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數(shù)控非球面加工技術(shù)吳肖杰S15020252CompanyLogo目錄非球面光學(xué)零件的簡介1非球面光學(xué)零件的加工方法2計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成型技術(shù)3直徑76.2mm非球面數(shù)控加工工藝4數(shù)控非球面加工的影響因素
5Part1.非球面光學(xué)零件的簡介非球面光學(xué)元件,是指面形由多項(xiàng)高次方程決定、面形上各點(diǎn)的半徑均不相同的光學(xué)元件。
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1.1非球面的分類:
二次曲面
單軸對稱非球面
(拋物面、雙曲面、橢圓面)按對稱軸的數(shù)量回轉(zhuǎn)高次曲面
二軸對稱非球面:柱面、復(fù)曲面
大型非球面:直徑超過0.5m以上按外形尺寸中型非球面:一般光學(xué)儀器中的非球面光學(xué)零件
微型非球面:鏡頭口徑2-9mm,甚至0.1--0.8mm
高精度非球面:天文儀器中的主鏡、用于攝譜儀中的物鏡按制造精度中等精度非球面:各種光學(xué)儀器中的物鏡、目鏡、反射鏡
低精度非球面:CompanyLogo
1.2非球面的優(yōu)點(diǎn)1.具有優(yōu)良的光學(xué)性能:無球差2.改善了成像質(zhì)量3.簡化了光學(xué)系統(tǒng):在光學(xué)系統(tǒng)中用一個非球面代替多個球面來校正像差。4.減輕了儀器的質(zhì)量CompanyLogo1.3非球面光學(xué)零件的應(yīng)用非球面光學(xué)零件已廣泛應(yīng)用于航空機(jī)載設(shè)備、衛(wèi)星、激光制導(dǎo)、紅外探測等領(lǐng)域,同時(shí)在民用光電產(chǎn)品上的應(yīng)用也越來越普及。光學(xué)系統(tǒng)中采用非球面元件,可以提高系統(tǒng)的性能,減少光學(xué)元件的數(shù)量,從而減輕儀器的質(zhì)量,減小體積,緊湊結(jié)構(gòu)。因此,非球面常常應(yīng)用于大視場、大孔徑,像差要求高,結(jié)構(gòu)要求小,或有特殊要求的光學(xué)系統(tǒng)中,非球面光學(xué)零件因其優(yōu)良的光學(xué)性能而日益成為一類非常重要的光學(xué)零件。CompanyLogo正是由于光學(xué)非球面元件的廣泛使用,使得光學(xué)非球面的加工技術(shù)得到了快速發(fā)展。近年來隨著超精密微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展、高精密數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn),使非球面光學(xué)零件的加工技術(shù)有了長足的進(jìn)展。它提高了加工精度和加工質(zhì)量,縮短了產(chǎn)品研制周期,實(shí)現(xiàn)了加工及檢測的自動化、數(shù)字化,突破了傳統(tǒng)的手工或半手工操作,從而提高了加工效率和制造精度。CompanyLogo1.4非球面光學(xué)零件制造過程非球面制造通常分為非球面成形和光學(xué)面實(shí)現(xiàn)兩個工藝方面。1)非球面成形:就是通過研磨等方法使零件表面面形達(dá)到非球面要求,但是表面粗糙度還很大,還不是光學(xué)面,不能夠透射或反射光。2)光學(xué)非球面實(shí)現(xiàn):主要有拋光、模壓和切削等方法,是在保持非球面面形的前提下,減小表面粗糙度,使之成為光學(xué)面。還有一些非球面制造的非球面成型和光學(xué)面實(shí)現(xiàn)是同時(shí)完成,如單點(diǎn)金剛石車削、光學(xué)塑料模壓、玻璃模壓等。CompanyLogoCompanyLogo
Part2.非球面光學(xué)零件的加工方法:
1)表面材料去除法:去除工件上多余的材料,最終得到所需非球面的形狀、尺寸和表面粗糙度要求。2)改變材料形狀法:是通過加熱的方法將光學(xué)材料的形狀改變從而實(shí)現(xiàn)非球面制造。光學(xué)塑料模壓技術(shù)3)材料表面沉積法:是通過在一種光學(xué)材料表面沉積其他光學(xué)材料制造非球面的方法。表面鍍膜法、表面復(fù)制法4)改變材料性質(zhì)法加工應(yīng)根據(jù)零件的材料、形狀、精度和口徑等因素的不同,采用不同的加工方法。非球面光學(xué)零件的加工方法表面材料去除法傳統(tǒng)的研磨方法:主要有研磨拋光法、仿形研磨與拋光、應(yīng)力變形研磨與拋光、柔性拋光等。其中柔性拋光有軟材料或氣囊來實(shí)現(xiàn)柔性拋光方法,還有磁流變拋光技術(shù)。計(jì)算機(jī)控制光學(xué)加工技術(shù)具有先進(jìn)水平,它包括單點(diǎn)金剛石切削技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控銑削拋光技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控銑磨拋光技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控應(yīng)力變形研磨與拋光技術(shù)。高能束流方法:通過高能束流去除表面材料實(shí)現(xiàn)非球面制造,如離子束拋光、離子束刻蝕,高壓液體射流?;瘜W(xué)腐蝕也可以實(shí)現(xiàn)表面材料的去除,但是,該類方法的研究不是很多。CompanyLogo數(shù)控研磨拋光法:這種方法主要靠精密數(shù)控研磨和拋光加工各種非球面零件。這種機(jī)床上可進(jìn)行各種玻璃零件加工。優(yōu)缺點(diǎn):精度高,但設(shè)備昂貴,最終拋光還需要手修。在非球面中最常見的是一個對稱軸的回轉(zhuǎn)非球面,回轉(zhuǎn)非球面通常采用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。CompanyLogo超精密精密圖-1超精密加工非球面車床1-工件主軸;2-旋轉(zhuǎn)臺;3-旋轉(zhuǎn)滑板;4-X軸驅(qū)動機(jī)構(gòu)5-防震機(jī)構(gòu);6-激光頭;7-z軸滑板;8-z軸驅(qū)動機(jī)構(gòu)CompanyLogoPart3.計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成型技術(shù)非球面數(shù)控加工主要運(yùn)用的是計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成型(computercontrolledopticalsurface,CCOS)技術(shù)。3.1CCOS技術(shù)基本原理:
它根據(jù)定量的面形檢測數(shù)據(jù),建立加工過程的控制模型,用計(jì)算機(jī)控制一個小磨頭對非球面零件進(jìn)行研磨拋光,通過控制磨頭在工件表面的駐留時(shí)間及相對壓力來控制材料的去除量。
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圖2
CCOS加工非球面基本原理示意圖1—非球面元件2—小磨頭CompanyLogo
3.2CCOS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)計(jì)算機(jī)控制小工具拋光技術(shù)的實(shí)質(zhì)和目的是把高級光學(xué)加工者的加工技巧數(shù)字化、定量化,由計(jì)算機(jī)驅(qū)動機(jī)床運(yùn)動系統(tǒng),從而控制拋光模對工件表面進(jìn)行加工。與傳統(tǒng)加工方法比較,計(jì)算機(jī)控制小工具拋光技術(shù)對工件面形的判斷更加準(zhǔn)確,拋光過程控制更加可靠,使大口徑非球面光學(xué)元件的加工效率和加工精度得到大幅度提高。CompanyLogo3.3CCOS技術(shù)的基礎(chǔ)理論方程:目前,描述光學(xué)表面拋光過程比較成功的數(shù)學(xué)模型是Preston(普雷斯頓)方程如下:
CompanyLogoCompanyLogo經(jīng)過普雷斯頓假設(shè),光學(xué)拋光過程順利的簡化了。計(jì)算機(jī)控制小工具拋光技術(shù)也是以此為基礎(chǔ),上式正是計(jì)算機(jī)控制拋光技術(shù)的基礎(chǔ)方程。只要我們對拋光過程的描述正確,并已知被拋光位置的壓力、相對拋光速度以及拋光時(shí)間,就可以計(jì)算出在這個位置的材料去除量。CompanyLogoCompanyLogoCompanyLogo3.4CCOS技術(shù)的加工流程1.由高精度光學(xué)面形測量儀器測量光學(xué)元件的面形誤差,取得當(dāng)前光學(xué)表面的面形數(shù)據(jù)。2.將面形數(shù)據(jù)與預(yù)期的面形比較,得到本加工周期所需要達(dá)到的材料去除分布函數(shù)。3.選擇拋光參數(shù),根據(jù)預(yù)期的材料去除量計(jì)算駐留時(shí)間函數(shù)和最優(yōu)化加工路徑,并通過計(jì)算機(jī)模擬最終拋光結(jié)果,如果模擬結(jié)果不符合要求,則需要重新選擇拋光參數(shù),再一次送到機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)。4.重復(fù)第(3)步,直到模擬的拋光結(jié)果符合要求時(shí),將拋光模運(yùn)動參數(shù)轉(zhuǎn)化成機(jī)床控制文件,并傳送到機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)。5.機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)讀入并執(zhí)行控制文件,驅(qū)動機(jī)床各運(yùn)動機(jī)構(gòu)按照一定參數(shù)運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)本周期內(nèi)拋光模對工件表面的加工。6.這一個加工周期完成后,再次用面形檢測儀器實(shí)時(shí)檢測工件面形,為下一個加工周期提供面形數(shù)據(jù),如此周而復(fù)始,直到得到符合要求的光學(xué)表面。CompanyLogoCompanyLogo計(jì)算機(jī)控制拋光技術(shù)加工流程圖
Part4.直徑76.2mm非球面數(shù)控加工工藝
將利用OPTECH非球面數(shù)控機(jī)床加工直徑為Φ76.2mm,R為125.2mm,K=0.475,d=8±0.1,A=5.35741e-8,B=-2.84656e-11,C=4.16788e-14,D=-2.54751e-17,材料為K9的非球面透鏡。CompanyLogo非球面加工工藝流程如圖所示CompanyLogo圖3工藝流程圖
4.1預(yù)拋光工藝
零件經(jīng)銑磨成型后,表面留有金剛石砂輪銑磨痕跡,要通過拋光過程將痕跡去除。采用面積較小的拋光盤,能夠跟蹤工件面形的變化趨勢,更好地修正局部誤差,在短時(shí)間內(nèi)就能使工件的面形精度達(dá)到要求,但是由于它產(chǎn)生比較明顯的表面波紋度,從而導(dǎo)致表面中高頻誤差,元件產(chǎn)生高級像差。為了避免這種中高頻誤差,首先對零件進(jìn)行彈性拋光盤預(yù)拋光。預(yù)拋光過程中,工件軸、工具軸轉(zhuǎn)速分別為150rpm和450rpm,擺角21.7°時(shí),拋光15min,工件表面的銑磨痕跡全部被去除掉。拋光液溫度調(diào)整到27℃時(shí),材料去除量最大,整個表面能夠被快速拋亮。CompanyLogo非球面加工工藝流程如圖所示CompanyLogo圖3工藝流程圖
4.2非球面數(shù)控反饋銑磨拋光工藝
為解決彈性拋光盤嚴(yán)重破壞面形精度的問題,現(xiàn)將檢測曲線反饋到銑磨機(jī)中,第二次銑磨非球面,在此過程中引入補(bǔ)償量,補(bǔ)償?shù)粲蓲伖庖鸬拿嫘握`差。即在銑磨過程中刻意使其具有與之前測得的誤差相反的面形誤差,在拋光去除量大的地方磨削量減小,而拋光去除量小的地方則增大。CompanyLogo非球面加工工藝流程如圖所示CompanyLogo圖3工藝流程圖
4.3非球面數(shù)控小磨頭修拋工藝
小拋頭修拋過程中,表面去除量參數(shù)之間的關(guān)系可以由Preston模型給出,在磨頭與工件間相互作用的小區(qū)域內(nèi),磨頭對工件表面材料的去除量與壓力、相對速度以及駐留時(shí)間成正比。根據(jù)輪廓儀測得的預(yù)拋光檢測曲線,調(diào)整工件軸轉(zhuǎn)速和工具軸轉(zhuǎn)速分別為500rpm和2500rpm,其他條件不變,進(jìn)行幾次修正拋光,多次重復(fù)修磨元件,表面面形精度逐步收斂。CompanyLogo
Part5數(shù)控非球面加工的影響因素
5.1粗磨的影響因素金剛石磨具的粒度、濃度,磨輪的硬度,銑磨深度5.2精磨的影響因素金剛石顆粒、結(jié)合劑、玻璃5.3拋光的影響因素(1)拋光介質(zhì)水對玻璃的侵蝕作用(2)光學(xué)玻璃化學(xué)穩(wěn)定性與拋光速度的關(guān)系(3)拋光液PH值的影響(4)添加劑對拋光過程的影響(5)拋光模的作用
CompanyLogo目前國內(nèi)外仍然廣泛使用計(jì)算機(jī)控制銑磨、拋光技術(shù)來加工非球面透鏡。隨著非球面元件的廣泛應(yīng)用,數(shù)控加工非球面正成為各國關(guān)注的核心技術(shù)之一,優(yōu)化工藝流程、改善面形精度、縮短加工時(shí)間、提高生產(chǎn)效率是非球面加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向。CompanyLogoThankYou!
Part5數(shù)控非球面加工的影響因素
5.1粗磨的影響因素:(1)粒度金剛石磨具的粒度對磨削效率和表面粗糙度的影響正好相反,粒度越細(xì),工件表面粗糙度愈小則效率越低。粒度對表面粗糙度的影響近似成直線關(guān)系。選擇粒度的原則是:在保證工件粗糙度要求的前提下,盡可能采用粒度粗的磨輪加工,以提高磨削效率。但是,在濃度一定的情況下,粒度越大,粒數(shù)越少,每個顆粒上受到的壓力加大,則造成磨具磨耗增大。一般銑磨用的磨具粒度范圍在80#~120#。CompanyLogo粗磨的影響因素:(2)硬度磨輪的硬度是指磨具表面的磨粒在外力作用下脫落的難易程度。磨粒易脫落則磨具軟,反之則硬。磨輪硬度的選擇,對磨削效率、加工質(zhì)量和磨具壽命影響很大。若磨具硬度過高,則結(jié)合劑把已經(jīng)磨鈍而失去磨削能力的磨粒牢牢把持住而不讓其脫落,這樣會造成磨具與工件之間摩擦力增大,發(fā)熱量大,嚴(yán)重時(shí)會使零件炸裂。同時(shí),硬度過高將大大降低磨削效率和表面質(zhì)量。相反,磨具硬度過低,磨粒還在鋒利時(shí)候就會掉下來,這樣不但會影響效率,而且還造成磨具不應(yīng)有的損耗。CompanyLogo
粗磨的影響因素:
(3)濃度金剛石磨具的濃度,是指在磨具金剛石層內(nèi)每立方厘米的體積內(nèi)含有金剛石的質(zhì)量。規(guī)定每立方厘米中含有4.4克金剛石作為100%濃度?!翱死笔墙饎偸|(zhì)量的計(jì)量單位,1克拉=0.2g,濃度為50%,其金剛石含量為2.2克拉/cm3。若濃度過高,結(jié)合劑相對減少,這樣對金剛石顆粒的把持力減弱,使顆粒有過早脫落的可能,不能充分發(fā)揮磨料的磨削作用。若濃度過低,使磨輪表面金剛石顆粒減少,作用在沒顆粒上切削力相應(yīng)增大,也有促使磨料過早脫落的可能。濃度選擇的原則:假如金剛石粒度比較粗,濃度相對的應(yīng)高些。假如結(jié)合劑品種不同,則金剛石的濃度也應(yīng)該不同,樹脂結(jié)合劑選用100%,而電鍍結(jié)合劑選用50%的濃度。CompanyLogo粗磨的影響因素:(4)銑磨深度銑磨深度是指工件轉(zhuǎn)動一周的吃刀量。實(shí)踐表明,吃刀量愈大,銑削效率愈高,但表面粗糙度愈大。在銑磨周期內(nèi),磨去量一般是經(jīng)過多次銑削完成的。從磨具合理使用的角度考慮,銑磨深度不應(yīng)該超過金剛石層的厚度,否則易損壞磨輪。尤其在加工塊料毛壞時(shí),更應(yīng)特別注意吃刀量不能過大。在彈性進(jìn)給的條件下,銑磨深度與磨輪轉(zhuǎn)速、工件線速度、磨削壓力以及金剛石粒度和工件材料等因素有關(guān)。CompanyLogo
5.2精磨的影響因素(1)金剛石顆粒在使用散粒磨料研磨玻璃時(shí),切削能力和工件表面的粗糙度僅取決于磨料顆粒的粒度。但是,在使用固著磨料磨研時(shí),尤其是在金剛石精磨中,磨具的切削能力,不僅取決于金剛石顆粒的粒度,而且還取決于它在結(jié)合劑中的濃度以及顆粒從結(jié)
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