小曲率透鏡高效加工工藝的研究

摘 要：在眾多種類的光學(xué)元件中，球面光學(xué)元件的應(yīng)用頻率較高，小曲率半徑透鏡因其自身特點(diǎn)尤為突出，因此對(duì)小曲率半徑透鏡加工工藝的研究極有意義。文中采用SPM-60數(shù)控銑磨機(jī)對(duì)毛坯玻璃進(jìn)行銑磨和精磨工序，以滿足拋光工序?qū)α慵植诙群兔嫘蔚囊?；在此基礎(chǔ)上采用SPS-60數(shù)控拋光機(jī)，對(duì)小曲率透鏡進(jìn)行拋光工序。通過正交試驗(yàn)，研究了拋光模轉(zhuǎn)速、拋光模壓力、拋光時(shí)間對(duì)零件面形的影響，并利用單因素實(shí)驗(yàn)確定了拋光小曲率透鏡的最佳工藝參數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在使用SPS-60數(shù)控拋光機(jī)對(duì)小曲率透鏡拋光時(shí)，最佳的工藝參數(shù)為拋光模轉(zhuǎn)速700r/min，拋光模壓力0.16bar，拋光時(shí)間500s。

關(guān)鍵詞：小曲率透鏡；拋光；拋光模轉(zhuǎn)速；拋光模壓力；拋光時(shí)間；光圈

隨著光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)元件的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，需求數(shù)量正迅猛增長(zhǎng)。在眾多種類的光學(xué)元件中，球面光學(xué)元件應(yīng)用頻率較高，光學(xué)設(shè)計(jì)中，透鏡的曲率半徑是最重要的特性參數(shù)之一。因此，在球面透鏡的加工過程中，確保所加工的光學(xué)球面曲率半徑滿足設(shè)計(jì)要求，是應(yīng)用于實(shí)際的關(guān)鍵。

文章以此高速生產(chǎn)工藝為基礎(chǔ)，通過使用德國(guó)LOH公司生產(chǎn)的SPM-60數(shù)控銑磨機(jī)及SPS-60數(shù)控拋光機(jī)，來完成對(duì)小曲率透鏡的高效加工。在加工中，利用正交工藝試驗(yàn)，研究了拋光模壓力、轉(zhuǎn)速、拋光時(shí)間對(duì)透鏡光潔度及面形的影響，并通過單因素實(shí)驗(yàn)確定了最佳的工藝參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 加工及檢測(cè)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)加工的透鏡，其凹面曲率半徑為38.89mm，凸面曲率半徑為83.37mm，工件直徑為69.86mm，中心厚度為5.6mm。實(shí)驗(yàn)中使用的加工設(shè)備為德國(guó)LOH公司生產(chǎn)的SPM-60數(shù)控銑磨機(jī)以及SPS-60數(shù)控拋光機(jī)。檢測(cè)使用的工具有千分表、光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)樣板及6倍放大鏡。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

首先使用SPM-60數(shù)控銑磨機(jī)對(duì)毛坯玻璃進(jìn)行銑磨和精磨工序，以滿足拋光工序?qū)α慵植诙群兔嫘蔚囊?。使用設(shè)備自帶的精磨金剛石磨輪完成加工，即可滿足拋光所需要的粗糙度要求。在此基礎(chǔ)上使用SPS-60數(shù)控拋光機(jī)，對(duì)小曲率透鏡進(jìn)行拋光工序。在拋光工序中，通過正交試驗(yàn)，研究了拋光模壓力、拋光模轉(zhuǎn)速、拋光時(shí)間對(duì)零件面形的影響，并通過單因素實(shí)驗(yàn)，最終確定了拋光小曲率透鏡的最佳工藝參數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)正交試驗(yàn)的結(jié)果，分析了不同水平下單因素的極差，如表2所示。結(jié)合加工完成元件所測(cè)量的矢高差，通過計(jì)算相應(yīng)因素的極差，確定了每種因素的影響程度。

對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到拋光模轉(zhuǎn)速極差最大，表明在拋光過程中，該因素對(duì)元件面形影響最大，研拋壓力次之，拋光時(shí)間最后。在此基礎(chǔ)上利用單因素實(shí)驗(yàn)，確定每種因素的最佳工藝參數(shù)。

2.1 拋光模轉(zhuǎn)速對(duì)光學(xué)元件面形的影響

首先，通過單因素實(shí)驗(yàn)主要研究了拋光模轉(zhuǎn)速的變化對(duì)加工元件面形的影響。在單因素實(shí)驗(yàn)中，確定了拋光模壓力為0.15bar，拋光時(shí)間為500s。待加工元件為經(jīng)銑磨、精磨后，矢高為-3um的小曲率透鏡，檢測(cè)量為加工元件的光圈。

分析認(rèn)為，拋光模具在研磨中，當(dāng)拋光模轉(zhuǎn)速增加時(shí)，由于工件邊緣線速度較快，導(dǎo)致相對(duì)速度較大，元件邊緣研磨量大，光圈升高。

2.2 拋光模壓力對(duì)光學(xué)元件面形的影響

在研究拋光模壓力對(duì)光學(xué)元件面形影響的單因素實(shí)驗(yàn)中，確定了相對(duì)轉(zhuǎn)速為400r/min，拋光時(shí)間為500s。待加工元件為經(jīng)銑磨、精磨后，矢高為-3um的小曲率透鏡，檢測(cè)量為加工元件的光圈。分析認(rèn)為，拋光模具在研磨中，對(duì)元件邊緣的壓力小于中心的壓力，導(dǎo)致元件中心研磨量大，光圈降低。

2.3 拋光時(shí)間對(duì)光學(xué)元件面形的影響

在研究拋光時(shí)間對(duì)光學(xué)元件面形影響的單因素實(shí)驗(yàn)中，確定了拋光模轉(zhuǎn)速為400r/min，拋光模壓力為0.1bar。待加工元件為經(jīng)銑磨后，矢高為-3um的小曲率透鏡。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著研磨時(shí)間的延長(zhǎng)，光圈有升高的趨勢(shì)。分析認(rèn)為，當(dāng)研磨時(shí)間增加時(shí)，元件在壓力和轉(zhuǎn)速的影響下，邊緣部分研磨量較大，導(dǎo)致元件光圈升高。

通過以上單因素實(shí)驗(yàn)研究了不同工藝因素對(duì)加工元件面形的影響情況。結(jié)合單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果選取拋光模轉(zhuǎn)速為700r/min，拋光模壓力為0.16bar，拋光時(shí)間為500s，對(duì)經(jīng)銑磨、精磨后矢高為-3um的小曲率透鏡進(jìn)行拋光，檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)元件光潔度滿足要求，光圈為-1道圈，確定為實(shí)際加工的最佳工藝參數(shù)。

3 結(jié)束語

通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在使用SPS-60數(shù)控拋光機(jī)對(duì)小曲率透鏡拋光時(shí)，最佳的工藝參數(shù)為拋光模轉(zhuǎn)速700r/min，拋光模壓力0.16bar，拋光時(shí)間500s。通過利用該工藝參數(shù)，可對(duì)小曲率透鏡進(jìn)行快速的加工。大批量生產(chǎn)中，結(jié)合銑磨、精磨后零件面形的特點(diǎn)，統(tǒng)籌安排零件加工次序，最終能夠完成對(duì)零件的高效加工。

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