菲涅尔平面镜模具的超精密加工设计及工艺

2022-02-24张学智

金属加工(冷加工) 2022年2期

关键词：平面镜金刚石粗糙度

张学智

四川普什宁江机床有限公司四川成都 611800

1 序言

某用户需要生产图1所示的大型菲涅尔平面镜模具，分为阴模和阳模。加工出的阴模和阳模通过电镀制造出生产母模，再利用精确复制技术，通过生产母模进行菲涅尔平面镜的大批量生产。

图1 菲涅尔平面镜模具

加工此大型菲涅尔平面镜模具需要设计制造出大型超精金刚石车床，当今国际上能制造此大型超精金刚石车床的只有美国、英国、日本等少数国家[1]。国内研究单晶金刚石高精密车床起步较晚，北京机床所研制的JCS系列超精密车床及NAM-800型纳米数控车床规格小，不能满足此大型菲涅尔平面镜模具加工的需要。目前大型超精金刚石车床完全依赖进口，却又受到西方国家禁售的制约。

2 菲涅尔平面镜模具主要技术要求

某用户需要加工的大型菲涅尔平面镜模具的主要规格参数和技术要求见表1和表2，其回转直径为1448～1757mm[2]。

表1 主要规格参数（单位：mm）

表2 技术要求

3 机床总体布局及采用的关键技术

3.1 机床总体布局

机床总体布局如图2所示，机床采用了机电一体化设计，三轴联动（X轴、Z轴和B轴），立式龙门结构，热对称性布局设计。机床结构刚性高，热稳定性好，可最大限度地适应大型工件加工。该机床布局设计避免了主轴回转时台面自重和工件自重对回转精度的影响，工件装卸方便。研制成功的机床实物如图3所示。

图2 机床总体布局

图3 机床实物

3.2 机床采用的关键技术

机床采用了结构热稳定性布局技术、高精度主轴制造技术、机床热变形和隔振控制技术、高精度转台刀架制造技术、精密数控技术、在线精密对刀技术、真空吸盘夹具和真空吸尘技术、低温冷风干式切削技术以及超精密切削技术等关键技术。

3.3 机床主要规格参数

机床主要规格参数见表3。

表3 机床主要规格参数

（续）

4 切削工艺研究

4.1 菲涅尔平面镜模具加工工艺特性分析

菲涅尔平面镜模具结构上由很多个节距相等、槽深不同、同心的棱形（或V形）环形槽组成，每个环带都相当于一个独立的折射面。这些棱形环带都能使入射光线会聚到一个共同的焦点上。其结构参数主要有工作面、干扰面、工作角、干角、槽根、槽峰、槽根半径和槽峰半径等。从内到外，节距不变，随着槽深加深，干扰角越来越大，工作角越来越小。根据成像原理的要求，干扰面表面粗糙度值不能太低，工作面表面粗糙度值却越低越好。工作面与干扰面相交处加工形成的毛刺≤0.003mm；槽根半径和槽峰半径均≤0.002mm。刀具刀尖圆弧半径R≤1μm[3]。除了表2中试切零件的主要技术要求外，还要求槽深为0.001～0.081mm，工作角变化为0°～70°，干扰角从90°变至50°，加工零件直径约1900mm（环带数约19400个），零件材质为铜合金或铝合金。

4.2 加工工艺方法

（1）加工工艺在粗、精车出模具平面后，加工阴模时由内向外进行切削，加工阳模时由外向内进行切削。回转刀架分度到位后，加工环带。每个环带的干扰面采用X轴、Z轴两轴联动方式加工，工作面采用主切削刃直接加工，这样能同时保证干扰面和工作面的表面粗糙度要求。工作面的表面粗糙度主要与刀具主切削刃的直线度和表面粗糙度有关，尽量避免其他因素对工作面表面粗糙度的影响，有利于降低工作面的表面粗糙度。采用这种加工方法还能将工作面与干扰面相交处因加工形成的毛刺控制在0.003mm以内。因为毛刺主要产生在工作面上，并沿着工作面向外沿伸，因此只要在加工干扰面时，沿干扰面向外沿伸方向提前预留一个走刀距离，即可切去毛刺。除此之外，还可通过更改进给方式，消除螺旋线对表面粗糙度的影响。

（2）切削刀具切削刀具如图4所示，采用无色、透明、无裂纹且无杂质的南非天然钻石。技术要求：①刀尖及切削刃表面粗糙度值Ra＜0.01μm。②刃口直线度＜0.01μm，且前刀面与后刀面必须精研磨至要求。③金刚石强度最大方向作为切削刃，金刚石焊接牢固后修磨刃口和角度。④切削刃留2×0.08mm余量，与刀夹配间隙0.003～0.005mm。⑤金刚石规格：4mm×2mm×2mm，D10等级，莫氏硬度10。⑥主要切削刃（主、副切削刃）及钻石基体在4500倍电镜下无缺口和裂纹。采用这种天然金刚石刀具，不仅能保证槽根、槽峰半径均≤0.002mm，达到镜面切削的要求，还可以在长时间切削过程中保证刀具的使用寿命和精度。