光学自由曲面反射镜模芯的镜面成型磨削

采用精密修锐修整的圆弧形粗金刚石砂轮在CNC精密磨床上进行了数控成型磨削加工,实现了高效镜面磨削。分析金刚石砂轮圆弧形轮廓的成型修整原理,建立了圆弧形修整的数控模式。通过建立曲面数控成型磨削的行走轨迹算法,实现了自由曲面的圆弧包络成型磨削加工。分析了磨削工艺参数和砂轮出刃形貌参数与超光滑表面形成的作用机制,进行了镜面磨削试验并检测表面微观形貌和粗糙度,分析实现镜面磨削的脆/塑性磨削转换机理。理论分析表明,降低砂轮行走速度,提高砂轮转速以及改善出刃形貌可以获得纳米级粗糙度的超光滑磨削表面。试验结果显示,先将砂轮修锐修整再控制砂轮行走速度小至15 mm/min时,表面粗糙度小于10 nm以下,且微观加工表面没有发生脆性破坏,形成镜面。加工高速钢自由曲面时,面形误差(PV值)可以达到10 μm以下,表面粗糙度R_a可以达到约16 nm。实验结果表明:利用数控技术和粗金刚石砂轮可以实现自由曲面模芯的高效镜面磨削加工,保证了高精度的光学自由曲面反射镜注塑模芯。     

电镀金刚石砂轮高效精密修整及熔融石英磨削试验研究

大尺寸光学玻璃元件主要采用细磨粒金刚石砂轮进行精密/超精密磨削加工,但存在砂轮修整频繁、工件表面面形精度难以保证、加工效率低等缺点。采用大磨粒金刚石砂轮进行加工则具有磨削比大、工件面形精度高等优点,然而高效精密的修整是其实现精密磨削的关键技术。采用Cr12钢对电镀金刚石砂轮(磨粒粒径151 μm)进行粗修整,借助修整区域聚集的热量加快金刚石的磨损,可使砂轮的回转误差快速降至10 μm以内。结合在线电解修锐技术,采用杯形金刚石修整滚轮对粗修整后的电镀砂轮进行精修整,砂轮的回转误差可达6 μm以内,轴向梯度误差由6 μm降至2.5 μm。通过对修整前后的金刚石砂轮表面磨损形貌成像及其拉曼光谱曲线分析了修整的机理。对应于不同的砂轮修整阶段进行熔融石英光学玻璃磨削试验,结果表明,砂轮回转误差较大时,工件材料表面以脆性断裂去除为主;随着砂轮回转误差和轴向梯度误差的减小,工件表面材料以塑性去除为主,磨削表面粗糙度为Ra19.6 nm,亚表层损伤深度低至2 μm。可见,经过精密修整的大磨粒电镀金刚石砂轮可以实现对光学玻璃的精密磨削。     

柱面微透镜阵列的精密磨削

柱面微透镜阵列的加工精度要求高,加工效率低,采用具有微细轮廓结构的成形砂轮进行磨削加工能够极大地提高加工效率。为了预测成形砂轮磨削工件的面形误差和表面粗糙度,建立了成形砂轮磨削仿真模型。通过滤波方法分析和模拟微细结构成形砂轮的磨粒突出高度的偏态分布特征,结合实测的砂轮的轮廓形状和跳动完成了整体的空间砂轮的重构,同时建立了砂轮表面磨粒的磨削运动学模型,模拟出工件磨削加工后的表面形貌。最后,开展磨削实验验证了仿真模型的有效性。对比仿真与实验结果可知,面形误差PV值的偏差为5.78%,Ra值的偏差为17.3%,Rz值的偏差为12.9%。该磨削仿真模型能有效预测磨削表面的面形误差和表面粗糙度。     

应用环形磁场控制的微粉砂轮制备及其磨削性能

在超精密磨削中,金刚石微粉砂轮的磨粒分布均匀性对提高磨削表面质量至关重要,为了使微粉磨粒规则排布,提出了一种采用环形磁场控制磨粒规则排布的砂轮制备方法,制备了多种金刚石微粉砂轮,使用磁场控制制备的微粉砂轮对硬质合金YG8进行了平面及非球面磨削试验。结果表明:应用环形磁场控制可使金刚石微粉砂轮的磨粒实现规则排布,极大改善砂轮加工性能,利用环形磁控方法制备的砂轮可获得最佳表面粗糙度Ra3 nm、最佳面形精度PV318 nm的光滑镜面。     

微小非球面光学模具单点斜轴误差补偿磨削

针对微小非球面光学透镜模具的纳米单点斜轴误差补偿磨削进行研究。通过分析比较传统的直交轴磨削法,提出微小非曲面光学模具的单点斜轴磨削方式,有效避免微细砂轮在加工微小非球面时发生干涉情况;采用单点恒定磨削方式提高微小非球面磨削的稳定性及精度。通过分析磨削区域内微细砂轮与微小非球面的干涉情况,从而合理计算并选用较高强度的微细砂轮。提出微小非球面误差补偿磨削策略,分析砂轮的对心误差(x轴向和y轴向)对形状精度的影响,采用法向残余误差补偿的方法对加工后的形状误差进行超精密补偿磨削。利用超精密磨床对口径为2 mm的超硬热压模具碳化钨材料的微小非球面进行纳米单点斜轴误差补偿磨削试验,经过三次超精密磨削及误差补偿循环,其形状精度PV从1 034 nm改善至146 nm,表面粗糙度达到Ra2.19 nm。     

自由曲面注塑凸模芯的数控精密磨削方法

针对自由曲面注塑模芯的精密加工困难的问题，提出在数控磨床上采用圆弧形金刚石砂轮进行等包络迹高度的数控成形磨削新方法。首先，建立等包络迹高度的行走路径计算方法，然后，分析等包络迹高度与曲面光滑平整成形的关系，最后，对分布在成形磨削表面的面形误差和表面粗糙度进行检测和评价。试验结果表明，减小等包络迹高度可以实现自由曲面的连续光顺性加工。在自由曲面上的非接触激光扫描检测结果显示，面形误差小于200μm。此外，在加工高速钢模芯时，表面粗糙度Rα可以达到50nm以下。     

单晶硅反射镜的超精密磨削工艺

为了实现单晶硅反射镜高效低损伤的超精密加工,研究了基于工件旋转法磨削原理的单晶硅反射镜超精密磨削工艺。通过形貌检测和成份测试的方法分析了该工艺采用的超细粒度金刚石砂轮的组织结构特征,并对单晶硅进行了超精密磨削试验,研究了超细粒度金刚石砂轮的磨削性能。通过砂轮主轴角度与工件面形之间的数学关系实现对磨削工件面形的控制。最后,采用超细粒度金刚石砂轮对Φ100mm×5mm的单晶硅反射镜进行了超精密磨削试验验证。试验结果表明,超细粒度金刚石砂轮磨削后的单晶硅表面粗糙度Ra值小于10nm,亚表面损伤深度小于100nm,磨削后的单晶硅反射镜面形PV值从初始的8.1μm减小到1.5μm。由此说明采用该工艺磨削单晶硅反射镜能够高效地获得低损伤表面和高精度面形。     

陶瓷飞行体的微沟槽结构曲面精密磨削与减阻性能

为减小飞行阻力和增强雷达散射,提出采用精密磨削和微细磨削组合加工工艺在陶瓷飞行体表面加工出曲面微沟槽结构。首先,利用精密修整后的金刚石砂轮圆环形端线沿数控曲线插补轨迹将陶瓷加工成光滑曲面,然后利用微细修整成角度为60°的金刚石砂轮V形尖端在曲面上沿飞行体轴向方向加工出微沟槽结构,最后通过风动试验分析不同曲面结构对空气阻力的影响。磨削试验结果显示,精密磨削和微细磨削组合加工可在高度32 mm、直径30 mm和表面粗糙度0.262?m的陶瓷曲面上加工出深度为578~581?m、角度为61.56°和尖端半径为48?m的微沟槽结构,其深度误差仅为3?m,曲面加工的平均形状误差为142?m,加工精度可控制在0.5%以内。此外,加工后的陶瓷表面粗糙度主要受砂轮粒度和磨削工艺的影响。风动试验结果表明:微沟槽结构曲面分别比光滑和粗糙曲面减小轴向阻力约36%和42%,也比光滑曲面减小侧面阻力约39%。因此,陶瓷飞行体的光滑曲面被加工出规则可控的微沟槽结构可以减小飞行阻力。     

无结合剂碳化钨非球面模具的超精密磨削加工

针对无结合剂碳化钨材料,进行非球面模具的法向磨削试验研究。分析法向磨削非球面时的砂轮对刀误差对磨削精度的影响,研究无结合剂碳化钨非球面模具的磨削表面形貌特征和最终表面质量,优化误差补偿工艺,并利用聚焦离子束对磨削后的非球面亚表层损伤进行成像分析。研究结果表明利用推导的砂轮对刀误差方程,可以在磨削加工前对砂轮的初始位置进行精确调整,提高磨削加工精度。磨削后无结合剂碳化钨非球面模具不同区域的表面质量不同,距非球面中心越近,磨削质量越好,距中心越远,磨削质量越差。经过3次误差补偿磨削加工后,最终的无结合剂碳化钨非球面模具的面形精度误差均小于0.3μm(PV值),表面粗糙度平均值小于8 nm(Ra值),亚表层没有明显的裂纹产生。     

模具自由曲面的精密镜面磨削

分析了模具自由曲面的主要加工方法,模具自由曲面精加工时电火花加工与精密磨削加工的适应性,提出了用圆弧包络曲面创成磨削法进行磨具自由曲面精密镜面磨削加工的工艺方法。     

Recognition of diamond grains on surface of fine diamond grinding wheel

The accurate evaluation of grinding wheel surface topography, which is necessary for the investigation of the grinding principle, optimism, modeling, and simulation of a grinding process, significantly depends on the accurate recognition of abrasive grains from the measured wheel surface. A detailed analysis of the grain size distribution characteristics and grain profile wavelength of the fine diamond grinding wheel used for ultra-precision grinding is presented. The requirements of the spatial sampling interval and sampling area for instruments to measure the surface topography of a diamond grinding wheel are discussed. To recognize diamond grains, digital filtering is used to eliminate the high frequency disturbance from the measured 3D digital surface of the grinding wheel, the geometric features of diamond grains are then extracted from the filtered 3D digital surface, and a method based on the grain profile frequency characteristics, diamond grain curvature, and distance between two adjacent diamond grains is proposed. A 3D surface profiler based on scanning white light interferometry is used to measure the 3D surface topography of a #3000 mesh resin bonded diamond grinding wheel, and the diamond grains are then recognized from the 3D digital surface. The experimental result shows that the proposed method is reasonable and effective. __________ Translated from Journal of Dalian University of Technology, 2007, 47(3): 358–362 [译自: 大连理工大学学报]     

树脂基圆弧金刚石砂轮的在位精密成形修整技术

针对球面、非球面及自由曲面超精密磨削加工用树脂基圆弧形金刚石砂轮难以精密修整的问题,提出基于旋转绿碳化硅(GC)磨棒的在位精密成形修整技术。在分析GC磨棒和圆弧砂轮几何关系的基础上,确定修整过程中圆弧插补轨迹的补偿方法及GC磨棒运动轨迹的设计方案。采用KEYENCE激光测微仪采集砂轮圆弧特征点,表征圆弧砂轮的修整状况。研究不同粒度的GC磨棒、进给深度和圆弧插补速度对圆弧金刚石砂轮修整率和修整精度的影响规律。研究结果表明,该修整方法可根据加工曲率半径要求实现不同圆弧半径砂轮的精密在位修整,修整后可自动消除砂轮垂直方向的位置偏差;采用400#和800#的GC磨棒对D3和D7砂轮均有较高的修整率(0.7~6.7);与400#和1500#的GC磨棒相比,800#GC磨棒更适合粒度为D3和D7圆弧金刚石砂轮的精密修整;相比圆弧插补速度,进给深度对砂轮的圆弧半径尺寸误差和形状误差影响更大,进给深度越小,圆弧半径尺寸误差和形状误差越小;修整后两种砂轮的圆弧半径误差均可控制在5%以内,D3砂轮的形状误差可控制在3μm/4 mm以内,D7金刚石砂轮可控制在6μm/4 mm以内,修整后比修整前形状误差提高14倍左右。     

Research on the error analysis and compensation for the precision grinding of large aspheric mirror surface

The purpose of this paper is to propose a compensation grinding method for large aspheric mirror surface. Because the tradition grinding is not suitable for large aspheric mirror surface, in this paper, a grate parallel grinding in 3-axis and an on-machine measurement system are applied. Based on that, it presents the errors that mainly affect the form accuracy and technology of compensation grinding. An experiment of compensation grinding was carried out for large aspheric mirror surface. With the separation of decentering, wheel arc, and residual grinding system error, the PV value further decreased comparing to tradition compensation. These results indicated that this compensation can improve the form accuracy significantly in large aspheric mirror surface grinding.     

细粒度金刚石砂轮形貌测量与评价

采用基于扫描白光干涉原理的三维表面轮廓仪对粒度为3 000的金刚石砂轮表面形貌进行测量,其图像拼接功能可以确保较高的横向分辨率、较高的垂直分辨率和较大的取样面积。利用频谱分析方法对砂轮表面的频率构成进行分析,通过理想的低通数字滤波消除测量仪器引起的系统噪声和砂轮表面的高频分量,然后重建砂轮表面的三维形貌,在此基础上得出砂轮的磨粒出刃高度、静态有效磨粒密度、磨粒平均间距。研究表明,采用细粒度金刚石砂轮进行超精密磨削时,磨粒出刃高度大体上服从正态分布,静态有效磨粒密度远低于理论磨粒密度,真正起切削作用的磨粒数量极少。     

全陶瓷球轴承套圈沟道精密磨削用砂轮修整试验

为提高金刚石圆弧砂轮外缘轮廓精度,减少全陶瓷球轴承套圈沟形误差,采用金刚石碟片对树脂基金刚石圆弧砂轮进行修整;对比修整前后砂轮的表面形貌及套圈沟形误差,验证砂轮的修整效果.修整后砂轮表面出现光泽,露出表面的金刚石磨粒明显增多,部分金刚石磨粒破碎,形成新切削刃或脱落,增大容屑空间;修整前沟形误差的平均值为5.823μm,...     

Form-truing error compensation of diamond grinding wheel in CNC envelope grinding of free-form surface

In computer numerical control (CNC) grinding of free-form surface, an ideal arc profile of trued diamond grinding wheel is generally employed to plan 3D tool paths, whereas its form-truing errors greatly influence the ground form accuracy. A form-truing error compensation approach is proposed by using an approached wheel arc profile to replace the previously designed ideal one. The objective is to directly compensate the trued wheel arc-profile errors. It may avoid the time consumption of traditional approach that compensates the measured coordinate point errors of workpiece to an iterative grinding operation. First, the 3D tool path surface was constructed to plan the 3D tool paths. Second, the CNC arc truing of grinding wheel was conducted to analyze the form-truing error distribution relative to the applied wheel arc profile. Then, the form-truing error compensation was carried out in CNC envelope grinding. Finally, the iterative closest point (ICP) algorithm was used to match the measured coordinate points of workpiece to ideal free-form surface. It is shown that the 3D tool path surface constructed is practicable to plan arbitrary 3D tool paths for the form-truing error compensation. The ICP matching may be used to investigate 3D ground form error distribution. It is confirmed that the form-truing error compensation can directly improve the 3D ground form accuracy. It may decrease the 3D ground form error by about 20% when the 2D form-truing error is reduced by about 58% using the same truing conditions for CNC grinding.     

大口径光学元件高精度平面磨床加工系统研究

以实现高精度、高效率、高自动化程度加工为目的,基于高精度平面磨床MGK7160的加工系统,详细分析了加工规划控制、计算机辅助制造软件系统开发、砂轮修整及动平衡、在位测量等关键配套工艺技术。在已有设备及配套工艺基础上利用400#粒度金刚石圆弧砂轮,实现口径400mm×400mm平面光学元件的加工,获得了较好的加工精度,验证了机床及加工技术系统的可靠性。     

Fabrication of small aspheric moulds using single point inclined axis grinding

Single point inclined axis grinding techniques, including the wheel setting, wheel–workpiece interference, error source determination and compensation approaches, were studied to fabricate small aspheric moulds of high profile accuracy. The interference of a cylindrical grinding wheel with the workpiece was analysed and the criteria for selection of wheel geometry for avoiding the interference was proposed. The grinding process was performed with compensation focused on two major error sources, wheel setting error and wheel wear. The grinding results showed that the compensation approach was efficient and the developed grinding process was capable to generate small aspheric concave surfaces on tungsten carbide material with a profile error of smaller than 200 nm in PV value after two to three compensation cycles.     

垂直式超硬砂轮圆弧修整器设计与砂轮修整

针对圆弧形超硬砂轮修整难度大、修整精度低的问题，对树脂结合剂圆弧形金刚石砂轮进行了精密修整研究。设计制造了一种垂直式超硬砂轮圆弧修整器，通过修整试验研究了不同粒度的圆弧形砂轮在修整前后表面粗糙度、弧形精度、圆度、表面形貌的变化情况。砂轮修整前后对氮化硅陶瓷轴承套圈沟道进行了磨削，并测量了磨削后的轴承套圈沟形精度。研究结果表明：相比修整前，修整后砂轮表面粗糙度平均值由1.731 8 μm减小至0.772 4 μm，减小了55.4%；弧形精度平均值由33.604 7 μm减小至8.527 6 μm，减小了74.6%，修整后4个砂轮的弧形精度更加稳定，且随着砂轮粒度的减小，弧形精度略有减小趋势；砂轮圆度平均值由43.721 μm减小至18.002 μm，减小了58.8%，修整使大量新的磨粒露出。所设计的垂直式超硬砂轮圆弧形修整器可对圆弧砂轮进行精密修整，可改善圆弧形砂轮的弧形精度及圆度，修整后砂轮磨削的轴承套圈沟形精度得到了大幅提高。