光学玻璃的精密加工技术

光学玻璃的精密加工技术 光学玻璃的精密加工技术 光学玻璃的精密加工技术 洪静,高国富,赵波 (河南理工大学机械与动力.T-程学院,河南焦作454000) 摘要:光学玻璃作为一种典型的脆硬材料,采用普通的加工 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 难以进行高效精密加工.本文介 绍了光学玻璃的高效精密特种加工技术,对EIID法,激光加工,超声磨削以及精密铣削的最新研究进 展进行了综述.采用ELID技术,通过控制加工工艺参数,使砂轮单个磨粒的最大切削深度小于脆性材料 的临界切削厚度,实现了脆性材料的塑性加_T-,并得到精密光滑的 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面;在加工非球曲面时,可使零件的 精加5-抛光量降到最低.最新激光加工技术通过增加预热激光束,极大降低已加工表面的热应力及拉伸 应力,使得加工质量有了大幅提高.超声波磨削加工不仅改善了表面完整性,而且提高了加工效率,通过 选用适当的刀具和工艺参数,使被加工工件表面粗糙度值比普通磨削降低了30---~40V0.光学玻璃精密 铣削技术通过优化刀具,加工方式及工艺参数,可提高加3-质量和效率,降低加_T-成本. 关键词:光学玻璃;精密加工;延性模式 中图分类号:TG54文献标志码:A PrecisionMachiningTechnologyofOpticalGlass H()NGJing,GA()Guofu,ZHAOBo (SchoolofMachineryandPowerEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo4540 00,China) Abstract:Duetothenatureofhard— brittlematerials,opticalglassisdifficultytogethighmachiningefficiencybyusing traditionalprocessingmethods.Inthispaper,theadvancementinopticalglasshighprecisionmachiningwasreviewed,such asEIIDtechnology,lasermachining,ultrasonicgrinding,andprecisionmilling.Theplasticremovingmodewasrealized andsurfacefinishwasachievedinElIDmachiningbrittlematerialsbycontrollingcuttingparameters,whichhasmadethe biggestcuttingdepthofsinglegrainslessthanthecriticalcuttingdepthofbrittlematerials.InmachiningtheasphericNUt face,thefinishmachiningallowancewasreducedtothelowestaswel1.Thenewlydevelopedlasermachiningtechnology greatiyreducedthethermalstressandtensionstressofmachinedsurfacebyaddingabunchofpre—heatinglaserbeam,and thesurfacequalitywasimprovedclearly.Inultrasonicgrinding,bothsurfaceintegrityandthemachiningefficiencywereim— proved.Bychoosingthesuitabletoolsandparameters,themachinedsurfaceroughnessofpartwasreducedby30,4O comparedwithtraditionalgrinding.Forprecisionmillingofopticalglass,themachiningqualityandefficiencywasim— proved,andtheproductcostwasreducedaswellbyoptimizingthecutterandworkingmethodsandtechnologicalparame ters. Keywords:Opticalglass,Precisionmachining,Ductilemode 光学玻璃常被用来制作侦查卫星照相机镜头, 隐形雷达探照镜,高速飞行器窗口以及激光发射装 置中的光学透镜,棱镜等超精密零件.小到各类相 机的镜头,大到天文望远镜的大型反射镜,都有光学 玻璃的应用.由于光学玻璃的广泛使用,传统的加 工方法已不能满足精密加工的需要,尤其是对于非 球曲面零件,特别是具有小曲率半径的非球凹面零 件,用传统的加工方法加工较为困难且不能保证加 工精度,不符合现代高科技发展的要求uJ. 常用光学玻璃精密加工方法有:ELID法,这项 技术使用超细微(或超微粉)超硬磨料制造砂轮,同 时解决了超细微粒度砂轮应用中难以修整及磨削过 程中容易堵塞的问题.由于基体材料是微量去除 的,故在整个磨削过程中砂轮表面的磨粒始终保持 锐利,实现了硬脆材料高精度,高效率的超精密磨 削j;激光加工光学玻璃是一种较新的精密加工方 法,这种加工方式的突出优点是不产生切削力而且 加工的热影响小,同时电脑编程与加工设备可紧密 结合,特别适用于单件加工或小批量生产?3;超声磨 削是一种复合加工方法,主要特点是加一效率高,表 面质量好,工具磨损小,成本低,特别适用于脆性光 学材料的平面加工.在加工非对称且具有复杂功能 表面结构的光学零件模具时,精密铣削加工因其独 特的优点而受到重视,其突出的优点是在提高加工 效率的同时尺寸精度稳定性好,加工过程可控性 强. 1光学玻璃精密加工技术 光学玻璃超精密加工的技术难点在于光学玻璃 是一种典型的脆硬材料,其突出的特性为材料脆性 《新技术新工艺》?数字技术与机械加工工艺装备2011年第4期?21? 高,断裂韧性低.用常规的加工方法难以获得高的 表面质量.以下4种加工方法是常用的光学玻璃高 精加工方法,通过下面的介绍可以看到这些精密加 工方法的优点以及所能达到的加工精度和其最新的 研究进展. 1.1在线电解修锐法(ElectrolyticIn—process Dressing,简称ELID法) 光学零件的加工不仅要求精度高,加工表面超 光滑,而且要求加工表面没有加工变质层.在这样 的加工要求下就产生了硬脆材料的延性方式磨 削l5].当每个砂轮磨粒切除的材料体积小到足以塑 性流动而不产生脆性断裂,即产生裂纹时,就实现了 延性方式"无损伤"磨削 日本学者大森整等人从1987年开始对铸铁纤 维结合剂金刚石砂轮等高强度金属结合剂的超硬磨 料进行研究,开发了借用ElectrolyticIn—process Dressing(ELID)的磨削法.利用ELID法在线修锐 金刚石砂轮磨削硅片,陶瓷或其他硬脆材料可获得 纳米级加工表面,实现了硬脆材料的超精密磨削,现 在已成功应用于球面,非球面透镜,模具的超精密加 工_7].英国Cranfield大学的精密工程研究所 (cUPE)已研制出超精密三轴CNC磨床,能对小范 围玻璃材料进行延性方式磨削.日本学者宫下等人 通过带有微量进给的立式平面磨床磨削水晶,工件 的表面粗糙度达到了Ra一2nm_8].在超精密非球 面加工机床上,借助ELID磨削技术,加工光学玻璃 BK7的非球面透镜,成功地达到面型精度优于0.2 btm,表面粗糙度Ramax=2Onm,而对于稍软质的 LASFN3O和Ge等材料的非球面也得到了面型精 度0.2,O.3m,表面粗糙度Ramax一30nm级良 好镜面.ELID磨削技术作为非球面光学零件的实 用制造技术,可使零件的最后抛光量减小到最小限 度妇 用ELID磨削光学玻璃,脉冲频率的大小也是 十分重要的,在其他参数保持不变的情况下,脉冲频 率较高时得到的被加工工件表面质量较好,但频率 过高时反而会使表面质量下降;如果频率过低,表面 质量则会明显下降.要使磨削过程中保持较好的出 刃状态,必须使氧化膜的状态薄且致密性适中,选择 较小的电压可以提高加工质量_1. 1.2激光加工 激光加工是一种比较适用于单件和小批量加工 的现代精密加工方法,其独有的优点是无接触,无切 削力,热影响小,加工环境干净整洁.在生产和试验 中,已利用激光的高能量密度使玻璃局部瞬问熔化 以至汽化来进行打标,内外雕刻,打孔,切割,或是利 用热应力使材料内产生内裂纹并使裂纹沿规定的方 向扩展而达到切割的目的.理论上讲,激光可将任 何材料铣削至所要求的尺寸口. 最新的一种加工方式是采用2束二氧化碳激光 束进行加工_】,在这项研究中使用2束激光束进行 加工,其中的一束是用来预热光学玻璃工件以降低 温度梯度,另一束则用来加工工件.预热激光束在 加工激光束的前方,2束激光之间始终保持固定的 距离.加工中使用的工件为碳酸钙玻璃,试验分为 有预热以及无预热2种情况.结果表明,采用单束 的二氧化碳激光束加工时(即无预热),工件表面温 度的变化较为迅速.尽管采用单束二氧化碳激光束 与2束二氧化碳激光束都使工件表面达到适合的加 工温度,但使用2束二氧化碳激光束加工产生的热 应力为23.6MPa,大大低于单束二氧化碳激光束产 生的热应力34.7MPa.同时,使用单束激光加工时 产生的最大拉伸应力远大于使用2束激光.故使用 2束激光加工在提高加工质量的同时还可以有效地 降低试件表面的热应力. 1.3超声磨削 超声磨削加工是把超声技术和磨削技术相结合 的一种复合加工方法,超声磨削包括超声研抛和超 声珩磨.超声磨削具有加工效率高,表面质量好,工 具磨损小,成本低等优点.采用超声磨削的方法加 工脆性光学材料时,工艺参数对表面质量影响较大, 已加工表面粗糙度随着超声波振幅,切深和工具横 向进给速度的增加而增大,随着超声波频率,磨粒粒 度号和工具转速的增加而降低.超声磨削的材料去 除率很高,约为普通磨削的2,2.5倍,而且工具的 磨损量很小,仅为普通磨削的1/5,1/10.在玻璃 上进行超声珩磨钻孔,随着磨料粒度的增加,加工表 面质量提高,边崩处的直径也随之增大,但是试件没 有发现有热变形和内应力变形等加工缺陷.超声波 研抛属于超精密加工的范畴,可用作超精密加工的 最后加工工序来保证被加工工件的尺寸精度和表面 质量,其应用广泛,可加工各种硬脆材料,既可以加 工平面也可以加工复杂曲面[】..超声珩磨的加工 表面与普通珩磨相比,磨削沟槽不仅宽且平坦,网纹 均匀,而且沟槽的顶部平整且不存在断续现象.普 通珩磨延性域加工临界磨削深度小于1.5肛m,而在 超声珩磨时,临界磨削深度可达3p.m,并且在较高 的转速下取得的粗糙度值比普通珩磨高1,2 级. 最新的一项超声磨削光学玻璃试验是对不同钻 心形状的金刚石砂轮及不同型号的磨粒进行研 究口.分别选用3种砂轮:1号是直角砂轮,钻心无 ? 22?《新技术新工艺》?数字技术与机械加工工艺装备2011年第4期 槽;2号是顶端带有一定的倾角但钻心无槽的砂轮; 3号是顶端直角且钻心带有2条槽的砂轮.超声波 加在砂轮上,不加超声波时为普通磨削.当进给速 度低于0.03Inril/s时,用超声磨削加工质量较好, 而高于这个值时,普通磨削加:质量较好.在所有 条件下,用2号砂轮加工出的工件表面质量要比其 他2种砂轮加工的表面质量高.3号砂轮的磨粒比 其他砂轮小,当进给速度大于0.03mm/s时,用3 号砂轮加[出的表面比1号砂轮好,但仍然不及2 号砂轮.这说明.较小的磨粒可能加工出较好的表 面质量,但对表面质量影响最大的是刀具形状. 1.4精密铣削及超声铣削 用铣削的方式加工光学玻璃这种脆硬材料,并 使其表面达到极高的精度看似是不可能的,但采用 适当的设计方法就可使这种不可能变为现实.根据 KevinFoy等人的研究u,在铣削加:[中,当刀具倾 斜一定角度对加工表面质量的提高作用是非常大 的.当刀具倾斜一定角度时,选择适当的加工参数 可使铣削加工一直处于延性加工模式之下.对已加 工表面进行观测发现,已加工表面无任何裂纹,而且 表面粗糙度Ra控制在60nm以下. 超声波铣削是近年来新兴的一种加工方法,特 别适合硬脆材料复杂型腔的加工.超声波铣削加工 使用简单形状工具,在计算机控制下利用CNC程序在y平面内实现二维轮廓加工,同时在Z轴方 向上实现逐层进给,把复杂型面的成形加工转变为 逐层去除加工L1.].磨粒在工具的3种运动的综合 作用下,不断地锤击,冲击,抛磨和刮擦工件表面来 完成加工【..通过铣削力的试验发现超声铣削的 铣削力大大低于普通铣削.在加工中,铣削参数和 进给量对铣削力的影响较大,对切削深度的影响较 小.与传统的超声波加工相比,超声波铣削大大简 化了超声波加工工艺过程的控制,不仅提高了整个 系统加工的柔性,而且还降低了加工成本,这种加工 方式适合于中小型腔,薄型面,复杂曲线型面和组合 型面的加工,采用超声波加[可以缩短5倍的加工 工时,所以说因解决脆硬材质加工而发展起来的超 声波铣削加工是加工光学玻璃的最好选择之一ll2. 2未来研究方向 光学玻璃在加工中易产生切削过程不稳定及刀 具磨损严重的现象,为获得无微缺陷的高品质加工 表面,需要精确控制加工条件以保证加工精度.现 阶段对ELID磨削技术的研究大多是关于使用 ELID方法提高各种硬脆材料加工的加工质量,对 于ELID电解机理,氧化膜的生成,物理化学性能, 力学性能方面研究较少,而这砦因素决定着EIID 磨削过程和质量.此外,EII11)磨削过程的在线监 控与优化以及磨削生产线试验加强研究等也是未来 研究的重点.由于磨削工具和工艺的复杂性,振动 磨削的磨削机理一直是超声磨削加l[技术研究和探 讨的重点,超声加工过程中的影响因素较多,随机性 较大,如何建立超声加工设备的自适应系统,以解决 随机性问题也是研究关键之一.激光加工的难点在 于对激光束参数的控制,其与工件材料性能和切削 参数密切相关.激光器和计算机数控技术,先进的 光学系统及高精度自动化的『=件定位相结合,研制 和生产加工中心,是激光加工发展的一个重要趋势. 由于我国的超精密铣削加:I:技术落后,超精密加工 机床功能单一_,因此,对精密铣削加工表面形貌预测 以及仿真来改进精密加工方法,对提高工件表面质 量和加工效率变得越加重要.近年来超精密加工技 术飞速发展,发展光学零件的超精密铣削加工技术, 研制高性能超精密铣削加工机床的需求越加迫切. 对光学玻璃的各种精密加工方法的研究日的不仅是 提高加工表面的质量,还包括如何减少工件表面残 余应力和亚表面裂纹的产生等,并且要简化加工工 艺过程,提高加工效率和加I:经济性. 参考文献 《新技术新工艺》?数字技术与机械加工工艺装备2011年第4期?23? ,,,一一,一,一一,一一一一,一一, rasivetoolssur[acefinishingunderhrittle-ductilegrinding regimeswhenmanufacturingglass[J].JournalofMaterials ProcessingTechnology,2010(210):466—473. 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BFC6123B1型客车是该公司针对高端旅游市场推出的一款深受用户喜爱的高品质豪华旅游客车.整 车传承德国NEOPLAN全承载制造工艺理念,从框架结构到优化的底盘配置,从灵动外形到驾乘的超凡舒 适,BFC6123B1型客车处处以细节体现关爱,以新科技打造旅游客车精品,获得了广大用户的青睐. 作为拥有2O余年豪华客车制造历史的企业,在秉承德国NEOPLAN先进制造工艺和技术基础上,始终 坚持自主创新.近年来,北方客车不仅努力提升自身品质,同时在产品型谱上不断延展,目前已经拥有高速 客运客车,豪华旅游客车,中,高档公交车,卧铺客车及特种车辆5大系列,产品覆盖了国内旅游,客运,公交 等领域,满足高,中档不同市场的用车需求.该公司另一款参展的BFC6800GJ是针对中小城市,城乡公交市 场打造的一款公交车.车身长8m,配置玉柴国?发动机,板簧式悬架结构,预应力拉伸蒙皮,保证了整车质 量可靠,经久耐用,维修成本低的特性.车内配有刷卡机,监控系统,非独立顶置空调及采暖系统,使整车在 保证特有高品质的前提下,合理降低了用户的采购成本. —— 摘自中国兵器工业集团公司网 ? 24?《新技术新工艺》?数字技术与机械加工工艺装备2011年第4期