關(guān)于加工晶體鍺類玻璃零件的創(chuàng)新技術(shù)

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安，710065）

關(guān)于加工晶體鍺類玻璃零件的創(chuàng)新技術(shù)

王聰會(huì) 蘇 瑛 張恒超 張 博 金 鑫

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安，710065）

本文以某項(xiàng)目的光學(xué)玻璃零件為研究對(duì)象，通過科學(xué)的理論驗(yàn)證和推理以及有限元分析最終完成了對(duì)玻璃零件的加工，最終結(jié)果證實(shí)了運(yùn)用金屬類切削機(jī)床加工玻璃零件的可行性，以此推廣到機(jī)械加工中，可以解決部分超出現(xiàn)有光學(xué)加工設(shè)備加工范圍、部分加工技術(shù)難點(diǎn)和加工能力瓶頸的有色金屬和晶體鍺類光學(xué)玻璃的零件金屬切削問題，這一研究打破了光學(xué)玻璃只能在光學(xué)專業(yè)機(jī)床上加工傳統(tǒng)觀念，開創(chuàng)五軸加工中心加工玻璃零件的先例，為本單位甚至國家的智能制造提供了寶貴的資料。

鍺類玻璃；金屬切削；有限元分析；智能制造

某激光項(xiàng)目中有一種柱面鏡零件，其作用是將圓形光斑拉成直線光斑，該柱面鏡半徑設(shè)計(jì)為R265.5±1mm，材料為鍺晶體。面形精度要求非常高，采用普通設(shè)備細(xì)磨、拋光面形很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求；若采用金剛石車床，則要求行程至少531mm，目前本單位的金剛石車床行程遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。面對(duì)該難題，光學(xué)工藝、機(jī)加工藝、試制部操作人員一起，針對(duì)該零件的特點(diǎn)，制定了一種應(yīng)用數(shù)控加工中心設(shè)備的技術(shù)方案，以解決該零件曲率半徑大、面形精度高的技術(shù)難題。

傳統(tǒng)光學(xué)領(lǐng)域加工柱面鏡時(shí)通常采用普通機(jī)床或金剛石車床，金剛石車床屬于超精密加工范疇，設(shè)備成本高，而且所加工零件的尺寸范圍決定于設(shè)備的加工行程。僅就特殊玻璃零件的粗加工工序而言，本創(chuàng)新技術(shù)可以對(duì)有色金屬和晶體鍺類材料基體進(jìn)行各尺寸、各面形的粗加工，為后續(xù)的拋光工序創(chuàng)造基礎(chǔ)。特別對(duì)于我所的光學(xué)零件試制加工任務(wù)，常規(guī)零件都有設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)加工，但如果該零件具有曲面面型，甚至于非球面面型，尺寸偏大，材料為有色金屬或晶體鍺。對(duì)于這類零件的粗加工，該創(chuàng)新技術(shù)具有顯著的先進(jìn)性、效益型和獨(dú)創(chuàng)性。查閱相關(guān)資料和知識(shí)庫，目前在國內(nèi)、國外均沒有該創(chuàng)新技術(shù)方面的描述。

1 創(chuàng)新技術(shù)原理與方案

本文以某項(xiàng)目柱面鏡為光學(xué)零件為載體，由光學(xué)工藝設(shè)計(jì)為牽引，機(jī)加工藝技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)操作技藝技能為支撐。在跨專業(yè)工藝制造過程中，充分調(diào)動(dòng)機(jī)械加工工藝鏈中的現(xiàn)有優(yōu)勢(shì)資源。對(duì)晶體材料零件加工進(jìn)行創(chuàng)新。對(duì)可能存在的工藝難題進(jìn)行了梳理和探討，并形成了諸多的工藝技術(shù)和特色的技能操作方法。

本文技術(shù)原理為：應(yīng)用機(jī)械加工中通用機(jī)床的去料切削功能，跨專業(yè)地對(duì)有色金屬、鍺等晶體材料零件進(jìn)行切削加工，如圖1所示。

根據(jù)零件的特點(diǎn)采取的工藝路線：粗磨成型——三塊零件火漆上盤——數(shù)控加工中心金切柱面——拋光柱面粗糙度——拋光第二平面。運(yùn)用該工藝路線以加工中心機(jī)床的金切加工代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝中的細(xì)磨、粗拋柱面。

該技術(shù)的主要難點(diǎn)；①面型精度：理論上加工中心等金切機(jī)床的定位精度可以保證，但在整個(gè)工藝系統(tǒng)中系統(tǒng)剛性、加工讓刀、刀具過切、各軸反向間隙等因素都會(huì)對(duì)實(shí)際加工出的面型精度產(chǎn)生影響。②表面粗糙度：作為本創(chuàng)新技術(shù)的主要技術(shù)指標(biāo)，切深吃刀量、進(jìn)給速度、切削速度、行切密度等因素都會(huì)直接影響實(shí)際的表面粗糙度。③晶體材料的特性：相對(duì)于常規(guī)金屬材料，晶體鍺的硬脆性還是更高，所以在實(shí)際加工中，需要驗(yàn)證合適的刀路軌跡、切入切出方式、加工余量等。④切削液及排屑：對(duì)于玻璃零件，去料加工必然面對(duì)切屑排出問題，在實(shí)際加工中需要驗(yàn)證排屑方式。⑤切削刀具：在加工中，應(yīng)用何種材料基體的刀具，并且刀具的幾何參數(shù)如何，將直接影響本創(chuàng)新技術(shù)主要的技術(shù)指標(biāo)。⑥加工精度的檢測(cè)：驗(yàn)證本創(chuàng)新技術(shù)對(duì)晶體鍺玻璃零件的實(shí)際加工效果，需要借助光學(xué)加工中的精密檢測(cè)儀器。

圖1 數(shù)控機(jī)床加工晶體鍺類玻璃零件

圖2 改制后的刀具

可行性分析：首先，對(duì)于光學(xué)材料，本創(chuàng)新技術(shù)不考慮需要磨粒加工的傳統(tǒng)硬脆的光學(xué)玻璃，只對(duì)可進(jìn)行去料切削加工的有色金屬和晶體鍺等材料。其次，金切機(jī)床，特別是加工中心，甚至于五軸加工中心都有著相對(duì)更多的空間加工能力和更大的加工范圍，一般實(shí)際的定位精度可達(dá)0.004mm/300mm長(zhǎng)。在剛性足夠并穩(wěn)定可靠的工藝系統(tǒng)中，應(yīng)用合適的加工刀具，優(yōu)選切削參數(shù)，有望達(dá)到粗糙度優(yōu)于Ra0.8mm，面型精度優(yōu)于0.005mm。所以，對(duì)于晶體材料光學(xué)零件粗加工的一般要求，該創(chuàng)新技術(shù)在原理上可以保證。

2 加工過程以及參數(shù)分析

本論文的創(chuàng)新技術(shù)現(xiàn)已在晶體鍺零件上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。在柱面鏡的實(shí)際試驗(yàn)加工中，面對(duì)各種挑戰(zhàn)并克服了諸多的難題，主要的實(shí)施過程和應(yīng)用的工藝技術(shù)如下。

2.1 工裝和裝夾方式

在工藝系統(tǒng)中，制作好了工裝后，裝夾方式就比較簡(jiǎn)單了，主要原則是保證裝夾牢靠，不干涉加工。本次試制加工采用的是傳統(tǒng)的墊鐵-螺釘-壓板裝夾方式。

2.2 刀具材料和刀具改制

該零件加工應(yīng)該用高硬度、耐磨、熱硬性好、工藝性好、散熱性好的刀具，主要有金剛石刀具和立方氮化硼（CBN）。選擇金剛石刀具。

在該零件的緊急試制任務(wù)中，借用了金剛石車床現(xiàn)有的刀具。該刀具為靜止?fàn)顟B(tài)的車刀，為了應(yīng)用到旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的加工中心上，對(duì)其進(jìn)行了改制，如圖2所示。

2.3 設(shè)備選用

本單位現(xiàn)有多款三軸五軸加工中心，為了保證工藝要求的面型精度，選擇應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的DMU100加工中心。該設(shè)備主軸轉(zhuǎn)速12000r/min，實(shí)際定位精度0.005mm/全長(zhǎng)，重復(fù)定位精度0.003mm/全長(zhǎng)，最大軸行程1000mm。

表1 銑削速度推薦表

2.4 走刀方式的確定

加工的玻璃零件很脆，不能受到太大的壓力，當(dāng)選擇順銑時(shí)；切削力Fc在垂直方向分力 Fn始終向下，對(duì)工件起了壓緊作用，切削平穩(wěn)，在銑刀刀刃切入工件時(shí)，切屑厚度最大，逐漸減小到0。后刀面與已加工表面擠壓、摩擦小，刀刃磨損慢，表面質(zhì)量好。為了保證該硬脆材料玻璃在切削時(shí)不會(huì)棱邊崩裂，選擇圓弧進(jìn)退刀方式，并且手工增加預(yù)切程序段。

圖3 殘余高度

圖4 加工中心金切后的晶體鍺柱面

2.5 程序準(zhǔn)備

對(duì)于線性柱面曲面，采用手工宏程序編程方法，以方便隨時(shí)修改和調(diào)整：

0 GEGIN PGM GXTEST2 MM

1 BLK FORM 0.1 Z X-1 Y-1 Z-1

……

25 TOOL CALL 23 Z S300

26 L Z-1 R0 FMAX M3 M91

27 CYCL DEF 7.0 DATUM SHIFT

……

35 L X-35.5 Y-232 RO FMAX M25

36 L Z+2 RO FMAX

37 L X-35.5 Y-233.37 RO F30

38 CC X+0 Y+0

39 LBL 10

40 C X+35.5 DR-

41 L IZ-0.015

42 C X-35.5 DR-

43 L IZ-0.015

44 ALL LBL 10 REP800

2.6 仿真與應(yīng)力分析

應(yīng)用UG和ABAQUS軟件對(duì)零件進(jìn)行應(yīng)力分析，應(yīng)用VERICUT軟件對(duì)程序及加工過程進(jìn)行仿真和干涉檢查。

2.7 切削參數(shù)

根據(jù)晶體鍺材料的硬度莫氏硬度為6，根據(jù)轉(zhuǎn)換的經(jīng)驗(yàn)值： 布氏=（莫氏＊6.5+3）＊10，那么也就相當(dāng)于玻璃的布氏硬度約為420左右，根據(jù)上表的參數(shù)可以看出，隨著硬度的增加切削速度不斷地減小，參考表1選擇切削速度為40m/min，加工所用刀具回轉(zhuǎn)直徑為50mm。

通過主軸（銑刀）的轉(zhuǎn)速公式：

計(jì)算得出主軸轉(zhuǎn)速為260r/min。

查表設(shè)定每齒進(jìn)給量為0.04mm,通過進(jìn)給量的計(jì)算公式：

計(jì)算得出進(jìn)給量為22mm/min。

因?yàn)樵摿慵屎艽?，面型較平坦，加工余量很小，所以選擇一次成型加工，不用計(jì)算吃刀量。

最后根據(jù)殘余高度計(jì)算公式，如圖3所示。

式中，h—?dú)堄喔叨龋?/p>

L—刀具在切削點(diǎn)的步距；

ρ—曲面法曲率半徑；

R—刀具的半徑。

反算出行距L為0.015mm。

2.8 排屑方式

目前，對(duì)于晶體鍺材料在切削時(shí)適用的冷卻液（清洗液）未做研究。鑒于該零件的光學(xué)特性和加工中心的實(shí)際條件，選擇使用連續(xù)吹氣的排屑方式。

3 結(jié)果檢驗(yàn)以及經(jīng)濟(jì)性

完成加工后的零件如圖4所示。分別以三種方式進(jìn)行了檢測(cè)：機(jī)床紅外線測(cè)頭進(jìn)行在線檢測(cè)和幾何尺寸的初檢查；用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)整體的面形進(jìn)行檢測(cè)，其面形檢測(cè)半徑為R265.483mm，精度符合圖紙要求；用R265.5mm球面半徑檢測(cè)，能夠清晰看到一條細(xì)直彩色條紋，按經(jīng)驗(yàn)其面形精度符合R265.5±1mm。

最后的檢測(cè)結(jié)果得到了工藝師的認(rèn)可，零件也執(zhí)行完了后續(xù)的精拋等加工工序。完成加工的成品零件已應(yīng)用在某項(xiàng)目的光電產(chǎn)品，并進(jìn)行了各項(xiàng)檢測(cè)和試驗(yàn)，滿足零件的設(shè)計(jì)精度及性能指標(biāo)。

本創(chuàng)新技術(shù)從論證階段即調(diào)動(dòng)各方優(yōu)勢(shì)資源，進(jìn)行明確分工，并進(jìn)行試制前的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確保了零件質(zhì)量和人員設(shè)備的安全，并且取得了很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，取得的經(jīng)濟(jì)效益：其單工序加工費(fèi)用為（加工）300元/時(shí) X 18時(shí)+（刀具）3600元+（工藝裝備）1500元=10500元。該技術(shù)可擴(kuò)展應(yīng)用于離軸、非球面類光學(xué)玻璃零件的試制粗加工，由于此類零件制造成本昂貴，所以該創(chuàng)新技術(shù)將能創(chuàng)造每年上百萬的經(jīng)濟(jì)效益更為加工中心類數(shù)控金切設(shè)備提供了功能擴(kuò)展的新思路。

4 總結(jié)

本技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)：

①協(xié)同光學(xué)玻璃、機(jī)械結(jié)構(gòu)兩個(gè)專業(yè)的制造工藝技術(shù)；

②本創(chuàng)新技術(shù)已得到實(shí)際驗(yàn)證，且在集團(tuán)公司，甚至國內(nèi)為首次提出并應(yīng)用；

③應(yīng)用數(shù)控機(jī)床的CAM和手工編程，可實(shí)現(xiàn)線性、非線性面型（包括非球面和離軸鏡面）的加工擴(kuò)展；

④加工中心設(shè)備對(duì)于金剛石刀具的應(yīng)用；

⑤加工中心行切加工時(shí)粗糙度殘留高度的計(jì)算應(yīng)用。

本創(chuàng)新技術(shù)已在多個(gè)項(xiàng)目鍺玻璃鏡類學(xué)零件上應(yīng)用，結(jié)果表明尺寸精度、性能指標(biāo)完全滿足設(shè)計(jì)、工藝要求。本課題成果還可應(yīng)用于有色金屬類光學(xué)零件的粗加工，后續(xù)會(huì)對(duì)大口徑離軸、非球面類光學(xué)零件的面型粗加工開展實(shí)驗(yàn)過程。

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王聰會(huì)（1980-），男，長(zhǎng)期從事數(shù)控加工與工藝工作，中國兵器關(guān)鍵技能帶頭人，高級(jí)工程師。