影響光學(xué)玻璃鏡片磨削表面質(zhì)量因素分析

汪軍輝

一、前言

隨著近年來高端顯微儀器、機(jī)器視覺、自動(dòng)駕駛等光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的高速發(fā)展，對(duì)于傳統(tǒng)光學(xué)元件的玻璃鏡片提出了更高的品質(zhì)要求，其中光學(xué)玻璃鏡片磨削表面的表面質(zhì)量是影響光學(xué)鏡頭質(zhì)量的重要因素之一。以下通過影響光學(xué)玻璃鏡片磨削表面質(zhì)量主要因素的研究，提出了合理的加工工藝參數(shù)選用原則。

二、磨削表面質(zhì)量的主要表現(xiàn)及其影響因素

光學(xué)玻璃鏡片磨削表面的表面質(zhì)量包含：表面粗糙度、微裂紋燒傷和破邊崩口等項(xiàng)目。影響光學(xué)玻璃鏡片磨削表面質(zhì)量的主要因素有：設(shè)備精度、砂輪精度、磨粒尺寸、磨削用量、磨削液種類。

2.1設(shè)備精度的影響

我司現(xiàn)有用于玻璃磨削的全伺服系統(tǒng)磨邊機(jī)砂輪軸最高轉(zhuǎn)速為4300r/min。回轉(zhuǎn)精度可達(dá)1 μm以內(nèi);砂輪進(jìn)給精度為1 μm;工件主軸旋轉(zhuǎn)速度為0.1～200r/min，該設(shè)備的磨削深度能控制到1 μm。在磨削過程中，采用2.5～3.5L/min流量的冷卻液對(duì)工件進(jìn)行冷卻。

在相同磨削條件下驗(yàn)證可以得到，對(duì)鏡片磨削表面質(zhì)量影響最大是砂輪軸的動(dòng)平衡，其次是砂輪軸的回轉(zhuǎn)跳動(dòng)精度。

2.1.1砂輪軸的動(dòng)平衡：

在磨削過程中砂輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，砂輪圓周軸向截面上參與磨削的磨粒數(shù)量越多，所得到的加工表面的表面質(zhì)量越好。而砂輪軸動(dòng)平衡不好時(shí)產(chǎn)生的主軸震動(dòng)會(huì)減少參與磨削的磨粒數(shù)，從而導(dǎo)致鏡片表面質(zhì)量粗糙。2.1.2砂輪軸的回轉(zhuǎn)跳動(dòng)精度：

砂輪軸的回轉(zhuǎn)跳動(dòng)直接影響鏡片的表面質(zhì)量。降低砂輪軸的回轉(zhuǎn)跳動(dòng)可有效改善鏡片的表面質(zhì)量。主要有兩種方法：

①通過砂輪安裝時(shí)對(duì)砂輪偏振調(diào)整來降低，

②設(shè)備安裝好的砂輪磨在線磨合后，砂輪磨削面也會(huì)得到較好的跳動(dòng)度。

目前設(shè)備缺點(diǎn)是主軸動(dòng)平衡不好時(shí)只能通過降低砂輪軸轉(zhuǎn)速來對(duì)應(yīng)，且收效甚微。

2.2砂輪精度的影響

用于磨邊的砂輪是指金屬基體的電鍍金剛石砂輪，也稱為“砥石”。

砂輪跳動(dòng)精度是影響玻璃鏡片磨削表面質(zhì)量的重要因素，砂輪跳動(dòng)越大表面粗糙度越大，越容易造成鏡片磨削位置的破邊崩口現(xiàn)象。砂輪跳動(dòng)會(huì)隨著砂輪金剛石電鍍層的磨損得到改善，這樣現(xiàn)象我們稱之為砂輪“磨合”。

2.3磨粒尺寸的影響

金剛石砂輪的磨粒尺寸一般用金剛石過濾篩網(wǎng)目數(shù)表示，磨邊砂輪通常選用范圍在320#～500#之間，相對(duì)應(yīng)金剛石粒徑為42μm～34μm。砂輪磨粒尺寸越小，同時(shí)參與磨削的磨粒越多，磨刃密度系數(shù)越大，越能得到較好的表面粗糙度。

但較小粒徑砂輪的磨削深度和磨粒尖角變小，砂輪排屑能力和材料去除率下降，在針對(duì)材質(zhì)偏硬的鏡片時(shí)容易造成“擠壓式”磨削，在已加工面留下微裂紋和表面應(yīng)力，這樣的鏡片到涂墨工序后會(huì)出現(xiàn)“白點(diǎn)”不良。（見圖1、圖2）

過小粒徑的砂輪磨削，還會(huì)由于磨削過程鏡片旋轉(zhuǎn)受到磨削阻力變大，當(dāng)鏡片形狀決定的倒角與通光面夾角較小時(shí)，磨削阻力容易導(dǎo)致該位置發(fā)生脆性斷裂，形成破邊崩口。

所以選用砂輪粒度并不是越小越好，要根據(jù)產(chǎn)品材質(zhì)合理選型，鏡片材質(zhì)硬（磨耗度?。┑漠a(chǎn)品應(yīng)選擇粒度大磨粒的砂輪型號(hào)，反之同理，鏡片材質(zhì)軟（磨耗度大）則選擇粒度小磨粒的砂輪型號(hào)。

2.4磨削用量的影響

磨削用量包括砂輪速度vs、工件速度vw、進(jìn)給量fa、磨削深度ap和光磨次數(shù)。磨削用量對(duì)磨削加工表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率有很大影響，見表1：

在生產(chǎn)實(shí)踐中，磨邊工藝磨削用量中砂輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度vs是常數(shù)，工件速度vw（鏡片夾具軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度）影響磨削表面質(zhì)量影響較大，工件速度vw（鏡片夾具軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度）越小粗糙度越小。

在大多數(shù)情況下，產(chǎn)品的生產(chǎn)效率與表面質(zhì)量在磨削用量的選用中體現(xiàn)成反比關(guān)系。唯一不同是，在生產(chǎn)實(shí)踐中磨削深度ap對(duì)磨削表面的表面粗糙度影響較小，過小的磨削深度ap反而會(huì)增加鏡片倒角位置破邊崩口的發(fā)生概率。

2.5磨削液的影響

磨削過程中的磨削液主要起到?jīng)_洗排屑、冷卻和潤(rùn)滑作用。出于對(duì)高精度機(jī)床的保護(hù)，油性磨削液使用更為廣泛。相較于油性磨削液，水性磨削液冷卻效果更好，在形狀易發(fā)生內(nèi)裂產(chǎn)品的破邊問題改善上收效極佳。

生產(chǎn)過程中磨削液為循環(huán)使用，當(dāng)磨削液中磨削下來的玻璃粉濃度較高時(shí)，會(huì)有部分玻璃粉填充到砂輪的金剛石磨粒的間隙內(nèi)，使得砂輪的磨刃深度變淺，材料去除率下降，鏡片磨削表面亞損傷層的微裂紋加深，影響磨削的表面質(zhì)量。所以通常磨削液循環(huán)系統(tǒng)中會(huì)配有高速離心機(jī)或壓濾機(jī)來處理磨削液的潔凈度問題。

所以從設(shè)備角度來說，只有掌握優(yōu)良的設(shè)備精度、砂輪精度、磨粒尺寸、磨削用量以及磨削液種類，才能改善玻璃鏡片磨削表面質(zhì)量。

三、合理的加工工藝參數(shù)選用原則

我司的加工工藝主要體現(xiàn)在以下幾項(xiàng)：

（1）首選用砂輪主軸動(dòng)平衡好的設(shè)備來生產(chǎn)磨削表面質(zhì)量高要求的玻璃鏡片;

（2）根據(jù)產(chǎn)品材質(zhì)特性選用砂輪粒度型號(hào)，鏡片材質(zhì)越硬（磨耗度?。┑漠a(chǎn)品應(yīng)選擇粒度大磨粒的砂輪型號(hào)，反之同理，鏡片材質(zhì)越軟（磨耗度大）則選擇粒度小磨粒的砂輪型號(hào);

（3）在確保產(chǎn)品品質(zhì)與提升生產(chǎn)效率兩個(gè)方面考慮，合理選用磨削用量，找到產(chǎn)品的最佳良品條件。其中磨削深度對(duì)已磨削表面的質(zhì)量影響最小，可適當(dāng)加大磨削深度可提高生產(chǎn)效率;

（4）根據(jù)產(chǎn)品形狀材質(zhì)選用油性或水性的磨削液，保持磨削液的潔凈度對(duì)磨削表面質(zhì)量有幫助。

合理的加工工藝參數(shù)選用，既能保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，又能節(jié)約人力和資金。