超精密光学非球曲面磨削系统的研制

　　光学非球曲面器件在各种关键设备中起着十分重要的作用,但高精度非球曲面器件的加工相当困难,尤其是内凹深度较大的非球曲面器件更难加工,为此许多国家都在致力于非球曲面光学器件超精密加工的研究[1]。超精密磨削加工既能提高非球曲面加工的生产效率,又能获得超光滑的零件加工表面[2]。

　　1　超精密非球曲面磨削系统

　　为了能加工内凹深度较大的非球曲面,选择图1所示的磨削系统方案。该磨削系统主要分为五大部分:①空气主轴系统,位于纵溜板之上;②伺服进给系统,包括纵溜板的微量进给驱动系统和横溜板微量进给驱动系统;③微位移测量系统,主要用来进行z向和x向的微位移监测;④中心高微调系统,主要用于微调磨头在y向的高度,y向微调精度的高低直接决定着被加工零件轮廓精度的大小;⑤数控系统,将控制纵溜板及横溜板的进给。

　　2　超精密光学非球曲面磨削系统磨削时的加工误差分析

　　2.1　中心高微调误差对零件加工精度的影响

　　砂轮与工件磨削时的接触情况见图2。当砂轮的磨削点与工件的回转中心不在同一水平面内时,就会出现图3所示的2种情况。加工后会在工件表面出现一个未磨削到的小圆锥,它将直接影响被加工零件的加工精度,这是由于磨削时中心高微调机构有微调误差造成的。

　　从图2b中可以看出,由于中心高微调机构有微调误差而在被磨削工件表面残留一个直径为d,高度为Δh的小圆锥,显然

　　d= 2Δy                                                                      (1)

　　Δh=Δytanα                                                              (2)

　　式中,Δy为中心高微调误差;α为砂轮与工件之间的夹角。

　　从式(1)及式(2)可以看出,微调误差Δy使零件表面产生较大的轮廓误差。设α= 45°,如果要使得已加工零件的轮廓精度达到Δh= 0.2μm,Δy必须小于0.2μm,在光学非球曲面的磨削过程中,由于零件的轮廓精度还受到数控插补算法、机床导轨本身运动精度、机床刚度等因素的影响,因此,实际磨削加工时Δy应达到0.1μm。

　　2.2　x轴砂轮对中误差对零件加工精度的影响

　　砂轮对中时如在x轴方向与工件回转轴线有不重合误差,即x轴砂轮对中误差Δx,则此误差会对零件磨削加工后的形状精度产生较大的影响(见图4)。设磨削点处倾角为θ,则在此点处z轴方向的误差值

　　EΔx(θ) =-Δxtanθ                                                             (3)