某小型透鏡的加工工藝研究

竇長安，車金明

(中國船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

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某小型透鏡的加工工藝研究

竇長安，車金明

(中國船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

摘要：某小型透鏡的外形尺寸較小，結(jié)構(gòu)形式較其他類型的透鏡有了很大的變化。依據(jù)其外形和內(nèi)腔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，詳細(xì)介紹了該透鏡研制時(shí)采用的加工工藝。利用該工藝方法加工出的透鏡滿足圖紙尺寸和精度要求，性能優(yōu)越，滿足各項(xiàng)指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：電子透鏡； 加工工藝； 組合加工

0引言

隨著科技的飛速發(fā)展，電子透鏡得到了一定程度的應(yīng)用，各種類型的電子透鏡產(chǎn)品紛紛進(jìn)入研制狀態(tài)。新研制的某小型透鏡外形曲面復(fù)雜且不規(guī)則，內(nèi)腔空腔面積比高達(dá)65%，端口位置處波導(dǎo)腔眾多，多類型凸臺陣列分布，尺寸較小，且空間緊湊，同時(shí)尺寸精度和形位公差高達(dá)±0.02 mm，加工難度很大。通過不斷進(jìn)行的工藝分析和加工試驗(yàn)，掌握了加工技術(shù)要領(lǐng)，成功完成了研制任務(wù)。

1透鏡的結(jié)構(gòu)組成和特點(diǎn)

該透鏡總厚度為23 mm，外形極限尺寸為270 mm×230 mm，其外形曲面形狀不規(guī)則，不對稱，并且曲面上分布了22組輸入、輸出端口(即波導(dǎo)腔)。

該透鏡由外形曲面一致的底板和蓋板組合而成，底板厚度15 mm，包含了透鏡的內(nèi)腔全部結(jié)構(gòu)，蓋板僅為厚度8 mm的平板，通過銷子定位，螺釘連接形成透鏡。底板和蓋板材料均選用鍛鋁，牌號6061-T651，屬于6系列鋁板，是經(jīng)熱處理預(yù)拉伸工藝的高品質(zhì)鋁合金，材料致密無缺陷，易于拋光，有著極佳的加工性能和良好的抗腐蝕性能，韌性高，加工后不易變形。

底板內(nèi)腔的結(jié)構(gòu)示意簡圖如圖1，其結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、多樣，包含了22組毫米波波導(dǎo)腔，內(nèi)腔平面度要求0.02 mm，粗糙度要求1.6，且每組波導(dǎo)腔軸線與理論設(shè)計(jì)原點(diǎn)(即焦點(diǎn))誤差要求控制在±0.02 mm。

圖1　底板結(jié)構(gòu)示意簡圖

每組波導(dǎo)腔由圓孔、圓形凸臺、異形凹槽、長方形脊片依次陣列排布形成(如圖2)?？趶捷^小，僅為3.556 mm×7.112 mm，其中分布4種類型臺階，尺寸很小，空間緊湊，尤其圖2中ΦC圓凸臺外徑小于Φ1.5 mm，高度大于直徑，加工切削時(shí)稍有不當(dāng)，凸臺將會被旋轉(zhuǎn)的刀具直接震斷，造成零件的報(bào)廢，對加工程序中走刀路線以及切削參數(shù)的選擇都提出了較高的要求。

圖2　底板單組波導(dǎo)腔剖視圖

2透鏡加工工藝方法的擬定

2.1　工藝難點(diǎn)的分析

鑒于該透鏡的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，工藝采用鋁板材直接加工成形的方法來實(shí)現(xiàn)透鏡的加工，經(jīng)分析和研究，在加工過程中工藝需要考慮以下幾個(gè)難點(diǎn)：

(1) 底板和蓋板的外形曲面要求一致，考慮如何將設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、定位基準(zhǔn)、加工基準(zhǔn)和裝配基準(zhǔn)等進(jìn)行統(tǒng)一，保證零件加工的一致性。

(2) 底板的空腔面積比高達(dá)65%，加工量較大，并且為單面加工，應(yīng)力相對比較集中，極易產(chǎn)生變形，需要考慮如何控制零件形變，保證平面度。

(3) 底板內(nèi)腔中的凸臺尺寸很小，空間緊湊，需要考慮選擇合適的刀具以及加工程序(主軸的轉(zhuǎn)速、切削深度、走刀路徑……)，既能保證零件的合格生產(chǎn)，又能提高加工效率，縮短零件的加工周期。

2.2　加工工藝的選擇

針對上述分析出的工藝難點(diǎn)，工藝的編制需要從零件的基準(zhǔn)設(shè)定、裝夾方式、優(yōu)化程序等方面著手，合理安排各個(gè)工種，以實(shí)現(xiàn)零件的合格生產(chǎn)[1]。

首先，底板和蓋板的22組端口位置處需要分別安裝22組插頭座，要求外形一致，不能有臺階、錯位等現(xiàn)象。設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)為底板和蓋板上的4處銷孔，但由于腔體需要通過加工中心來實(shí)現(xiàn)加工，外形曲面則需要通過線切割來實(shí)現(xiàn)加工，線切割的找正不方便，并且誤差相對較大，在分別對底板和蓋板找正、加工時(shí)，各類誤差相疊加，使誤差進(jìn)一步放大，導(dǎo)致零件裝配時(shí)底板和蓋板的外形容易出現(xiàn)一定的偏差而形成臺階，影響產(chǎn)品性能?？紤]到蓋板僅是一平板，除外形曲面和安裝孔位外，其余部分與底板沒有相對應(yīng)的位置關(guān)系，因此工藝設(shè)計(jì)了一處輔助基準(zhǔn)(如圖3中銷孔2×Φ8和2×Φ12)，將底板和蓋板的基準(zhǔn)都轉(zhuǎn)換到輔助基準(zhǔn)上，再利用統(tǒng)一的輔助基準(zhǔn)進(jìn)行找正、加工和裝配，即底板和蓋板利用統(tǒng)一的輔助基準(zhǔn)裝配在一起后，再利用線切割一并加工外形曲面，確保外形曲面的一致性。

圖3　輔助基準(zhǔn)分布工藝簡圖

其次，在底板和蓋板加工過程中采用數(shù)控設(shè)備加工零件，并通過優(yōu)化程序(試加工來調(diào)整、控制切削要素和走刀路徑)，采用高速切削(主軸轉(zhuǎn)速8 000 rad/min，走刀速度為240 mm/min，切削深度0.2 mm/次)、冷卻液充分冷卻等手段，同時(shí)利用真空吸盤裝夾零件，使零件在加工過程中處于自然狀態(tài)，不受壓板、平口鉗等工具的擠壓，從而減小零件在加工過程中因加工應(yīng)力而產(chǎn)生的變形。此外，工序安排時(shí)，采用“粗加工—熱處理—半精加工—精加工”的方法，通過熱處理時(shí)效，進(jìn)一步消除零件內(nèi)部殘留的應(yīng)力[2]。

由于底板內(nèi)腔空間狹小，臺階尺寸也很小，大直徑的刀具無法實(shí)現(xiàn)加工，小直徑的刀具切削量又太小，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。該底板加工內(nèi)腔凹臺邊角最小R0.4 mm，只能定制Φ0.8 mm的合金刀具實(shí)現(xiàn)加工，但Φ0.8 mm的刀具如繡花針尖般大小，強(qiáng)度十分差，極易斷刀，并且由于刀具的直徑小，要達(dá)到相應(yīng)的線速度，還必須提高刀具的轉(zhuǎn)速。在實(shí)際加工過程中，還需要綜合考慮機(jī)床連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的切削速度和切削深度[3]。工藝考慮將零件的加工劃分為“粗加工--半精加工—精加工”3個(gè)階段，每個(gè)階段加工選用的刀具直徑逐步縮小，有效地提高零件的加工效率，縮短加工周期，減小加工風(fēng)險(xiǎn)。

2.3　工藝流程簡介

(1) 下料：鋁板，牌號6061，尺寸為11 mm(厚度)×265 mm×305 mm(蓋板)，18 mm(厚度)×265 mm×305 mm(底板)；

(2) 銑：銑外形四方尺寸260 mm×300 mm，對角尺，蓋板厚度9 mm，底板厚度16 mm，要求平面度0.05 mm；

(3) 加工中心：吸盤裝夾，見光一大面，翻轉(zhuǎn)，作為底面，加工2組2×Φ8代Φ12銷孔，并以此為基準(zhǔn)，粗加工底板內(nèi)腔，單面留余量0.5～1 mm；

(4) 熱處理：人工時(shí)效，壓板校平，170~175℃，6~8 h，空冷；

(5) 加工中心：吸盤裝夾，先半精加工，后精加工。

加工各安裝孔，加工4×Φ5.5代4×Φ6；

(8) 臥式加工中心：找正各端口口徑，加工端口側(cè)面安裝孔；

(9) 鉗：拆開；

(10) 鍍：Al/Ct·Ocd,采用SJ20818-2002標(biāo)準(zhǔn)

底板的內(nèi)腔和銷孔是通過一次定位裝夾加工出來的，外形曲面的加工則是以銷孔為基準(zhǔn)加工出的，它們基準(zhǔn)一致，能夠有效保證內(nèi)腔和外形曲面的形位公差，并且組合統(tǒng)一加工，減少相應(yīng)的加工環(huán)節(jié)，減少相關(guān)誤差出現(xiàn)的可能，進(jìn)一步提高端口口徑的精度。

3結(jié)束語

本文依據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行工藝分析，針對工藝難點(diǎn)總結(jié)出一系列行之有效的加工工藝方法，該透鏡的成功研制給以后加工同類產(chǎn)品拓寬了工藝思路。

參考文獻(xiàn)

[1]王先逵.機(jī)械制造工藝學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

[2]國家機(jī)械工業(yè)委員會.金屬切削原理與刀具[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

[3]金東燮，繆吉美.機(jī)械加工工藝過程技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1989.

[4]詹友剛.Mastercam X7數(shù)控加工教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

Research into Processing Technics of A Certain Minitype Lens

DOU Chang-an,CHE Jin-ming

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Abstract:A certain minitype lens has less form size and different structure form compared with other type lens.According to the structure characteristics of its form and lumen,this paper detailedly introduces the processing technics used in the course the lens is being researched.The lens processed by the technics method satisfies drawing size and precision demand,has superior performance,and each index accords with the request.

Key words:electron lens;machining technics;combination processing

收稿日期:2015-07-20

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.05.026

中圖分類號：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：CN32-1413(2015)05-0118-03