摘 要:介绍一种由一面为圆柱面,另一面为非球面圆柱面构成的尺寸较小的光学塑料集光镜模芯制造技术。产品技术要求F1=∞,F2=4·5±0·1 mm,集光效率>85%。内容包括CAM软件开发、线切割加工工艺、研磨抛光技术。采用该工艺制造的模芯经检测,表面粗糙度Ra=0·035μm,面形误差为0·63μm。用该模芯加工的塑料产品经美国有关公司检测,F1=∞,F2=4·5±0·1 mm,集光效率≥90%,质量达到了设计和使用要求,目前已批量生产。
最近笔者承接了美国某公司光学双焦非球面圆柱面塑料集光透镜的加工业务,产品如图1所示。Q面为理想柱面,R=55·925 mm,P面为四次非球面圆柱面,非球面圆柱面方程为
式中,R是初始半径,R= 4·980 0 mm,a1= 0·085 2,a2=0·002 17。产品要求F1=∞,F2=4·5±0·1 mm;在子午面视场角±6°范围内的整个“P”表面的集光效率>85%。由于透镜尺寸较小,柱面曲率半径也小,这给相关的模具型芯加工带来了困难。应该说随着超精加工技术的发展,非圆球面加工的方法也很多,但由于该模芯尺寸太小,一般刀具无法进入型面进行正常加工,权衡再三,采用了线切割加研磨的方法解决了这一难题。
通常,线切割机床是作为普通加工手段来使用的,机床控制精度并不高(步长为1μm),相应软件精度也不高,粗糙度最细也只在Ra=0·63μm左右。如何充分挖掘潜力,提高加工精度呢?笔者从以下几个方面进行了研究。
1 开发高精度的线切割CAM软件
由于线切割的插补器是由直线和圆弧来进行插补运算的,为了便于钼丝的偏移运算,有时还需对塑料透镜进行收缩率的调整。笔者采用了彼此相切的圆弧来逼近非圆柱面轮廓线的方法,这样整条曲线都是光滑联结的,同时也便于后道的研磨和抛光。
(1)对建模的要求。设曲线方程y = f(x),则要求两拟合圆弧必须相切,误差必须控制在容差之内,拟合圆弧半径尽可能接近曲线的曲率半径。
(2)对曲线y = f(x)的处理。y = f(x)应有连续一阶导数,否则断点作为节点处理。由微分几何学可知,对于y =f(x)来说,如果d2y/dx2=0,d3y/dx3=0,则此点为拐点;如果d2y/dx2≠0,d3y/dx3-(3·dy/dx)·(d2y/dx2)·cos2Φ=0,则此点为正常凸点;如果d2y/dx2=0,,d3y/dx3=0,则此点为异常凸点。这些点都将作为曲线的节点处理(Φ为曲线上点的切线与X轴的夹角,且Φ≠90°,Φ≠270°)。
(3)算法。如图2所示,在曲线y= f(x)上(虚线所示),以起点A为始点,顺次取A、B、C、D四点分别作曲线的法线AM、BM、CN、DN,A、B两点的法线交于M点,C、D两点的法线交于N点,以M为圆心,MA为半径作圆,以N为圆心,ND为半径作圆,并使δE=0, |δB|≤δ允, |δC|≤δ允,δB=-δC。δE为两拟合圆半径之差减去它们的中心距,δE为0,说明二拟合圆在E点相切;δB为B点拟合圆和曲线间误差,δC为C点拟合圆和曲线间误差。
设A、B、C、D四点坐标分别为A(XA, YA),B(XB, YB),C(XC, YC),D(XD, YD),由A、B法方程得
因为M为A、B两法线的交点,所以当C、D两点移动时,δB不变,即 (δB)/ (δC) =0。同理,当B移动时, (δC)/ (δB) =0。化简后得
为了简化计算,可用割线斜率代替切线斜率,任选XB>XA迭代(3)式,使|δB|=δ允,得XB;任选XB< XC< XD,再迭代(3)、(4)、(5)式,使δ=0, |δB|=|δC|=δ允,且δB=-δC,该单元数据固定下来。以D为起点进行下一单元的运算,直到终点,笔者是用C++语言来编制上述CAM软件的。编程误差δ=±0·000 05 mm。
2 精化线切割加工工艺
(1)为了提高模芯面形质量,采用纯度高,镜面性好,研磨抛光性能优良,热处理变形又小的瑞典-胜百STAVAXS 136钢材作为模芯材料,并严格按要求进行热处理。
(2)线切割加工采用日本三菱公司FX20低速走丝线切割机床,工作原理见图3。用同一轨道程序加偏移量逐次减少放电能量进行多次切割的办法进行加工,机床表面粗糙度Ra可达0·5μm以上,面形误差达±2μm以上。因模芯尺寸较小,所以面形精度还会更高一些。模芯形状见图4。
(3)加工中采用了分散误差的原则,尽可能避免积累误差,以提高精度。
3 研磨和抛光工艺
对于瓦形圆柱面来说,采用研磨工具旋转运动和工件往返直线运动的合成运动方式,如图5所示。研磨运动轨迹是螺旋线交角为90°。关于研磨工具的制作,由于瓦形圆柱面只是柱面的一部分,深度尺寸要求并不高,工具采用柱面体外加一层软硬适中的附着物(柏油等组成),外径与工件尺寸基本相同,在表面上适当开槽(直槽、螺旋槽都可以)。平时用自制研磨液来研磨抛光,由于此工件形状的特殊性,所以配制了研磨膏来进行研磨,按磨料不同粒度分6道工序来完成研磨和抛光。对于非圆柱面来说,由于在研磨时无法作旋转运动,只能作往返直线运动。采用钢棒作芯,外加软硬适中的磨层做成尺寸略小于工作面尺寸的研磨棒,上开平等槽,工件不动,研磨棒做往返直线运动,研磨中允许研磨棒略有偏移。研磨和抛光都在具有微小振动的机床上进行。
4 结 论
模芯加工后经英国Taybor Hobson公司制造的From Talysur系统测量,得面型误差为0·63μm,粗糙度Ra=0·035μm。
产品经美国某公司检测,在子午面视场角±6°范围内的整个“P”表面的集光效率≥90%,超过>85%的技术要求,F1=∞,F2=4·5±0·1 mm,质量完全达到了设计和使用要求。目前已批量生产。
参考文献:
[1]李福生·数控机床程序编制———手工编程[M]·北京:机械工业出版社,1982·
[2]杨康树·用连续圆弧逼近非圆曲线的方法[J]·机床,1978,(6)·
[3]王忠志·精密研磨[M]·北京:中国计量出版社,1989·
[4] Borland著;周宁,等译·C++4编程技巧与实例[M]·北京:清华大学出版社,1995·
作者简介:骆有桂(1944-),男,浙江省人,杭州照相机械研究所高级工程师,主要从事钢制球面、非球面、异形面光学塑料透镜模具超精加工技术方面的研究。
