轮胎面透镜单点金刚石车削加工工艺技术研究

轮胎面透镜的单点金刚石车削加工工艺技术研究

【摘要】基于较成熟的旋转对称非球面的单点金刚石车削加工工艺，通过大量工艺试验，对工装夹具、车削刀具、切削参数等进行研究，总结出了一套实用的单点金刚石车削轮胎面光学元件的加工工艺。该工艺方法也可以适用于其它离轴非球面的单点金刚石车削加工。

【关键词】单点金刚石车削；轮胎面透镜；离轴；工艺技术

1.引言

轮胎面透镜可用于光束束腰置远、光束偏转小角度等方面，在保证传输中的光束直径、消象散等方面具有传统光学元件难以具备的功能，被日益广泛地应用在国防军事、航空航天、通讯、医疗等领域。本工艺研究基于较成熟的旋转对称非球面的金刚石车削加工工艺，通过大量工艺试验，对工装夹具、车削刀具、切削参数等进行研究，总结出了一套实用的，行之有效的在单点金刚石车床上车削轮胎面光学元件的加工工艺。

2 .金刚石车削加工原理

本文的讨论是基于英国taylor hobson公司的ultraform350单点金刚石车床。该车床是两轴机床，可加工最大直径为350mm的平面、球面、非球面等各类轴对称光学元件。其车削加工原理是，被加工件通过工装夹具吸附于主轴的真空吸盘上，并且光轴和车床z 轴重合，主轴带动被加工元件高速旋转，利用tpg刀具轨迹发生器生成程序，使刀具x、z两轴插补联动按照光学元件子午曲线轨迹

运动，对被加工光学元件进行车削，形成轴对称光学曲面。其中主轴与被加工光学元件的动平衡将影响零件的形状误差和表面波纹度[1]。

图1 单点金刚石车床车削原理简图

3.轮胎面的车削加工工艺

3.1 轮胎面的特点

轮胎面光学元件是非对称光学元件，以光轴为中心，其子午方向和弧矢方向具有不同的曲率半径，在精确要求两个曲率半径的同时，还需要具有很好的面形和表面粗糙度。

3.2 工装夹具

根据金刚石车床加工的特点，夹具采用回转对称结构[2]。设计的工装夹具简图如下：

图2 工装夹具简图

其中轮胎面母体是一椭球体，其子午和弧矢方向的曲率半径分别与被加工轮胎面的两个曲率半径相同。根据被加工轮胎面的外形尺寸，在母体的对称位置去除表面作为轮胎面的定位面，去除深度与被加工轮胎面匹配。轮胎面母体的旋转轴与夹具底座的旋转轴严格重合。夹具上设计了高精度定位槽（与轮胎面的台阶相匹配），确保轮胎面光学元件ry与台阶之间角度满足轮胎面的设计要求。采用光胶法使被加工轮胎面元件与夹具紧密贴合并粘结轮胎面底面。夹具底座吸附面为高精度研磨面，面形精度pv值小于1um。夹具底座外圆经过精车，垂直度要求0.01mm以内，确保重复定位精度。

根据被加工轮胎面的参数，可以选择2个、4个或6个定位面，即同时加工2个、4个或6个相同的轮胎面。

3.3 车削刀具

3.3.1 刀具的选择

实验中选用的加工材料是n型单晶锗，所以选用常用的前角

-25°、后角-10°的金刚石圆弧车刀。由于刀具波纹度随刀具半径的增大而增大，而刀具波纹度直接影响被加工件的表面粗糙度，因此，采用小圆弧刀具。

3.3.2 刀具的精确定位

单点金刚石车床车削工件时，刀具的精确定位是关键[1]。若调整不好，工件机械轴和光轴不一致，工件的边厚差成线性增大，工件几何精度和面形精度均难以保证。刀具在车床坐标系中2、7、3象限可以采用刀具探测系统精确设置位置坐标。加工轮胎面时，刀具必须在车床的第6象限，无法使用设备配带的刀具探测系统。实验中采取预加工样件动态调校刀具，精确获得了刀具刀位点在车床坐标系中的精准坐标，有效保证了轮胎面机械轴和光轴的同轴度。预加工时，将预加工件在轮廓仪上进行检测，根据测量结果结合图形曲线值对刀具位置坐标进行调整。

当刀具刀位点初始坐标与轮胎面机械轴不重合时，检测曲线呈“s”曲线，测量结果如下：

刀具刀位点与轮胎面机械轴不重合的检测曲线

当刀具刀位点初始坐标与轮胎面机械轴重合时，检测曲线基本接

近直线。如下图所示。

3.4 车削参数的选择

车削参数直接影响被加工零件的表面质量[3][4]。

圆弧刀具产生的表面粗糙度可表示为：

其中，f是刀具进刀量，rt是刀具圆弧半径。被加工件的表面粗糙度随刀具进刀量的增加而增大，随刀具圆弧半径的减小而增大。选用了较小的刀具圆弧半径，因此加工中必须采用较小的进刀量。刀具刀位点与轮胎面机械轴重合时的检测曲线

加工过程中，真空主轴带动夹具高速旋转，镶嵌在夹具母体中的几个被加工件产生高频断续切削冲击刀具。金刚石刀具属高硬脆材料，高频断续切削将使刀具圆弧微观波纹度增大，影响工件的表面粗糙度，工件局部面形也将增大。

经过大量试验，本工艺采用了较低的线性速度以及较小的走刀量和较小的切削深度。

4.车削加工结果

被加工轮胎面的要求是：曲率半径rx=31.69mm，ry=31.65mm，曲率半径公差r±0.01mm，rx-ry=0.04±0.01，

面形精度pv值<0.7μm 。

使用上述工艺方法加工出的轮胎面光学元件，经英国的talysurf 轮廓仪检测，结果如表1：

表1 被加工轮胎面的测试结果

序号rx（mm） x方向面形pv（μm）ry（mm） y方向面形

pv（μm）表面粗糙度（μm）

1 31.6883 0.2469 31.6484 0.2950 0.0050

2 31.6891 0.2518 31.6478 0.2749 0.0052

从上表看，△rx≤5.3e-5，△ry≤6.9e-5。测试结果大大优于设计要求。工件表面粗糙度达到5nm，满足光学元件表面粗糙度要求。

5.结论

加工结果表明，该工艺方法实用可行，加工出的轮胎面光学元件满足设计要求。该工艺方法也可以适用于其他离轴非球面的单点金刚石车削加工。

参考文献：

[1] ultraform350 user’s guide .ametek，2006.

[2] 苄洪元. 机械制造工艺与夹具[m]. 北京：北京理工大学出版社，2010.

[3] 潘君骅. 光学非球面的设计、加工与检验[m]. 苏州：苏州大学出版社，2004.

[4] 田守信，马仁勇，郭宝金. 高精度及特种光学零件制造与检测[m]. 武汉：华中理工大学出版社，1991.

作者简介：

程子清，女，（1975-），工程师，硕士，主要研究方向是光电检测。