大球面光学零件的高速精磨

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1、?劝充李仪? 闷? ? ? ? ? ? ? 臼? ? ? ? ? ?大球面光学零件的高速精磨查 大像?能京工业学院?提要本文对大球面光学零件在高速精磨中的 光圈稳定性问题作了理论分析。时球面零件在精磨中相对线速度的分 布与压强的分 布作了具体的计算。并结合大球面光学零件的加工特点,提出 了大球面高速精磨盘的设计 原 则与方法。且在国内首 次设计和制 造的? ?大球面高速精磨机 上,进行实验 考核,证实了理论分析的正 确 性以及大球面高速精磨 盘设计方法的 可行 性。还时机床各参数如何影响光圈的稳定性及其变化率以及 对玻璃 磨去量的影响提供了有用的数据及其规律。金刚石精磨片高速精磨在光学加工中的

2、应用,不仅提高了光学零件精磨的效率,改善?精磨表面的光洁度,而且缩短了抛光时间,提高了光学零件冷加工的综合效率。近年来,我国对金刚石精磨片高速精磨的工艺、设备、磨具、冷却液等都作了大量的研究工作,但是,对于曲率半径大于?的大球面高速精磨的研究还很少,本文着重大球面光学零件在高速精磨中的规律进行了理论分析和实验考核,提出了大球面高速精磨磨具的设计方法和保持工件光圈稳定的有效措施,为大球面的光学加工提出了可循的数据。一、保持镜盘光圈稳定的理论分析球面金刚石磨具在使用中,总是不断地磨损,假如工件加工的参数不变,而磨具表 面的几何形状能够始终保持在所要求的曲率半径,那末,这个磨具就一定能够加工出稳定的

3、光圈。此时,磨具的设计是合理的,磨具的磨损应该符合余弦条件。现将影响磨具磨损规律的因素作如下 分析?。定樱随动时,球表面相对线速度模的分布?由于大球面曲率半径很大,国内外的大球面高速精磨机均 不采用准球心摆动,只是在小范围内作低速平动,故本节仅对定摆随动条件下的相对线速度分布作研究。我们将球表面相对线速度的分布分为四种情况,如图?、?、?“?、?所示。图中。? ?表示下盘的坐标系,。? ?是上盘的。?和? ?分别表示下盘和 上盘的 对称 轴,分别以角速痴痴转动,。为。?与。?轴间的夹角。在忽略压 力头与上盘之 间的 摩 擦力矩时,?畜?二?去?。? ?。,球表面曲率半径为?,?为球面上的任意点

4、,坐标以。和,角表不?光举仪公肠?图?和?是研究凹面为上盘或凸面为上盘时,上盘表面相对线速度的分布。很据相对线速度的分析,两者相对线速度模?又?的表达式是相同的,以公式?表示。?,?二? ?月晒?了图?根据分析,?和?。?是研究凸面为下盘或凹面为下盘时,?下盘表面相对线速度的分布。两者相对线速度模?,?的表达式略有不同,分别用公式 ?苟?一布?识垂。亏? ? !?一? ?甲?笼?。?乞甲? ?亿? !?和?表示之?记?,? 淤粼、护 时汤 歹之取 认?“一那万又?、?林乡?反仁少? ?,若当?角与?角一定,公式?中的甲角与公式?中的甲角相差为? ?。时,则公式?的?与公式?的卜,?相同。对于光

5、学加工来说,当定摆时,下盘舞?轴转?上盘绕? ? 轴转?。所以,无论 是工件的磨削还是磨具的磨损,只要在绕四转轴转一周的时间闻隔中、所得到的值总是与? ?抽?或。?轴?对称的。因此、我们在研究某一偏角?值时,不同?值的?,不 妨计算甲角 在?。? 。间的平均值 ?,那末,对这个平均值来说,按公式?和?算得的值,应该是相等的。于是我们可以分为两种情况,即下盘 和上盘在不 同的?角值与。角值时,相对线速度的模的平均值?,。图?是以? ? 。为纵轴,?角值为横轴,按不 同的?角进行计算的结果。从图中曲线可知,定摆随动时,当?角 小 于? ?”时,? 。值总是随着。角的加大而减小及?角的加大而加大。另

6、外,可以看到,?角小于?“时,上盘、下盘球表面上各点?,瓜口与?角的变化规 律差异很小。当。角大于? ?时,上盘中心?角值小?的蔺?。比边缘部分?角 值大?大得多,而下盘,虽然中,。部分的示? 。比边缘大,但两者的差异却较小?这提醒我们在加工中,对上盘来说,由相对线速变的分布所造成的盘损,中心会比边上多些,就是说,凹盘曲率半径向小变,凸盘则往大变。下盘的变化趋势与上盘是一样的,但中心与边缘变化量的差要小得多。一?一?期光学仅? 一一? ?肉 ? ,? ? ? ? ? ?曰 ?目目二宇牛零未王主全手硬硬、?三一 吧? ? , 卜,卜? 砚, ,? ?匀产? ?嘛几。?欢夕护护扩七,? ? 血石气

7、? ?图?。球面上压力的分布如图?所示,下盘球面的坐标系为? ?,上盘球面的坐标系为。?。?为 下盘对称轴,。 ?为 上盘对称轴,两者间的夹角为?。上 盘由于压力头的压力与 自身盘重给予下盘 的总压力为?,球面上任意点?所受到平行于?的压力为?,法向压力为?,则?二? ?日?如果把上盘与下 盘视为刚体,压力具有直线性质,将其规定为?二?。?式?中的两个参数?。与?可通过下列两式,即力的平衡与力矩的平衡求得?丁?丁?了?式中?整个接触面在。?面 上的投影,?一?坐标左面 的积分域,?坐标右面的积 分域。如图?所示,?、二为下盘的半对角?氏?二为上 盘 的半对角,少表示在。?平面上,上盘球面与下盘

8、球面相接触的范围内的最大日角。解方程?与?,得如下结果。?。二?图?, ?,?笼?日,?日。二?二一? ?困一?一?摘先?仅?石? ? ? ? ? ? ? , ? ? ? ? ? ? ? ?兀?日二一二一?二一 。?二?,?阮?一?,?。二一?冲 ?二?阮二? ?。?、二一?一?阮?一?一二一? ?在下盘球面? ?坐标系中的分布,应将式?、?、?、式代入?式后,再将坐标系。? ?变换成? ?,则?、? ? 日?。? ?日? ?。? ?一? ? ? ? !? #?%=几二!洲,Q甲=万二Iu甲。十n“1 1 1甲。一J灭 JJO廿.业2sinZ甲。4(14)若求上下球面接触范围内下盘球面上的平均

9、压力值,则以下式表示_1(中0、,J 0.二 ,sin印。., 1N=一二一!洲月甲=u十n尽一丁二一十J、-石-个甲0JO甲。白sinZ印。4印。如 图5(15),l.J、户以不同的a角值,求O角对NIR“ /P的影响曲线,、图6所示。图5是按式(14)求下 盘球面上平均压力系数N皿2/P与。角的关系曲线;图6是按公式(1 5)求上下球面接触范围内下盘球面上的平均压力系数NIRZ/P与e角的关 系曲线。图5说明平均压力系数N;R“/P随着a角的加大而降低。当a角小时,下盘中心与边缘平均压 力系数的差值越大。随着a角的加大,下盘 中心的平均压力系数减小、边缘加大,所以中心与边缘的差值减少。图6

10、表示接触范围 内,下盘 球表面 上平均压力系数 的分布,由于。队.二一a时,甲。日。二一a时,再乘以二/小。由d, ,按公式(18),置。(a为压力头偏角),按公式(16)所算得的小。1 80“,则K应该重新计算c os e盛 尸、0,产、诊, /,则6;产和小;即为各精磨片最后决定的位一6一光学仪 . . . . . .口. . . . . . . . . . . . . . 口 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .三、大球面高速精磨的实验考核1。对先.狡定性的考核按前述理论分析和精磨盘的具体设计方案,在QJM22 0大球

11、面高速精磨机 上 作工艺考核。镜盘参数:镜盘曲率半径+494.3m m;镜盘半对角1 30.5 5,透镜直径中92m m,4块/盘.精磨盘参数:精磨盘半对角14 a.1,单头螺旋线,精磨片复盖比2 3 %,满足余弦磨耗。机床偏心盘偏心距为1om m,上盘 回转轴处于摆动的中心位置时,与下盘回转轴之间的夹角为3。5。,每盘加工时间为6 0秒,连续加工5 0 盘,光圈始终稳定。改变上盘回转轴处于摆动的中心位置时,与下盘回转轴之间的夹角,是调整光圈高低最灵敏的一个参数。如图8(a)和(b)所示。夹角为2 o和3。,使镜盘光圈逐渐变高,夹角为4“、5“和6。,光圈逐渐 变低。图9所示为每分钟的光圈变化

12、数,曲线与横坐标的交点,所得之偏角澎正是光圈稳定所需要的夹角。加工时间分891011妞一2. 4职 6.名活3加工时间 45 和梅 杨心炎。鬼 全I一民跳篇.股烈长呱尹武杯,ro人咦 弓8一以Ji- l剐, 目,口工如(b)图8一7一期光学仪器. .曰曰, . . . . . . 口 . . . . 曰. 加. . 一一护一 一一一一.一,砚.勺, . . 润. . . . . . .曰一-. .翻. . .气、众教胭图日(1)压强对光圈稳定性的影响在其他加工条件都相同的情况下,选取。6 2kg /C mZ、。7 3kg /c t n和0.“kg了 c I n,三种不伺的压强,作光圈稳定性的试

13、验,得到如图10、n、1 2、1 3等四张不同的曲线图。图1 0 和11是指偏角分别为2“和3。时,压强的影响曲线。偏角为2“ 、 3”时,光圈是向高变的,由于压强的增加,使得光圈变高的速度加快。图12是指偏角为6。时,光矍是向低变的,同样地,由于压 强的增加,使得光圈变低的速度加快。由图5和6得知,总压力P是作为定值计算在压力系数N;RZ/P中的,P不应该 影 响磨盘各环带处的压力系数的分布规律。但是,我们在加工中,每盘的加工时间是相同的,因此,不同的压强,使磨盘累计的磨损量不同,所以,当压 强增加时,使得光圈变化的速度加快。加工时间分- 2 Y哺目暇.侣尸10图10匆工时 间分和杯偏心距3

14、4”勺犷,10111,z r人 I .x励翔国中。. Zt .介二0 .7 3肠才坛.刁-峭确: 1 0曰1飞一8一加工时间 2400转/分2。乙偏心距1 0脱压345吃/子)6Z K:力头拉伸O1,公/矛了七创c二。- 1招司咚- .、中翻恤祝- 4嘀嗯0.75上g/0.6 2k名 /c.川邢0.88k/em:田12田13(2)速度对光圈稳定性的影响在其他加工条件都相同的情况 下,选取40 0和6 0。转/分两种主轴转速,作光圈稳定性的试验,得到如图1 4所示的结果。与压强的影响相同,当主轴转速加快时,光圈变化的速度也加快。.乙,、O分.万呱 佑以杯吕t“拟肠.匆公时翔口f肠五户幼冲习 吸护

15、 一台戈口.白n即.双图14(3)偏心距大小对光圈稳定性的影响QPM2 20大球面精磨机的偏心距可调范围为OZOm m之 间,由于此 机床属于非准球 心加工法,因此,摆幅不宜过大,所以偏心距选取。和IOm m。所得结果如图1 5所示。偏心距对光圈稳定性的影响不大。(4)压力头伸缩对光圈稳定性 的影响选择压力头 向操作者方向拉10m m(称前1。恤)、 0、背离操作者方向推1 0(称 后 i。 )三种情况做试验,所得结果如图1 6所示。压力头拉伸对光圈稳定性影响不大。(5)摆次对光圈稳定性的影响: OPM2 2O大球面 高速精磨机只有两种摆 次,即2 0次/分与2 5次/分,所得结果 如图 1 7所一9一期光学仪粉石.示。摆次对光圈稳定性的影响不大。够,事妹“似. .“弘乡长从豪越积.几0 令、翻班歌,几你.吃甘. .图15龟班摇职2。对玻璃磨削t 的影晌采用zK7和K。两 种牌号 的光 学玻璃,用单块加工形式。测