X、Y方向非等R值微小非球面模具超精密磨削試驗

王賀，何家林，謝飛，李振

（1.金肯職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 211100；2.南京邁得特光學(xué)有限公司，南京 211100）

0 引言

隨著光學(xué)器件成像質(zhì)量的提高及成像系統(tǒng)體積的不斷縮小, 對高精度小孔徑非球面玻璃透鏡的需求增多[1]。與傳統(tǒng)的球面透鏡相比，非球面透鏡可用于消除球面像差、散光、彗差和場畸變，玻璃模壓成型技術(shù)是實現(xiàn)這類元件高效率、高品質(zhì)、大批量、低成本生產(chǎn)最具前景的加工技術(shù)之一[2]。但該技術(shù)還未能成熟地用于制造復(fù)雜光學(xué)曲面，由于復(fù)雜光學(xué)曲面玻璃模壓成型所用模具的制造精度難以保證，因此制約了該技術(shù)的發(fā)展。本文從誤差補(bǔ)償?shù)慕嵌葘Φ湫偷腦、Y方向非等R值微小非球面模具進(jìn)行超精密磨削試驗，試驗包括超精密磨削軌跡規(guī)劃和磨削補(bǔ)償，通過砂輪單點(diǎn)磨削的方式降低模具輪廓誤差，通過對加工后模具表面質(zhì)量進(jìn)行評價，來驗證實際加工效果和可行性，以期能夠為微小非球面光學(xué)玻璃透鏡模壓提供高精度模具。

1 試驗方法

1.1 加工方式的選擇

針對玻璃模壓工藝中，微小非球面玻璃透鏡模壓成型所用超精密模具的加工與傳統(tǒng)的磨削方式不同，采用單點(diǎn)接觸磨削可以保證砂輪與工件的接觸點(diǎn)在整個非球面上保持不變，進(jìn)而保證了砂輪的幾何缺陷不會在磨削過程中轉(zhuǎn)移到模具表面[3]。根據(jù)不同的機(jī)床配置，單點(diǎn)磨削方法和路徑規(guī)劃策略不同。本試驗裝置選用日本東芝的ULG-HYB機(jī)床（如圖1），采用CXZB四軸聯(lián)動加工，加工工件材料為無黏結(jié)劑碳化鎢,工件通過夾具安裝在工件主軸上，高速磨削主軸安裝在B軸旋轉(zhuǎn)工作臺上（加工過程中B軸轉(zhuǎn)動），工件繞主軸C旋轉(zhuǎn)的同時，X軸和Z軸聯(lián)動加工出模具所需曲面面形，通過控制B軸旋轉(zhuǎn)，可以保證砂輪上磨削點(diǎn)的位置不變，可避免砂輪的形狀誤差復(fù)印到被加工表面，保證模具光學(xué)表面精度[4]。

圖1 試驗裝置

模具光學(xué)曲面及尺寸參數(shù)如圖2所示，表面形狀為凹面，X方向R值半徑為1.09 mm，Y方向R值半徑為1.125 6 mm。

圖2 模具光學(xué)曲面及參數(shù)

1.2 砂輪路徑的生成

圖3所示為XZB斜軸單點(diǎn)磨削路徑規(guī)劃示意圖。圖中Pi點(diǎn)為磨點(diǎn)，Qi點(diǎn)是Pi的主弧鼻中心點(diǎn)，在初始狀態(tài)下，砂輪與非球面頂點(diǎn)進(jìn)行單點(diǎn)接觸時，砂輪軸線和Z軸的夾角為α，稱為初始偏置角[5]。加工時通過不斷控制B軸轉(zhuǎn)動角β來保持砂輪與非球面工件的單點(diǎn)接觸狀態(tài)，帶角圓柱面的中心點(diǎn)Qi被定義為刀具控制點(diǎn)。采用XZB斜軸單點(diǎn)磨削時，砂輪的回轉(zhuǎn)中心放在B軸上，路徑驅(qū)動砂輪的控制點(diǎn),當(dāng)在加工面的坐標(biāo)為（xp，zp），砂輪位置沿曲面法矢偏置距離r，即：

圖3 斜軸單點(diǎn)磨削砂輪路徑規(guī)劃示意圖

試驗選定的砂輪形狀為柱狀，砂輪直徑為1 mm，砂輪角度為45°，砂輪R角為0.1 mm，主軸（C軸）轉(zhuǎn)速為7200（°）/min，磨削軸轉(zhuǎn)速為40 000 r/min，進(jìn)給方向螺距為0.002 1 mm，每刀切深為0.001 mm，角度間距為0.5°，磨削半徑為1.1 mm，生成的砂輪路徑如圖4所示。

圖4 砂輪磨削路徑規(guī)劃

2 試驗過程

磨削加工前，首先使用修磨器對砂輪進(jìn)行原位修整，然后使用白色氧化鋁油石對砂輪進(jìn)行修銳，以確保磨粒從結(jié)合劑中突出，從而形成有效的切削刃。粗磨階段，使用粒度為325#的柱狀樹脂結(jié)合劑砂輪，來實現(xiàn)材料的快速去除，獲得預(yù)成型毛坯表面。精磨階段，使用粒度為12 000#的柱狀陶瓷結(jié)合劑砂輪，來實現(xiàn)玻璃模壓用模具所需的加工精度和表面質(zhì)量。在每次精磨之后，使用半徑為0.2 mm的紅寶石探針進(jìn)行在線輪廓測量，得到精磨后的磨削輪廓誤差。在下一個磨削周期中根據(jù)測得的輪廓誤差對砂輪的加工路徑進(jìn)行補(bǔ)償，重復(fù)以上測量補(bǔ)償步驟，直到模具輪廓精度滿足要求。

3 磨削試驗結(jié)果及分析

圖5是模具光學(xué)曲面精磨后在線測量得到的輪廓誤差曲線。由圖5（a）可見，在第一次精磨加工后，模具擺正后測量X與Y方向面形PV值，僅測量2個方向，X與Y方向曲面面形誤差最大PV值達(dá)到1.46 μm。將該輪廓誤差用于補(bǔ)償下一次精磨加工過程中的砂輪路徑，得到第二次補(bǔ)償磨削工件，模具擺正后測量X與Y方向面形PV值，僅測量2個方向，最終面形誤差如圖5（b）所示，補(bǔ)償磨削后X方向PV誤差減小到0.144 μm，Y方向PV誤差減小到0.219 μm，通過兩次補(bǔ)償磨削試驗，面形PV值降低至原來的10%～15%，驗證了誤差補(bǔ)償方法的可行性。

圖5 精磨后在線測量輪廓誤差

經(jīng)過兩次補(bǔ)償磨削后的模具如圖6所示。為了更好地評價補(bǔ)償磨削后獲得的面形精度，通過超高精度三維測量儀（UA3P）離線檢測得出輪廓誤差（如圖7），X、Y方向最大PV值為0.38 μm，檢測裝置如圖8所示。通過對比兩次輪廓誤差曲線發(fā)現(xiàn)，輪廓誤差形狀相似，PV值相近，測量結(jié)果之間的微小偏差可能是由于探針標(biāo)定誤差或非球面輪廓重構(gòu)中的擬合誤差引起的[6]。圖9顯示了磨削后模具表面粗糙度的測量結(jié)果，表面粗糙度分別為Ra5 nm和Rz39 nm，表明模具表面質(zhì)量足夠好，達(dá)到了光學(xué)鏡面效果，可用于后續(xù)的玻璃模壓加工。

圖6 磨削后微小非球面模具實物圖

圖7 精磨后離線測量輪廓誤差

圖8 UA3P三維測量儀

圖9 精磨后模具表面粗糙度（Ra5 nm，Rz39 nm）

4 結(jié)語

1）通過四軸聯(lián)動超精密斜軸單點(diǎn)磨削試驗，對已加工微小非球面進(jìn)行測量評價，通過兩次補(bǔ)償磨削試驗，面形輪廓偏差值從初始的1.46 μm和1.45 μm分別降低至0.144 μm和0.219 μm，表明基于誤差補(bǔ)償?shù)募庸し椒ň邆淇尚行浴?/p>

2）X、Y方向非等R值微小非球面模具PV值誤差控制在0.38 μm以下，表面粗糙度分別為Ra5 nm和Rz39 nm，表面質(zhì)量達(dá)到了光學(xué)鏡面效果，滿足后續(xù)的玻璃模壓光學(xué)透鏡制造需求。