，尺寸精度及成品率高。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种石英异形片的加工装置及方法，包括上主轴、下主轴和第一主轴电机，所述上主轴顶部与升降组件连接，且底部设置有上工装，所述下主轴底部设置有第二主轴电机，且顶部设置有下工装，所述下工装上设置有负压孔，所述负压孔与真空系统连接，所述第一主轴电机的转轴上设置有砂轮组，所述第一主轴电机还与三轴移动组件连接；

所述砂轮组包括从下至上依次设置的粗磨砂轮、精磨砂轮、下倒边砂轮和上倒边砂轮。

进一步的，所述上工装和下工装的材质为环氧树脂，所述上工装和下工装通过粗磨砂轮在线加工而成。

进一步的，所述粗磨砂轮、精磨砂轮、下倒边砂轮和上倒边砂轮的直径相等。

进一步的，所述升降组件包括气缸，所述上工装通过气缸提供的压力将工件压紧在下工装上。

进一步的，所述三轴移动组件包括三个分别沿X、Y、Z三轴方向布置连接的伺服滑台。

进一步的，还包括冷却管，所述冷却管用于喷淋冷却液。

进一步的，所述下主轴上套设环形曝光灯，所述环形曝光灯朝向下工装方向发光。

一种加工方法，采用上述任意一项所述的加工装置，包括以下步骤：

步骤1)在两片环氧树脂片中部打孔并分别锁固安装在下主轴和上主轴上，其中下主轴上的环氧树脂片上还开设有负压孔；

步骤2)通过升降组件驱动上主轴向下移动并使得两个环氧树脂片抵紧在一起，随后采用砂轮组上的调粗磨砂轮对两个环氧树脂片的外周进行磨削，得到下工装和上工装；

步骤3)升降组件上升移动，带动上工装向上移动，将备料工件放置在下工装上并进行调整，保证备料工件的侧边与对应下工装的侧边之间具有磨削间距，调整到位后，通过真空系统将备料工件吸附在下工装上；

步骤4)升降组件下降移动，带动上工装向下移动并将备料工件施压抵紧在下工装上，随后启动第二主轴电机对备料工件位置进行调节，启动第一主轴电机带动砂轮组转动，通过三轴移动组件带动转动的砂轮组对备料工件进行单边磨削，单边磨削结束后，砂轮组退回并通过第二主轴电机对备料工件进行转动角度，随后砂轮组再次进行单边磨削，直至备料工件所有的侧边加工完成，得到加工成品；

步骤5)加工结束，升降组件上升移动，上工装解除对加工成品的施压，关闭真空系统，取走加工成品，完成下料。

本发明的有益效果：

1、工件通过一次装夹定位，实现外形粗磨、精磨和倒边加工，提升加工效率和定位精度。

2、上工装和下工装配合对工件固定，接触面积大，牢固不容易掉料，可增加砂轮组转速和研磨进给量提升研磨效率。

3、通过砂轮组装配使用，实现不同厚度和倒边需求产品磨具通用，降低成型磨具定制成本和采购周期。

4、砂轮组研磨位置可调节，且AB面可重复使用，不仅提高砂轮使用寿命，降低耗材成本，还可以避免因为持续固定位置磨削导致的产品崩边问题，进而提高成品率。

5、此方法加工磨具具有通用性，减少了耗材采购，节约成本，由于工件固定牢固不易掉片，可以提升研磨速度和成品率，缩短加工周期，加工效率提升3倍以上，进一步降低了加工成本。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的砂轮组结构示意图；

图3是本发明的下工装结构示意图；

图4是本发明的摆放备料工件的结构示意图；

图5是本发明对备料工件施压的示意图；

图6是本发明磨削结束后的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图1至图3所示，本发明的异形片的加工装置及方法的一实施例，包括上主轴1、下主轴2和第一主轴电机3，上主轴顶部与升降组件4连接，升降组件带动上主轴在轴向上升降移动，升降组件可以为气缸，上主轴底部设置有上工装111，下主轴底部设置有第二主轴电机5，第二主轴电机带动下主轴自转，第二主轴电机可以为步进电机，角度转动精度高，下主轴顶部设置有下工装112，且下工装上设置有负压孔6，负压孔与真空系统连接，通过真空系统，可以对下工装表面摆放的加工产品进行初步的真空吸附，保证位置准确性，从而达到定位后不移位的效果，上工装和下工装可与所加工产品外形相同，尺寸略小1-3mm，这样的做法在不干涉磨削的同时，还能保证具有较大的接触面积，提高摩擦力，从而在磨削过程中固定牢靠。

在第一主轴电机的转轴上设置有砂轮组7，砂轮组包括从下至上依次设置的粗磨砂轮9、精磨砂轮10、下倒边砂轮11和上倒边砂轮12，从而砂轮组能够实现粗磨、精磨以及倒边的功能，达到依次装夹即可完成加工的效果，第一主轴电机还与三轴移动组件8连接，三轴移动组件带动砂轮组在空间任意位置停留及移动，满足砂轮组的不同位置使用需要；

在使用时，将胚料放置在下工装上，胚料的周边均匀的凸出在下工装周边上，随后系统真空系统，使得胚料被吸附固定不移位，随后上工装下移并施压在胚料表面，配合下工装对胚料装夹固定，随后第二主轴电机根据胚料的装夹位置调整角度以配合砂轮组的磨削，砂轮组则被第以主轴电机带动转动，实现磨削功能，砂轮组还被三轴移动组件带动位移，满足不同加工要求的加工工况。

由于不同的加工产品尺寸需要不同的上工装和下工装，如果采用定制加工，则大大拖延了加工精度，因此将上工装和下工装通过粗磨砂轮在线加工而成，并且上工装和下工装的材质选择为环氧树脂，便于加工，且对加工产品表面起到保护作用，不易损伤。粗磨砂轮、精磨砂轮、下倒边砂轮和上倒边砂轮的直径相等，避免在加工过程中出现砂轮干涉的问题。

上述的三轴移动组件包括三个分别沿X、Y、Z三轴方向布置连接的伺服滑台，结构简单，易于实现，且精度有保障。在磨削过程中，还需要使用冷却管，冷却管用于喷淋冷却液，对磨削位置进行润滑降温。

在摆放胚料时，由于尺寸相差较小，人工判断难度较大，时常导致摆放偏位严重的问题，因此在下主轴上套设环形曝光灯13，环形曝光灯朝向下工装方向发光，环形曝光灯的灯光亮度会被下工装遮蔽，但会透过胚料，因此观察时可以根据胚料上透光部分的判断减小摆放偏位的量，且观察便捷。

基于上述的装置，本申请还提供一种加工方法，具体的，采用两片环氧树脂片作为上工装和下工装的基材，在两片环氧树脂片中部打孔并分别锁固安装在下主轴和上主轴上，其中下主轴上的环氧树脂片上还开设有负压孔，与真空系统对接；

然后通过升降组件驱动上主轴向下移动并使得两个环氧树脂片抵紧在一起，随后采用砂轮组上的调粗磨砂轮对两个环氧树脂片的外周进行磨削，依次磨削即可得到下工装和上工装；当然，如果上工装和下工装的表面平行度不够时，砂轮组中的粗磨砂轮还可以对上工装和下工装的表面进行磨削，保证接触面的贴合效果。当然，上工装和下工装均可以安装在下主轴上进行加工，分两次完成，这样即可对表面也进行磨削。

具体的，上工装和下工装可以采用φ20环氧树脂材料，粗磨砂轮规格为φ160*20mm，材料为金刚石200#，根据粗磨砂轮Z轴坐标的调整，使之下端面与上工装或下工装端面持平，第二主轴电机逆时针持续旋转，转速60r/min，砂轮组逆时针旋转，转速500r/min，开启冷却液，砂轮组沿X轴向环氧树脂片移动，移动速度为15mm/min，过下主轴圆心后返回，通过粗磨砂轮下端面的金刚砂实现工装平行研磨控制。砂轮组向下微调0.05mm，沿X轴重复上述往复运动5次，直至工装端面研磨平行度小于0.01mm。1个工装端面加工完毕，更换另一个工装，端面加工方式相同，即可得到端面研磨完毕的上工装和下工装，上工装通过气缸施压方式向下运动，气缸压力0.2MPa，与下工装端面完全贴合，上工装和下工装由第二主轴电机带动沿C轴逆时针做间歇式旋转，同时砂轮组研磨贴合的工装整体侧边，砂轮组行进速度5mm/min，按照预设坐标持续研磨直至工装研磨成型，工装尺寸小于成品工件2mm。

上工装和下工装加工完成后，将升降组件上升移动，带动上工装向上移动，即留出摆放胚料的空间，胚料即备料工件，将备料工件113放置在下工装上并进行调整，保证备料工件的侧边与对应下工装的侧边之间具有磨削间距，调整到位后，通过真空系统将备料工件吸附在下工装上，参照图4所示；

真空系统能够对备料工件进行初步定位，这样的定位能够保证在后续施压过程中不会变动位置，随后升降组件下降移动，带动上工装向下移动并将备料工件施压抵紧在下工装上，参照图5所示，随后启动第二主轴电机对备料工件位置进行调节，启动第一主轴电机带动砂轮组转动，通过三轴移动组件带动转动的砂轮组对备料工件进行单边磨削，单边磨削结束后，砂轮组退回并通过第二主轴电机对备料工件进行转动角度，随后砂轮组再次进行单边磨削，直至备料工件所有的侧边加工完成，参照图6所示，得到加工成品114；

具体的，上述备料工件规格为19*24*2mm，备料工件居中置于下工装上，开启下工装真空固定备料工件，真空流量25L/min，开启上工装的气缸，气缸压力0.3MPa，使工件固定于上下工装之间。设定砂轮组内各个砂轮的坐标，开启工装旋转和砂轮研磨程序。粗磨砂轮用于粗磨成型，规格为φ160*20，材质为金刚石200#，研磨速度5mm/min；精磨砂轮用于精修控制外形精度，规格为φ160*10，材质为金刚石600#，研磨速度2mm/min；下倒边砂轮用于研磨工件下倒边，规格为φ160*15，倒角5*5mm，材质为金刚石700#，研磨速度1mm/min；上倒边砂轮研磨工件上倒边，规格为φ160*15，倒角5*5mm，材质为金刚石700#，研磨速度1mm/min；加工顺序为从粗磨、精磨、下倒边、上倒边的顺序加工。加工结束，升降组件上升移动，上工装解除对加工成品的施压，关闭真空系统，取走加工成品，完成下料。

本方法用以解决现有石英异形片加工成型效率低无法实现批量生产、尺寸精度及成品率低等问题。本发明设计的异形片磨削装置，包括四层砂轮组合而成的砂轮组、固定工装，并提出一种分段加工的磨削成型方法，通过设计组合砂轮代替成型磨具，实现异形片外形和倒边通过一次装夹定位，分段研磨成型，通过专用工装固定工件，解决异形片加工效率低和掉料问题，采用该装置及方法加工石英异形片，提高精度和成品率同时能大幅提升加工效率。

以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (8)

1.一种石英异形片的加工装置，其特征在于，包括上主轴、下主轴和第一主轴电机，所述上主轴顶部与升降组件连接，且底部设置有上工装，所述下主轴底部设置有第二主轴电机，且顶部设置有下工装，所述下工装上设置有负压孔，所述负压孔与真空系统连接，所述第一主轴电机的转轴上设置有砂轮组，所述第一主轴电机还与三轴移动组件连接；

所述砂轮组包括从下至上依次设置的粗磨砂轮、精磨砂轮、下倒边砂轮和上倒边砂轮。

2.如权利要求1所述的石英异形片的加工装置，其特征在于，所述上工装和下工装的材质为环氧树脂，所述上工装和下工装通过粗磨砂轮在线加工而成。

3.如权利要求1所述的石英异形片的加工装置，其特征在于，所述粗磨砂轮、精磨砂轮、下倒边砂轮和上倒边砂轮的直径相等。

4.如权利要求1所述的石英异形片的加工装置，其特征在于，所述升降组件包括气缸，所述上工装通过气缸提供的压力将工件压紧在下工装上。

5.如权利要求1所述的石英异形片的加工装置，其特征在于，所述三轴移动组件包括三个分别沿X、Y、Z三轴方向布置连接的伺服滑台。

6.如权利要求1所述的石英异形片的加工装置，其特征在于，还包括冷却管，所述冷却管用于喷淋冷却液。

7.如权利要求1所述的石英异形片的加工装置，其特征在于，所述下主轴上套设环形曝光灯，所述环形曝光灯朝向下工装方向发光。

8.一种加工方法，其特征在于，采用权利要求1-7任意一项所述的加工装置，包括以下步骤：

步骤1)在两片环氧树脂片中部打孔并分别锁固安装在下主轴和上主轴上，其中下主轴上的环氧树脂片上还开设有负压孔；

步骤2)通过升降组件驱动上主轴向下移动并使得两个环氧树脂片抵紧在一起，随后采用砂轮组上的调粗磨砂轮对两个环氧树脂片的外周进行磨削，得到下工装和上工装；

步骤3)升降组件上升移动，带动上工装向上移动，将备料工件放置在下工装上并进行调整，保证备料工件的侧边与对应下工装的侧边之间具有磨削间距，调整到位后，通过真空系统将备料工件吸附在下工装上；

步骤4)升降组件下降移动，带动上工装向下移动并将备料工件施压抵紧在下工装上，随后启动第二主轴电机对备料工件位置进行调节，启动第一主轴电机带动砂轮组转动，通过三轴移动组件带动转动的砂轮组对备料工件进行单边磨削，单边磨削结束后，砂轮组退回并通过第二主轴电机对备料工件进行转动角度，随后砂轮组再次进行单边磨削，直至备料工件所有的侧边加工完成，得到加工成品；

步骤5)加工结束，升降组件上升移动，上工装解除对加工成品的施压，关闭真空系统，取走加工成品，完成下料。