（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安，710065）

關(guān)于加工晶體鍺類玻璃零件的創(chuàng)新技術(shù)

王聰會 蘇 瑛 張恒超 張 博 金 鑫

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安，710065）

本文以某項(xiàng)目的光學(xué)玻璃零件為研究對象，通過科學(xué)的理論驗(yàn)證和推理以及有限元分析最終完成了對玻璃零件的加工，最終結(jié)果證實(shí)了運(yùn)用金屬類切削機(jī)床加工玻璃零件的可行性，以此推廣到機(jī)械加工中，可以解決部分超出現(xiàn)有光學(xué)加工設(shè)備加工范圍、部分加工技術(shù)難點(diǎn)和加工能力瓶頸的有色金屬和晶體鍺類光學(xué)玻璃的零件金屬切削問題，這一研究打破了光學(xué)玻璃只能在光學(xué)專業(yè)機(jī)床上加工傳統(tǒng)觀念，開創(chuàng)五軸加工中心加工玻璃零件的先例，為本單位甚至國家的智能制造提供了寶貴的資料。

鍺類玻璃；金屬切削；有限元分析；智能制造

某激光項(xiàng)目中有一種柱面鏡零件，其作用是將圓形光斑拉成直線光斑，該柱面鏡半徑設(shè)計(jì)為R265.5±1mm，材料為鍺晶體。面形精度要求非常高，采用普通設(shè)備細(xì)磨、拋光面形很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求；若采用金剛石車床，則要求行程至少531mm，目前本單位的金剛石車床行程遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。面對該難題，光學(xué)工藝、機(jī)加工藝、試制部操作人員一起，針對該零件的特點(diǎn)，制定了一種應(yīng)用數(shù)控加工中心設(shè)備的技術(shù)方案，以解決該零件曲率半徑大、面形精度高的技術(shù)難題。

傳統(tǒng)光學(xué)領(lǐng)域加工柱面鏡時(shí)通常采用普通機(jī)床或金剛石車床，金剛石車床屬于超精密加工范疇，設(shè)備成本高，而且所加工零件的尺寸范圍決定于設(shè)備的加工行程。僅就特殊玻璃零件的粗加工工序而言，本創(chuàng)新技術(shù)可以對有色金屬和晶體鍺類材料基體進(jìn)行各尺寸、各面形的粗加工，為后續(xù)的拋光工序創(chuàng)造基礎(chǔ)。特別對于我所的光學(xué)零件試制加工任務(wù)，常規(guī)零件都有設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)加工，但如果該零件具有曲面面型，甚至于非球面面型，尺寸偏大，材料為有色金屬或晶體鍺。對于這類零件的粗加工，該創(chuàng)新技術(shù)具有顯著的先進(jìn)性、效益型和獨(dú)創(chuàng)性。查閱相關(guān)資料和知識庫，目前在國內(nèi)、國外均沒有該創(chuàng)新技術(shù)方面的描述。

1 創(chuàng)新技術(shù)原理與方案

本文以某項(xiàng)目柱面鏡為光學(xué)零件為載體，由光學(xué)工藝設(shè)計(jì)為牽引，機(jī)加工藝技術(shù)及現(xiàn)場操作技藝技能為支撐。在跨專業(yè)工藝制造過程中，充分調(diào)動機(jī)械加工工藝鏈中的現(xiàn)有優(yōu)勢資源。對晶體材料零件加工進(jìn)行創(chuàng)新。對可能存在的工藝難題進(jìn)行了梳理和探討，并形成了諸多的工藝技術(shù)和特色的技能操作方法。

本文技術(shù)原理為：應(yīng)用機(jī)械加工中通用機(jī)床的去料切削功能，跨專業(yè)地對有色金屬、鍺等晶體材料零件進(jìn)行切削加工，如圖1所示。

根據(jù)零件的特點(diǎn)采取的工藝路線：粗磨成型——三塊零件火漆上盤——數(shù)控加工中心金切柱面——拋光柱面粗糙度——拋光第二平面。運(yùn)用該工藝路線以加工中心機(jī)床的金切加工代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝中的細(xì)磨、粗拋柱面。

該技術(shù)的主要難點(diǎn)；①面型精度：理論上加工中心等金切機(jī)床的定位精度可以保證，但在整個(gè)工藝系統(tǒng)中系統(tǒng)剛性、加工讓刀、刀具過切、各軸反向間隙等因素都會對實(shí)際加工出的面型精度產(chǎn)生影響。②表面粗糙度：作為本創(chuàng)新技術(shù)的主要技術(shù)指標(biāo)，切深吃刀量、進(jìn)給速度、切削速度、行切密度等因素都會直接影響實(shí)際的表面粗糙度。③晶體材料的特性：相對于常規(guī)金屬材料，晶體鍺的硬脆性還是更高，所以在實(shí)際加工中，需要驗(yàn)證合適的刀路軌跡、切入切出方式、加工余量等。④切削液及排屑：對于玻璃零件，去料加工必然面對切屑排出問題，在實(shí)際加工中需要驗(yàn)證排屑方式。⑤切削刀具：在加工中，應(yīng)用何種材料基體的刀具，并且刀具的幾何參數(shù)如何，將直接影響本創(chuàng)新技術(shù)主要的技術(shù)指標(biāo)。⑥加工精度的檢測：驗(yàn)證本創(chuàng)新技術(shù)對晶體鍺玻璃零件的實(shí)際加工效果，需要借助光學(xué)加工中的精密檢測儀器。

圖1 數(shù)控機(jī)床加工晶體鍺類玻璃零件

圖2 改制后的刀具

可行性分析：首先，對于光學(xué)材料，本創(chuàng)新技術(shù)不考慮需要磨粒加工的傳統(tǒng)硬脆的光學(xué)玻璃，只對可進(jìn)行去料切削加工的有色金屬和晶體鍺等材料。其次，金切機(jī)床，特別是加工中心，甚至于五軸加工中心都有著相對更多的空間加工能力和更大的加工范圍，一般實(shí)際的定位精度可達(dá)0.004mm/300mm長。在剛性足夠并穩(wěn)定可靠的工藝系統(tǒng)中，應(yīng)用合適的加工刀具，優(yōu)選切削參數(shù)，有望達(dá)到粗糙度優(yōu)于Ra0.8mm，面型精度優(yōu)于0.005mm。所以，對于晶體材料光學(xué)零件粗加工的一般要求，該創(chuàng)新技術(shù)在原理上可以保證。

2 加工過程以及參數(shù)分析

本論文的創(chuàng)新技術(shù)現(xiàn)已在晶體鍺零件上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。在柱面鏡的實(shí)際試驗(yàn)加工中，面對各種挑戰(zhàn)并克服了諸多的難題，主要的實(shí)施過程和應(yīng)用的工藝技術(shù)如下。

2.1 工裝和裝夾方式

在工藝系統(tǒng)中，制作好了工裝后，裝夾方式就比較簡單了，主要原則是保證裝夾牢靠，不干涉加工。本次試制加工采用的是傳統(tǒng)的墊鐵-螺釘-壓板裝夾方式。

2.2 刀具材料和刀具改制

該零件加工應(yīng)該用高硬度、耐磨、熱硬性好、工藝性好、散熱性好的刀具，主要有金剛石刀具和立方氮化硼（CBN）。選擇金剛石刀具。

在該零件的緊急試制任務(wù)中，借用了金剛石車床現(xiàn)有的刀具。該刀具為靜止?fàn)顟B(tài)的車刀，為了應(yīng)用到旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的加工中心上，對其進(jìn)行了改制，如圖2所示。

2.3 設(shè)備選用

本單位現(xiàn)有多款三軸五軸加工中心，為了保證工藝要求的面型精度，選擇應(yīng)用現(xiàn)場的DMU100加工中心。該設(shè)備主軸轉(zhuǎn)速12000r/min，實(shí)際定位精度0.005mm/全長，重復(fù)定位精度0.003mm/全長，最大軸行程1000mm。

表1 銑削速度推薦表

2.4 走刀方式的確定

加工的玻璃零件很脆，不能受到太大的壓力，當(dāng)選擇順銑時(shí)；切削力Fc在垂直方向分力 Fn始終向下，對工件起了壓緊作用，切削平穩(wěn)，在銑刀刀刃切入工件時(shí)，切屑厚度最大，逐漸減小到0。后刀面與已加工表面擠壓、摩擦小，刀刃磨損慢，表面質(zhì)量好。為了保證該硬脆材料玻璃在切削時(shí)不會棱邊崩裂，選擇圓弧進(jìn)退刀方式，并且手工增加預(yù)切程序段。

圖3 殘余高度

圖4 加工中心金切后的晶體鍺柱面

2.5 程序準(zhǔn)備

對于線性柱面曲面，采用手工宏程序編程方法，以方便隨時(shí)修改和調(diào)整：

0 GEGIN PGM GXTEST2 MM

1 BLK FORM 0.1 Z X-1 Y-1 Z-1

……

25 TOOL CALL 23 Z S300

26 L Z-1 R0 FMAX M3 M91

27 CYCL DEF 7.0 DATUM SHIFT

……

35 L X-35.5 Y-232 RO FMAX M25

36 L Z+2 RO FMAX

37 L X-35.5 Y-233.37 RO F30

38 CC X+0 Y+0

39 LBL 10

40 C X+35.5 DR-

41 L IZ-0.015

42 C X-35.5 DR-

43 L IZ-0.015

44 ALL LBL 10 REP800

2.6 仿真與應(yīng)力分析

應(yīng)用UG和ABAQUS軟件對零件進(jìn)行應(yīng)力分析，應(yīng)用VERICUT軟件對程序及加工過程進(jìn)行仿真和干涉檢查。

2.7 切削參數(shù)

根據(jù)晶體鍺材料的硬度莫氏硬度為6，根據(jù)轉(zhuǎn)換的經(jīng)驗(yàn)值： 布氏=（莫氏＊6.5+3）＊10，那么也就相當(dāng)于玻璃的布氏硬度約為420左右，根據(jù)上表的參數(shù)可以看出，隨著硬度的增加切削速度不斷地減小，參考表1選擇切削速度為40m/min，加工所用刀具回轉(zhuǎn)直徑為50mm。

通過主軸（銑刀）的轉(zhuǎn)速公式：

計(jì)算得出主軸轉(zhuǎn)速為260r/min。

查表設(shè)定每齒進(jìn)給量為0.04mm,通過進(jìn)給量的計(jì)算公式：

計(jì)算得出進(jìn)給量為22mm/min。

因?yàn)樵摿慵屎艽?，面型較平坦，加工余量很小，所以選擇一次成型加工，不用計(jì)算吃刀量。

最后根據(jù)殘余高度計(jì)算公式，如圖3所示。

式中，h—?dú)堄喔叨龋?/p>

L—刀具在切削點(diǎn)的步距；

ρ—曲面法曲率半徑；

R—刀具的半徑。

反算出行距L為0.015mm。

2.8 排屑方式

目前，對于晶體鍺材料在切削時(shí)適用的冷卻液（清洗液）未做研究。鑒于該零件的光學(xué)特性和加工中心的實(shí)際條件，選擇使用連續(xù)吹氣的排屑方式。

3 結(jié)果檢驗(yàn)以及經(jīng)濟(jì)性

完成加工后的零件如圖4所示。分別以三種方式進(jìn)行了檢測：機(jī)床紅外線測頭進(jìn)行在線檢測和幾何尺寸的初檢查；用三坐標(biāo)測量儀對整體的面形進(jìn)行檢測，其面形檢測半徑為R265.483mm，精度符合圖紙要求；用R265.5mm球面半徑檢測，能夠清晰看到一條細(xì)直彩色條紋，按經(jīng)驗(yàn)其面形精度符合R265.5±1mm。

最后的檢測結(jié)果得到了工藝師的認(rèn)可，零件也執(zhí)行完了后續(xù)的精拋等加工工序。完成加工的成品零件已應(yīng)用在某項(xiàng)目的光電產(chǎn)品，并進(jìn)行了各項(xiàng)檢測和試驗(yàn)，滿足零件的設(shè)計(jì)精度及性能指標(biāo)。

本創(chuàng)新技術(shù)從論證階段即調(diào)動各方優(yōu)勢資源，進(jìn)行明確分工，并進(jìn)行試制前的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確保了零件質(zhì)量和人員設(shè)備的安全，并且取得了很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，取得的經(jīng)濟(jì)效益：其單工序加工費(fèi)用為（加工）300元/時(shí) X 18時(shí)+（刀具）3600元+（工藝裝備）1500元=10500元。該技術(shù)可擴(kuò)展應(yīng)用于離軸、非球面類光學(xué)玻璃零件的試制粗加工，由于此類零件制造成本昂貴，所以該創(chuàng)新技術(shù)將能創(chuàng)造每年上百萬的經(jīng)濟(jì)效益更為加工中心類數(shù)控金切設(shè)備提供了功能擴(kuò)展的新思路。

4 總結(jié)

本技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)：

①協(xié)同光學(xué)玻璃、機(jī)械結(jié)構(gòu)兩個(gè)專業(yè)的制造工藝技術(shù)；

②本創(chuàng)新技術(shù)已得到實(shí)際驗(yàn)證，且在集團(tuán)公司，甚至國內(nèi)為首次提出并應(yīng)用；

③應(yīng)用數(shù)控機(jī)床的CAM和手工編程，可實(shí)現(xiàn)線性、非線性面型（包括非球面和離軸鏡面）的加工擴(kuò)展；

④加工中心設(shè)備對于金剛石刀具的應(yīng)用；

⑤加工中心行切加工時(shí)粗糙度殘留高度的計(jì)算應(yīng)用。

本創(chuàng)新技術(shù)已在多個(gè)項(xiàng)目鍺玻璃鏡類學(xué)零件上應(yīng)用，結(jié)果表明尺寸精度、性能指標(biāo)完全滿足設(shè)計(jì)、工藝要求。本課題成果還可應(yīng)用于有色金屬類光學(xué)零件的粗加工，后續(xù)會對大口徑離軸、非球面類光學(xué)零件的面型粗加工開展實(shí)驗(yàn)過程。

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王聰會（1980-），男，長期從事數(shù)控加工與工藝工作，中國兵器關(guān)鍵技能帶頭人，高級工程師。