大尺寸橢圓凹曲面反射鏡鏡面加工技術(shù)的研究

孟平原 鄭紅云 王 勇 程 遠(yuǎn)

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大尺寸橢圓凹曲面反射鏡鏡面加工技術(shù)的研究

孟平原 鄭紅云 王 勇 程 遠(yuǎn)

（安徽博微長安電子有限公司，六安 237000）

分析研究了大尺寸橢圓凹曲面反射鏡的結(jié)構(gòu)特點和工藝難點，設(shè)計了加工工藝方案，解決了機(jī)械拋光過程中的技術(shù)難題，研制出表面粗糙度為0.606μm的凹面反射鏡，經(jīng)三坐標(biāo)檢測發(fā)現(xiàn)：其反射面軸方向的尺寸誤差在±0.05mm范圍內(nèi)，滿足凹面反射鏡的技術(shù)要求。

橢圓凹曲面；機(jī)械拋光；粗糙度；鏡面

1 引言

隨著科技的不斷進(jìn)步，鋁合金鏡面反射鏡越來越多地被應(yīng)用在航空、航天、軍工、安防等領(lǐng)域[1～5]，2009年美國發(fā)射升空的紅外天文衛(wèi)星WISE上的全鋁光學(xué)系統(tǒng)[6]（包括10塊反射鏡和3塊平面鏡），2011年美國雷神公司完成交付后被安裝在白沙導(dǎo)彈靶場的高能激光器擴(kuò)束鏡[7]，以及2014年5月發(fā)布的國內(nèi)第一臺博微太赫茲人體安檢儀上的光學(xué)鏡面組，無一不是由鋁合金鏡面反射鏡組成的。鋁合金反射鏡不僅具有良好的光學(xué)成像效果，而且擁有質(zhì)輕、易購、成本低、快速成形等特點，尤其是超硬鋁合金6061-T6系，備受光學(xué)精密器件加工領(lǐng)域的青睞，另外，由鋁合金反射鏡和鋁合金支撐結(jié)構(gòu)組成的鋁光學(xué)系統(tǒng)，其系統(tǒng)集成度高，性能更穩(wěn)定（膨脹系數(shù)相同）[8]，系統(tǒng)成像效果也更加優(yōu)異。

鋁合金鏡面反射鏡作為鋁光學(xué)系統(tǒng)的核心零件，不僅要有很高形狀精度，還要擁有良好的表面光潔度，這就需要對鋁合金進(jìn)行精密加工和表面拋光來獲得。鋁合金表面拋光的常用方式包括機(jī)械拋光和化學(xué)拋光，關(guān)佳亮等[9]人采用超精密研拋技術(shù)對鋁合金球進(jìn)行鏡面加工，最終得到了表面粗糙度a=0.039μm的金屬球面；張藝等[10]人用自制拋光盤和拋光液對6061鋁合金反射鏡進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，獲得了表面粗糙度a=2.6nm（0.94mm×0.7mm局部區(qū)域）的鏡面；潘龍等[11]人用球頭羊毛拋光輪對鋁合金曲面進(jìn)行拋光，最終獲得了表面粗糙度為0.503μm的30mm×35mm拋光鏡面。

目前文獻(xiàn)中報道的鋁合金鏡面拋光方式大多都是針對平面反射鏡或自由曲面反射鏡[8]，對于橢圓、薄壁凹面反射鏡的加工和拋光卻鮮有報道。本文研究了大尺寸橢圓凹曲面反射鏡（以下簡稱為凹面反射鏡）的結(jié)構(gòu)特點和技術(shù)要求，綜合加工中心設(shè)備技術(shù)情況，設(shè)計了加工工藝方案，通過輔助機(jī)床側(cè)銑拋光工裝，選用機(jī)械拋光的方式，并逐一解決工藝方案實施過程中的技術(shù)難題，成功研制出鋁合金凹面反射鏡。針對加工完成的凹面反射鏡，采用輪廓儀和三坐標(biāo)檢測儀對其進(jìn)行檢測分析。

2 凹面反射鏡的工藝性分析

2.1 凹面反射鏡的結(jié)構(gòu)特點

凹面反射鏡為橢圓凹曲面薄壁結(jié)構(gòu)，如圖1所示，曲面、橢圓周邊及底面減輕空腔均為厚度4mm的薄壁，底面均勻分布加強(qiáng)筋及安裝螺紋孔，材料為鋁合金（6061-T6）。

圖1 凹面反射鏡主要尺寸要求

2.2 工藝難點分析

凹面反射鏡的反射面是橢圓凹曲面，底面為加強(qiáng)筋、空腔薄壁結(jié)構(gòu)，反射面是凹面反射鏡的核心訴求，結(jié)合其技術(shù)要求，凹面反射鏡的加工難點主要有：

a. 凹面反射鏡加工時材料去除率達(dá)90%，加工產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力容易使零件變形；

b. 反射面的表面粗糙度a≤0.8μm，整個反射面的尺寸較大，且不允許殘余任何加工紋路；

c. 反射面的曲面度要求較高：反射面內(nèi)任取42個檢測點，每個檢測點軸坐標(biāo)尺寸誤差，-0.05mm＜＜0.05mm。

3 工藝方案與實施

3.1 工藝方案

根據(jù)凹面反射鏡的結(jié)構(gòu)特點和技術(shù)要求，分析工藝難點，設(shè)計凹面反射鏡的加工方案，主要工藝過程：粗加工正反面→去應(yīng)力熱處理→精加工底面→精加工反射面、外形→拋光反射面→檢測，其中拋光反射面是獲得零件粗糙度和曲面度的關(guān)鍵工序。

3.2 工藝過程

3.2.1 粗加工

凹面反射鏡的粗加工主要是粗銑反射面和底面減輕孔，且設(shè)置單邊余量為1mm，加工反射面和底面時，保證加工基準(zhǔn)準(zhǔn)確、統(tǒng)一。粗加工時，將工件直接裝夾在機(jī)床工作臺上，選用12mm波紋刀，轉(zhuǎn)速=12000r/min，進(jìn)給量=5000mm/min，每一步切削深度為p=4mm，粗加工完成的工件如圖2所示。

a 反射面 b 底面

3.2.2 精加工

粗加工完成后，對工件進(jìn)行熱處理，將應(yīng)力全部釋放后，對其進(jìn)行精加工：先精加工底面，然后精銑反射面和外形。

精加工底面時，加工基準(zhǔn)和粗加工的基準(zhǔn)一致，底面的精加工分為半精加工和精加工兩道工步，直接將凹面反射鏡底面精銑到設(shè)計圖尺寸，具體刀具和參數(shù)見表1，同時，精銑出銷釘孔及M6螺紋內(nèi)徑。

表1 底面精加工參數(shù)表

精加工工件反射面和外形時，加工基準(zhǔn)和精加工底面的基準(zhǔn)一致。加工反射面分為半精加工和精加工兩道工步，半精加工主要是去除加工余量；精加工階段1是使工件余量均勻，防止跳刀而出現(xiàn)紋路不均；精加工階段2則是精銑凹面，為拋光提供良好的基礎(chǔ)曲面，具體刀具和加工參數(shù)見表2，凹面反射鏡精加工過程圖見圖3。反射面精銑完成后，用平底銑刀完成工件橢圓外形的加工。

表2 反射鏡精加工參數(shù)

圖3 凹面反射鏡精加工過程圖

3.2.3 拋光反射面

圖4 機(jī)床側(cè)銑拋光工裝

精加工結(jié)束后，獲得合格零件的關(guān)鍵工序就是對其反射面的拋光。拋光是一個去除材料表面凸出部分而獲得平滑面的復(fù)雜過程，影響拋光效果的主要因素有：拋光輪轉(zhuǎn)速、拋光輪壓縮量（拋光壓力）、拋光輪運(yùn)動軌跡、拋光進(jìn)給速度、拋光輪材料、拋光液等[11]。本文的拋光過程在一臺精密加工中心上進(jìn)行，通過機(jī)床側(cè)銑拋光工裝固定拋光輪，如圖4所示，編程控制拋光輪的各項參數(shù)，最終完成對反射面的拋光。

反射面的拋光過程分為粗拋和精拋兩個階段，以反面銷釘孔為拋光基準(zhǔn)，將工件裝夾在拋光裝夾工裝上，拋光裝夾工裝如圖5所示，每個拋光階段用不同粒度的金剛石油性懸浮液作為拋光液。在借鑒文獻(xiàn)機(jī)械拋光經(jīng)驗[12]的基礎(chǔ)上，通過大量的拋光試驗，不斷修正獲得的最優(yōu)拋光參數(shù)如表3所示。拋光完成的凹面反射鏡如圖6所示。

圖5 凹面反射鏡拋光裝夾工裝

表3 反射面拋光參數(shù)

圖6 拋光完成的凹面反射鏡及其鏡面效果圖

4 拋光過程主要問題及分析

去應(yīng)力熱處理控制了工件變形，精加工反射面為拋光提供了基礎(chǔ)曲面，并留有一定的拋光余量，但是在整個拋光的過程中，出現(xiàn)了新的技術(shù)難題，如圖7所示，拋光過程中工件出現(xiàn)周邊塌角、波紋、“橘皮”、拋光紋路等問題。

圖8 延長前后切入點和退出點變化圖

經(jīng)過多次試驗和分析研究，發(fā)現(xiàn)：周邊塌角主要是由拋光輪每次切入工件和退出工件時，工件邊緣受力不均、橢圓棱邊壓力過大造成的變形。針對周邊塌角，從改變拋光軌跡和改進(jìn)工裝兩個方面著手：一、延長拋光輪運(yùn)動軌跡，如圖8所示，將拋光輪的切入點和退出點由之前的點A和點B處延至點C和點D處，這樣就可以減少拋光輪與反射面邊緣的接觸時間，改善邊角變形；二、改進(jìn)工裝，調(diào)整工裝與工件的配合間隙在0.1～0.15mm，并使工裝邊緣高于工件高點0.2～0.5mm，實現(xiàn)工件周邊與工裝無縫對接，如此以來，拋光輪拋至工件邊角時就由工裝承擔(dān)拋光輪的大部分不均勻壓力，減少了工件本身的受力變形。

波紋問題則是反射面拋光之后，粗糙度降至0.8μm左右時，加工刀痕的微觀幾何形貌中較大波峰被顯現(xiàn)出來。解決波紋問題：一是選擇性能優(yōu)良的球刀，細(xì)化刀紋，優(yōu)化刀路；二是提高粗拋前期壓力，將粗拋前期的拋光輪壓縮量由之前的0.1mm增至0.3mm，盡可能地去除加工刀痕波峰高點，減小表面輪廓波動，提高波紋細(xì)密性，形成均勻一致的光滑表面，消除工件波紋。

“橘皮”，即不規(guī)則、粗糙的表面，它是拋光過程中拋光壓力過大、拋光時間過長使得工件過熱而形成的。對于“橘皮”問題，采用降低拋光輪轉(zhuǎn)速，提高拋光進(jìn)給速度，減小精拋壓力的方式，將精拋階段拋光輪轉(zhuǎn)速降至1000r/min，拋光進(jìn)給速度增至1000mm/min，前期拋光輪壓縮量減至0.1mm，后期拋光輪壓縮量不變，減少拋光時間和減小拋光壓力，降低工件發(fā)熱量，提高光潔度。另外，拋光階段金剛石油性懸浮液的加入使得拋光輪、磨粒和工件之間的摩擦系數(shù)減小，也可以降低工件表面溫度，同時保證工件表面粗糙度。

拋光紋路是拋光輪厚度較小而工件尺寸較大，布輪多次往復(fù)拋光，拋完反射面，留下的布輪與布輪之間的拋光痕跡。針對拋光紋路，則采用細(xì)化拋光輪拋光行距，將行距由3mm改為1.5mm，窄化紋路寬度，控制拋光壓力，多次拋光至紋路消失。

5 檢測結(jié)果

圖9 凹面反射鏡粗糙度檢測結(jié)果

拋光完成的工件，其反射面的表面粗糙度由MMD-HR220輪廓儀測量，反射面的曲面度由Daisy8106三坐標(biāo)檢測儀檢測得到，檢測結(jié)果如圖9所示，凹面反射鏡反射面的粗糙度為a=0.606μm，小于0.8μm，符合凹面反射鏡的技術(shù)要求。

圖10 凹面反射鏡曲面度檢測結(jié)果

如圖10所示，在凹面反射鏡的反射面內(nèi)，選取42個檢測點（均布反射面），其軸坐標(biāo)尺寸誤差都在±0.05mm范圍內(nèi)，符合產(chǎn)品技術(shù)要求。

兩組檢測結(jié)果表明：拋光完成后的凹面反射鏡滿足其加工技術(shù)要求，針對凹面反射鏡的加工工藝方案可行，該拋光方式可以用于橢圓凹曲面的拋光，同時，也間接表明了在此拋光過程中積累的拋光參數(shù)及拋光問題解決方案具有一定的可行性和借鑒意義。

6 結(jié)束語

通過對橢圓凹曲面鏡面反射鏡的結(jié)構(gòu)特點和工藝難點分析，提出了合理的加工工藝流程：用熱處理方法消除工件應(yīng)力，控制加工變形，采用球刀銑削、精加工得到橢圓凹曲面，利用羊毛氈輪和布輪拋光工件反射面，最終獲得凹面反射鏡，檢測結(jié)果表明：完成的凹面反射鏡能夠達(dá)到其加工技術(shù)要求，反射面各加工參數(shù)和拋光參數(shù)能夠滿足高精度凹面反射鏡的加工要求，實現(xiàn)了對橢圓凹曲面薄壁結(jié)構(gòu)鏡面反射鏡的加工。

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Research on Mirror Machining of Large-sized Elliptical Concave Surface Mirror

Meng Pingyuan Zheng Hongyun Wang Yong Cheng Yuan

(Anhui Brainware Changan Electronics Co., Ltd, Lu’an 237000)

In this paper, the structural characteristics and technological difficulties of the large-sized elliptical concave surface mirror were studied and analyzed. The processing scheme was designed and the technical problems in the mechanical polishing process were solved. A concave mirror with a surface roughness of 0.606μm was developed. With the detection of three coordinate, it was found that the size error ofaxis direction of the reflection surface was in the rang of ±0.05mm, which satisfied the technical requirements of concave mirror.

elliptical concave surface；mechanical polishing；roughness；mirror surface

孟平原（1988），碩士，材料科學(xué)與工程專業(yè)；研究方向：機(jī)械設(shè)計加工。

2017-09-25