楊永亮，張泓筠，李 娜*，劉昌興

（1.凱里學(xué)院，貴州凱里 556011；2.中國移動通信集團(tuán)吉林有限公司網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中心，吉林長春 130000）

隨著汽車電子領(lǐng)域的發(fā)展，車載鏡頭已廣泛應(yīng)用于輔助泊車、行車記錄以及車內(nèi)監(jiān)控等方面［1-5］.在沒有非球面的條件下，通常每個車載鏡頭中至少有5片玻璃透鏡，透鏡的光圈數(shù)N的要求為3～5，局部光圈數(shù)△N的要求為0.5～1，表面光潔度等級B要求為Ⅲ～Ⅴ，精度要求不高，但需求量很大［6］，古典加工工藝，無法滿足該類型光學(xué)零件批量生產(chǎn)的需求，而準(zhǔn)球心加工工藝具有正壓力恒定、擺架繞通過工件球心的軸線作弧線擺動、生產(chǎn)效率高等特點，適用于中等尺寸、中等精度光學(xué)零件的批量生產(chǎn)［7］.在生產(chǎn)中用到的設(shè)備主要有上弧擺精磨拋光機（簡稱上擺機）和下弧擺精磨拋光機（簡稱下擺機），下擺機加工時磨具在下面轉(zhuǎn)動的同時擺動，工件在上面只作隨動轉(zhuǎn)動不擺動，去除量由上面的測頭測出并限定；上擺機加工時模具在下，零件在上，模具高速轉(zhuǎn)動，零件隨動并在頂針的帶動下進(jìn)行擺動，去除量主要通過操作者根據(jù)工藝參數(shù)和時間來確定［8］，通常上擺機用于零件凹面的加工，下擺機用于零件凸面的加工，但下擺機的價格很高，同等準(zhǔn)球心高度的下擺機的價格通常是上擺機的3～5倍，為了節(jié)約設(shè)備成本，通過對上擺機施壓裝置及工藝的改進(jìn)，來實現(xiàn)上擺機代替下擺機對零件的凸面進(jìn)行精磨和拋光.

1 光學(xué)零件的要求及加工方法

圖1 為光學(xué)零件透鏡圖，零件的材料為H-ZLAF50B，表1給出了光學(xué)零件加工中對零件的要求.

圖1 透鏡圖

由表1 可知，該零件屬于中等精度的光學(xué)零件，可采用準(zhǔn)球心加工工藝進(jìn)行精磨和拋光.

表1 光學(xué)零件加工中對零件的要求

2 主要工藝流程

2.1 銑磨

采用銑磨機加工球面時，曲率半徑計算公式如下［7］：

式中R為球面曲率半徑，r為銑磨砂輪刃口圓角半徑，Dm為銑磨砂輪的中徑，α為磨輪軸與工件軸的夾角，其中凸面零件取“-”，凹面零件取“+”.對于口徑及曲率半徑小且邊緣厚度較薄的光學(xué)零件凸面的銑磨，在銑磨砂輪刃口圓角半徑選定的條件下，若夾具深度和磨輪口徑搭配不合理，很容易導(dǎo)致磨輪磨到夾具，由公式（1）可知，隨著Dm的增大，α增大，這樣也容易導(dǎo)致磨輪磨到夾具，使得與磨輪內(nèi)部接觸的夾具部分磨成與零件相同曲率半徑的球面，使夾曹外邊緣變薄，使用壽命縮短，增加了開夾槽和調(diào)整工藝參數(shù)的次數(shù)，降低生產(chǎn)效率，同時夾具與磨輪接觸會影響銑磨工藝的穩(wěn)定性.因此，對于口徑及曲率半徑小且邊緣厚度較薄的光學(xué)零件凸面的銑磨時，在設(shè)計磨輪時，Dm的取值非常關(guān)鍵，可先通過理論推導(dǎo)，計算出磨輪中徑的最小值，具體如下，假設(shè)磨輪中徑的最小值為Dmmin，被加工零件的口徑為D，由圖2的計算可知：

其中凹面零件取“-”，凸面零件取“+”.當(dāng)選定r值時，就可以根據(jù)公式（1）（2）求出Dmmin.以Dmmin為基礎(chǔ)，結(jié)合生產(chǎn)實際及磨輪的加工精度，確定合適的磨輪中徑，以減小或避免磨輪對夾具的磨損.

圖2 銑磨原理圖

在實際加工中，夾槽的深度也決定了磨輪對夾具是否產(chǎn)生磨損，設(shè)凸面銑磨后零件的邊緣厚度為t，夾槽的最大深度為Hmax，由圖2可知：

因此，Dm選定后，在保證零件能夠夾牢的條件下，為了較少或避免磨輪對夾具的磨損，夾槽的深度不能超過Hmax.因此通過理論計算結(jié)合生產(chǎn)實際，給出合理的模具口徑以及夾具深度，可減小或避免磨具對夾具的磨損，降低工人的勞動強度，提高生產(chǎn)效率的同時可增加工藝的穩(wěn)定性.根據(jù)上述理論計算結(jié)合生產(chǎn)實際，確定銑磨凸面的磨輪中徑Dm=6.5mm，銑磨砂輪刃口圓角半徑r=1mm，銑磨凹面的磨輪中徑Dm=3.3mm，銑磨砂輪刃口圓角半徑r=0.5mm.光學(xué)零件的銑磨是在P-80型銑磨機上完成的，磨輪的磨料粒度均為320#，加工時的工藝參數(shù)如表2所示.

表2 銑磨工藝參數(shù)

圖3 簡易球徑儀

由于銑磨后零件表面粗糙度較大，無法用光學(xué)樣板觀察光圈來判斷零件曲率半徑的大小，雖然可用觀察水漬的方法來判斷曲率半徑大小，但頻繁使用光學(xué)樣板易造成其表面劃傷，縮短其使用壽命.因此嘗試制作簡易球徑儀來代替光學(xué)樣板對銑磨后零件表面的曲率半徑進(jìn)行檢測.該簡易球徑儀由3 部分構(gòu)成，分別是數(shù)顯千分表、轉(zhuǎn)接頭和測量環(huán)，如圖3 所示.轉(zhuǎn)接頭的一端采用螺紋與測量環(huán)相連，可針對不同口徑的零件選擇不同規(guī)格的測環(huán)，另一端嵌套在千分表上，并能通過旋轉(zhuǎn)螺桿進(jìn)行旋緊.測試時，如果測量環(huán)與零件接觸部分的口徑過大，則無法測量，過小則測試誤差增大，通常，測量零件凸面時，測量環(huán)的內(nèi)徑一般為鏡片外徑的0.8～0.9倍，測量零件凹面時，測量環(huán)的外徑一般為鏡片有效口徑的0.8～0.9 倍.由于測量環(huán)在測量光學(xué)零件曲率半徑時，很難獲得零件與測量環(huán)接觸圓的真實直徑，通過計算得到的零件的曲率半徑存在較大的誤差，為了克服上述問題，采用球徑儀對標(biāo)準(zhǔn)件和被加工件曲率半徑進(jìn)行對比的方法，具體操作如下：用球徑儀測量標(biāo)準(zhǔn)件曲率半徑，并對千分表進(jìn)行歸零操作，以同樣的方式測量被加工件，根據(jù)千分表上數(shù)值的正負(fù)及大小，可判斷被加工件曲率半徑的大小以及與標(biāo)準(zhǔn)件的偏離程度，該方法操作簡單，易于操作人員學(xué)習(xí)和掌握，適用于在線的實時檢測.簡易球徑儀能確保轉(zhuǎn)接頭與表頭、側(cè)頭鎖緊，以免滑動造成外觀不良或測量誤差.

2.2 精磨及拋光

2.2.1 施壓裝置的改進(jìn)

采用上擺機加工零件凸面時，若仍采用零件在上，頂針施壓的加工方式，由于準(zhǔn)球心位于被加工表面的上方，頂針繞準(zhǔn)球心進(jìn)行擺動時，無法帶動零件進(jìn)行足夠地擺動，無法實現(xiàn)對零件的均勻磨耗，為了解決此問題，將上擺機的施壓裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 改進(jìn)后的施壓裝置頭和軸承組件

將頂針改造成壓力頭和軸承組件，改進(jìn)后，將原來頂針與夾具之間的點接觸變?yōu)閴毫︻^與夾具之間的線接觸，由于壓力頭和軸承組件的存在，既可使零件進(jìn)行足夠地擺動，又可以實現(xiàn)零件隨模具的轉(zhuǎn)動.壓力頭與軸承組件之間采用螺紋連接，可根據(jù)不同口徑的零件更換壓力頭，同時為了避免壓力頭與零件之間的剛性接觸，在壓力頭和夾具之間加入O 型圈.與O 型圈接觸的夾具結(jié)構(gòu)如圖5 所示，夾具上面的面形結(jié)構(gòu)設(shè)計成梯形，以確保加工時夾具的穩(wěn)定性及夾具中心軸線和O 型圈的中心軸線的同軸性.為了能夠在加工中實時監(jiān)控零件的厚度的去除量，在上擺機的擺動裝置上增加了測量模塊，主要由千分表、固定千分表的支撐桿和嵌套在壓力桿上的測量平面三部分構(gòu)成，測量平面在壓力桿上的位置可調(diào).加工中，去除量可由千分表測出，實現(xiàn)實時監(jiān)控的目的.通過對施壓裝置的改進(jìn)，不僅可以采用上擺機加工凸面零件，同時可以實現(xiàn)光學(xué)零件精磨時去除量的實時監(jiān)控.

圖5 夾具

2.2.2 精磨及拋光工藝

精磨及拋光中所用到的金剛石丸片的參數(shù)如表3 所示，由于H-ZLAF50B 的硬度較大，在精磨中采用三道丸片精磨，而修拋光皮丸片的作用是對拋光皮的面型進(jìn)行在線修整，通常成對存在，一個用來提高光圈，另一個用來降低光圈.

表3 丸片的參數(shù)

在精磨工序中，為了增加磨具與被加工光學(xué)材料的親和力，增加金剛石丸片的磨削效果，在光學(xué)零件的高速精磨中多采用三乙醇胺作為冷卻液，但是長時間使用高濃度三乙醇胺，易造成操作人員的皮膚過敏，也易使設(shè)備腐蝕，因此選用型號為JM-2005A的冷卻液代替三乙醇胺，冷卻液和水按1：60進(jìn)行配比使用.工藝調(diào)試初期，對零件凸面精磨后，采用光學(xué)樣板對曲率半徑測量時，發(fā)現(xiàn)零件外邊緣出現(xiàn)明顯的“塌邊”現(xiàn)象，嘗試增大擺角和擺幅并降低主軸轉(zhuǎn)速的方法，但效果并不明顯，進(jìn)一步分析，由于丸片上水槽的存在，采用球心儀調(diào)整丸片的準(zhǔn)球心高度時，可能存在誤差，于是嘗試將準(zhǔn)球心高度在原來的基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)恼{(diào)低，試驗后改善效果較明顯，但“塌邊”現(xiàn)象仍未能完全消除；由于丸片的口徑在確定的時候，是按照下擺機加工凸面零件時的計算方法給出的，可能丸片的口徑偏大，于是改變丸片的口徑，反復(fù)修改，經(jīng)多次試驗后“塌邊”的問題得到了解決.使用上擺機加工零件凹面時，由于夾具多采用尼龍或POM等材料［8］，若直接與頂針接觸，易損傷縮短夾具的使用壽命.因此，在夾具與頂針之間加入剛體，剛體的一端與夾具配合，另一端與頂針配合，剛體的材料為鎢鋼（硬質(zhì)合金），具有硬度高、耐磨、強度和韌性較好、耐熱、耐腐蝕等一系列優(yōu)良性能［9］.拋光粉的型號為MIROX1025A，按照每100g 拋光粉兌1L 水的比例進(jìn)行配比使用，聚氨酯拋光皮的型號為LP87，厚度為0.5mm.最終的精磨及拋光的工藝參數(shù)如表4所示.

表4 精磨及拋光的工藝參數(shù)

2.3 機械定心磨邊

零件的磨邊是在ACD-100 型機械定心磨邊機上完成的，磨邊接頭的結(jié)構(gòu)如圖6 所示，材料為不銹鋼，與凸面接觸的接頭尺寸：ΦA(chǔ)=9.8±0.02mm，ΦB=4±0.02mm，與凹面接觸的接頭尺寸：ΦA(chǔ)=5.6±0.02mm，ΦB=0mm，為了確保夾頭軸與磨邊機主軸的同軸度以及夾頭端面與磨邊機主軸的垂直度，采用夾具修正器配合修好的車刀，對磨邊接頭的內(nèi)、外表面及端面進(jìn)行修整，修整后首先采用1000目砂紙，再用聚氨酯拋光皮蘸拋光液對磨邊接頭端面進(jìn)行處理，最后用無水乙醇和乙醚混合液對磨邊接頭進(jìn)行清洗，磨邊砂輪為電鍍砂輪，粒度為350#，加工時砂輪軸轉(zhuǎn)速為3500 rpm，工件軸轉(zhuǎn)速為9 r/cycle.

圖6 磨邊接頭

3 樣品測試

隨機選取100 個樣品，選用A 類光學(xué)樣板對樣品的光圈和局部光圈進(jìn)行測試，用FW-LensⅤT 型偏心儀測試樣品的中心偏差，用XB-86C 型放大鏡對樣品的表面光潔度進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表5所示，各項指標(biāo)的合格率均在90%以上，說明采用改進(jìn)后的上擺機對光學(xué)零件的凸面和凹面進(jìn)行加工，在降低了設(shè)備成本的前提下仍然可以獲得較高的產(chǎn)品合格率［10］.

表5 性能測試

4 結(jié)論

在車載鏡頭中光學(xué)零件凸面的批量生產(chǎn)中，為了節(jié)約設(shè)備成本，可通過對上擺機施壓裝置及工藝的改進(jìn)，來實現(xiàn)上擺機代替下擺機對零件的凸面進(jìn)行精磨和拋光，同時可實現(xiàn)上擺機精磨中去除量的實時監(jiān)控，在工藝調(diào)試過程中，可以通過調(diào)整精磨模的準(zhǔn)球心高度和模具的口徑，來解決采用下擺機加工零件凸面容易出現(xiàn)塌邊的問題，在銑磨工序中，針對口徑及曲率半徑小且邊緣厚度薄的光學(xué)凸面零件，通過計算，給出合理的磨輪口徑和夾具深度，可減小或避免銑磨磨輪對夾具的磨損，提高銑磨工藝的穩(wěn)定性及生產(chǎn)效率，通過設(shè)計簡易球徑儀代替光學(xué)樣板對銑磨后光學(xué)零件的曲率半徑進(jìn)行在線檢測，可避免銑磨后零件表面對樣板的劃傷，降低樣板的制造成本，零件的凹面的加工中，在頂針和夾具之間加入剛體，可降低丁針對夾具的損傷延長夾具的使用壽命.生產(chǎn)中單片加工的生產(chǎn)效率較低，如何采用上擺機對多片零件進(jìn)行同時加工是下一步工作的重點.