一種非回轉(zhuǎn)對(duì)稱高精度L型臺(tái)階的加工方法

王明輝，趙寶奇，孫紅曉

(1.中航工業(yè)洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽 471009;2.中國(guó)人民解放軍駐六一三所軍事代表室，河南 洛陽 471009)

0 引言

護(hù)目鏡顯示瞄準(zhǔn)具是近幾年來發(fā)展比較迅速的一種先進(jìn)、高效的機(jī)載瞄準(zhǔn)顯示系統(tǒng)，在國(guó)外應(yīng)用廣泛、裝機(jī)較多，但在國(guó)內(nèi)裝備領(lǐng)域還是空白［1］。護(hù)目鏡瞄準(zhǔn)顯示光學(xué)系統(tǒng)中的零件種類多，形狀復(fù)雜，如何加工出滿足設(shè)計(jì)要求的光學(xué)零件是保證系統(tǒng)成像質(zhì)量的關(guān)鍵。光學(xué)零件的加工涉及多項(xiàng)制造技術(shù)，關(guān)鍵技術(shù)之一是在一個(gè)光學(xué)透鏡上加工一個(gè)非回轉(zhuǎn)對(duì)稱、高精度L型臺(tái)階。

本文介紹一種在光學(xué)透鏡上加工非回轉(zhuǎn)對(duì)稱、高精度L型定位臺(tái)階的方法。

1 零件的外形及技術(shù)要求

零件是一個(gè)圓形負(fù)透鏡，一面為平面，一面為凹球面，其上存在一個(gè)L型臺(tái)階，臺(tái)階與平面平行，并關(guān)于軸線對(duì)稱，如圖1所示。

圖1 零件外形圖Fig.1 The profile of lens

主要技術(shù)指標(biāo)為

1)L型缺口臺(tái)階厚度尺寸4±0.02 mm;

2)L型缺口臺(tái)階平行度0.01 mm;

3)缺口半寬度8.5±0.02 mm;

4)缺口寬度17±0.04 mm。

2 技術(shù)方案

若臺(tái)階是圓形(回轉(zhuǎn)體)，可以使用240 CENTROMATIC CNC激光定中心磨邊機(jī)執(zhí)行程序，磨外圓后直接磨出臺(tái)階。利用240 CENTROMATIC CNC激光定中心磨邊機(jī)的控制精度，能很好地保證回轉(zhuǎn)對(duì)稱型臺(tái)階的加工。

此臺(tái)階是非回轉(zhuǎn)對(duì)稱L型，無法使用只能加工回轉(zhuǎn)體的240 CENTROMATIC CNC激光定中心磨邊機(jī)完成，針對(duì)其特點(diǎn)，采取以下措施:

1)分析現(xiàn)有光加設(shè)備，確定在專用機(jī)床棱鏡銑磨機(jī)上實(shí)現(xiàn)L型臺(tái)階的加工;

2)利用現(xiàn)有工裝夾具，通過加工試驗(yàn)件，確定在非常規(guī)加工狀態(tài)下程序的正確性及可行性;

3)精確測(cè)量試驗(yàn)件尺寸，根據(jù)測(cè)量結(jié)果設(shè)計(jì)合理的工裝夾具，保證L型臺(tái)階的加工。

3 關(guān)鍵技術(shù)及解決措施

3.1 工裝夾具設(shè)計(jì)

夾具上設(shè)計(jì)一個(gè)寬度與被加工零件外圓直徑相一致的平面，如圖2所示。

圖2 工裝夾具圖Fig.2 The profile of workpiece chuck

在粘結(jié)時(shí)使零件的中心盡量與機(jī)床回轉(zhuǎn)中心在一條直線上［2－3］。平面的高度與專用磨輪外徑相匹配，保證高精度非回轉(zhuǎn)對(duì)稱L型缺口臺(tái)階的厚度尺寸。平面與夾具底面很好的平行度可保證高精度非回轉(zhuǎn)對(duì)稱L型臺(tái)階的平行度。夾具的一端為一方柱，加工時(shí)壓桿壓在夾具的方柱上而不是直接壓在零件上，避免零件受力而壓碎。

3.2 第一個(gè)L型臺(tái)階程序編制原理

棱鏡銑磨機(jī)的正常加工狀態(tài)需滿足兩個(gè)條件:

1)裝夾穩(wěn)固，機(jī)床壓桿回轉(zhuǎn)中心與零件的重心重合;

2)磨輪的回轉(zhuǎn)中心與零件被加工面高度中心一致。

因L型缺口的產(chǎn)生不僅利用金剛石磨輪的外圓，而且同時(shí)利用其端面，無法滿足常規(guī)加工狀態(tài)。通過計(jì)算，虛擬工裝夾具及零件的形狀［4］、尺寸，編制出機(jī)床認(rèn)可的加工程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)床在非常規(guī)加工狀態(tài)下加工非回轉(zhuǎn)對(duì)稱、高精度L型臺(tái)階的功能。

工裝夾具的實(shí)際高度為30.8 mm(通過加工試驗(yàn)件確定的尺寸，可保證L型臺(tái)階厚度尺寸的形成)，使用φ100 mm的磨輪，磨輪的回轉(zhuǎn)中心與機(jī)床上安裝底面距離為85 mm，則機(jī)床認(rèn)可的夾具高度理論上需大于35 mm，否則零件的整個(gè)面不能完全加工，編程時(shí)輸入虛擬夾具高度為45 mm。零件需加工距離中心8.5 mm的缺口，為保證缺口完整加工，磨輪的最低點(diǎn)應(yīng)該經(jīng)過φ 28.4 mm零件距離中心8.5 mm的弦的最邊緣。零件的高度中心應(yīng)與磨輪的回轉(zhuǎn)中心保持一致，才能達(dá)到機(jī)床認(rèn)可的加工狀態(tài)，虛擬零件的高度尺寸應(yīng)為80 mm。編程時(shí)需要輸入的另一個(gè)重要參數(shù)為E值，即壓桿中心(零件回轉(zhuǎn)中心)至被加工面的距離，而壓桿中心與工裝夾具的方柱中心重合，所以虛擬零件的中心應(yīng)是方柱中心。

編制第一個(gè)L型臺(tái)階加工程序時(shí)，為避免粘結(jié)誤差造成加工尺寸精度的不準(zhǔn)確，留加工余量2 mm，通過測(cè)試實(shí)際加工尺寸與程序輸入尺寸的差異，改變加工程序至完工尺寸，保證加工結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.3 第二個(gè)L型臺(tái)階程序編制原理

編程時(shí)輸入的虛擬夾具及零件的高度尺寸和第一個(gè)L型臺(tái)階的相同。同樣，為保證L型臺(tái)階一邊距離中心8.5 mm尺寸缺口的切削完整，磨輪的最低點(diǎn)應(yīng)該經(jīng)過零件距離中心8.5 mm的弦的最邊緣，編程時(shí)需要輸入的E值與第一個(gè)L型臺(tái)階有較大的變化。編程時(shí)注意考慮加工余量及非加工面的合理避讓，分兩次加工，通過測(cè)試實(shí)際完工的加工尺寸與程序輸入尺寸的差異，改變程序，加工零件至完工要求。

4 結(jié)論

本文介紹了如何巧妙地開發(fā)光學(xué)數(shù)控設(shè)備棱鏡銑磨機(jī)的功能，同時(shí)利用金剛石磨輪的外圓和端面在光學(xué)透鏡上一次加工出非回轉(zhuǎn)對(duì)稱、高精度L型臺(tái)階的方法［5］。因零件為光學(xué)透鏡，表面為具有一定曲率半徑的球，加工時(shí)壓桿不能直接壓在透鏡表面上，通過設(shè)計(jì)高度、形狀合適的工裝夾具，使壓桿壓在夾具上而不是壓在零件上，并虛擬零件及夾具的形狀、尺寸，編制機(jī)床認(rèn)可的加工程序，保證L型缺口的形成。

采用上述方法加工的零件已經(jīng)裝配在某型號(hào)顯示器光學(xué)系統(tǒng)中，成像質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。此零件的加工技術(shù)是保證產(chǎn)品研究成功的關(guān)鍵技術(shù)之一，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，獲得了發(fā)明專利(ZL200710123585.6)，為其他型號(hào)離軸角護(hù)目鏡顯示器的研制及批量生產(chǎn)提供了可靠的技術(shù)保障。

［1］蔣慶全.軍用頭盔顯示器技術(shù)初探［J］.現(xiàn)代顯示，2001，24(2):48-53.

［2］《光學(xué)零件工藝手冊(cè)》編寫組.光學(xué)零件工藝手冊(cè)(上)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1974:548-569.

［3］蔡立，耿素杰，付秀華.光學(xué)零件加工技術(shù)［M］.北京:兵器工業(yè)出版社，2006:369-376.

［4］楊力.先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2001:23-24.

［5］張?jiān)鴵P(yáng).現(xiàn)代光學(xué)制造技術(shù)文集［M］.上海:光學(xué)技術(shù)雜志社，2002:212-230.