光学冷加工知识：精磨基础知识
光学冷加工知识：精磨基础知识
广州斗龙光学科技有限公司(http://www.douloongoptics.com)非球面透镜生产工厂
精磨的目的是保证零件达到抛光前所需要的面形精度尺寸精度和表面粗糙度，由此看出，精度的品质对抛光的影响是重要的。
精磨的方法分为散粒磨料磨和固着磨料精磨。在这里重点讲固着磨料精磨。
一、 固着磨料精磨
固着磨料精磨就是金钢石丸片精磨，又称高速精磨，在高速精磨中，既要求有较高的磨削率，又要得到较好的表面粗糙度，所以对丸片的选择粘贴方法，冷却液的选择及其它工艺因素的影响方面条件应考虑周到。
（一）丸片的选择：
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丸片的待性参数包括：金钢石的粒度、浓度、结合剂和丸片尺寸等，而金钢石丸片就是将金钢石微粉与结合剂烧结而成。
1、 粒度的选择：精磨加要分为两道，第一道精磨主要为切削厚度让其尽快达到规定的尺寸及适当的表面粗糙度，所以一般选择较粗粒度的丸片，如国产：W28、W14、进口、1000#、1200#、1500#等。第二道精磨需加工较好的表面透明度并使用保证稳定性，所以对丸片粒度的选择一般有：国产、W10、W7、进口：1500#、1800#、2000#等
2、 浓度的选择：浓度过低或过高对精磨品质与效率都有较大影响，金钢石丸片的浓度是指金钢石丸片有效体积每立方厘米含有金钢石的重量，规定每立方厘米中含有4.39克拉金钢石作为100%浓度，1克拉=0.2g，浓度为50%其金钢石含量为2.2克拉/cm3.。
如果浓度过高，结合剂就相对减少，这样对金钢石颗粒的把持力减弱金钢石颗粒会过早脱落，若浓度过低，金钢石颗粒相对减少，作用在每个金钢石颗粒上的切削力增大，也可能使金钢石颗粒过早脱落。
3、 结合剂：
现使用的结合剂耐磨性由弱到强依次为金属结合剂、树脂结合剂、陶瓷结合剂和电镀结合剂四种，我们现在所使用的丸片一般为金属结合剂和树脂结合剂。
A、 金属结合剂：结合力强、耐磨性好、磨耗小，使用寿命长，可以承受较大的载荷磨削，但成本高，自锐性稍差，钝化的金钢石颗粒不能及时脱落，磨削过程不能充分冷却，易堵塞发热。
B、 树脂结合剂：加工表面粗糙度小，磨削中不易堵塞发热，耐磨性差，不适合大负荷磨削。
金钢石磨片的结合剂主要作用是把持金钢石颗粒，结合剂的硬度，直接影响钝化金钢石颗粒的脱落速度，即影响磨削效率和工件表面质量，因此结合剂硬度要与金钢石颗粒的磨钝速度和玻璃的抗磨性相匹配，即结合剂磨损速度应与金钢石磨耗速度大致相同，一般结合剂的硬度与玻璃的硬度相当，较硬才质的玻璃要用较硬的结合剂，以利于削磨效率；较软的玻璃要用较软的结合剂，以保证玻璃表面的质量，太硬会产生伤痕。
4、 丸片的形状和尺寸
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形状：丸片一般为圆形，国外也有矩形。
尺寸：主要指丸片的直经和厚度，曲率半径。
选择尺寸一般取决于精磨基体的曲率半径，口径和玻璃的外径。
（二）粘贴方法
丸片的粘贴方法对精磨品质的影响及过程中光圈、外观、弧度、厚度等的稳定性有重要的影响。最基本应保证磨具的形稳性，冷却液流动，以利散热排屑
粘贴方法主要为丸片排列的形状，丸片的覆盖率等。
1、 丸片排列的形状一般为同心圆、螺旋状形、菊花形、三角形等。一般应用最多的为三角形排列方法使它加工中光圈较好控制不易出现局部不规则现象。
2、 覆盖率是指排列在磨具上的丸片表面积之和与基本球缺表面积之比覆盖率越大，在相同条件下玻璃磨去量相对减少，因为覆盖率大，使玻璃表面所受压力减少，玻璃磨去量反而减少，磨削效率反而降低。一般小镜片，模子覆盖率要大，这样使磨具形稳性保持较好，而大镜片覆盖率需稍小，得切削厚度，缩短加工时间，提高效率。
（三）冷却液
冷却液的作用是散发加工过程产生的热量，去除磨削碎屑和减少磨具与玻璃的磨擦，
即起动冷却、清洗、润滑作用及对玻璃和磨具的化学作用。
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冷却液一般分为：水溶液类、切削油类、乳化液类。种类选择不当，将直接影响玻璃表面质量，还会影响磨具的使用寿命。
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冷却作用：指在高速压下，吸收带走玻璃与磨具产生磨削热，降低磨具的磨耗，提高其使用寿命和稳定性，减小热应变对玻璃的影响。
润滑作用———指减少磨擦能力，即降低磨削阻力和磨具磨损能力，但润滑作用需适当，不能太大，否则会降低磨削效率。
清洗作用———及时清除加工中产生的玻璃碎屑和磨具碎屑。如果冷却液清洗作用差，在加工中不断产生的碎屑不能及时清除，堆积在玻璃的磨具表面上；由于高速压的作用，在磨具表面会形成一层材料膜，使磨具变钝，钝化的磨具会破坏自锐作用，影响磨削效率，同时表面粗糙度加大。
注：随着加工延续，冷却液中的玻璃碎屑含量越来越高。如达到4-5%磨具会产生釉化，使
玻璃表面造成划痕，而且操用者的皮肤也有害，所以需清除碎屑或更换冷却液。一般用离心机过滤，或加入小量凝固剂使碎屑沉淀。
化学作用———金钢石磨具中的结合剂被冷却液暖慢的腐蚀、溶解、加速了钝化的金钢石颗粒从磨具脱落下来，新的颗粒露出表面，使磨具产生自锐作用，这种自锐作用不是丸片自身固有的那种自锐作用，而是冷却液对磨具腐蚀的一种化学作用。
二、 精磨的表面结构
人们往往认为，精磨表面粗糙度愈小，对抛光越有利，其实这不完全正确。衡量精磨表面结构，主要有两项指标：裂纹层深度和凸凹层深度、裂纹层深度决定抛光要去除材料的厚度，影响抛光时间；凸凹层深度决定抛光模釉化程度，直接影响抛光速率。
抛光过程基本可以分为两个阶段：首先是抛去凸凹层，然后抛去裂纹层，从抛光第一阶段开始，抛光模与工件表面凸凹层峰顶接触，这时抛光玻璃表面承受相当大的单位压力，同时表面的凹坑，使抛光液能充分进入整个表面，因此抛光效率较高。随着抛光过程的继续，抛光模与工件表面接触面积增加，工件所受单位压力减少，同时抛光液在工件表面的附着能力降低，因此抛光过程减缓。当抛光进入二阶段达到裂纹层时，整个工件表面与抛光模完全接触，抛光过程趋于稳定化，这时抛光模开始釉化，随着抛光的继续，釉化加剧，抛光效率降低，釉化程度取决于第二阶段的持续时间，所以第二阶段的抛光时间取决于裂纹层深度的大小，因此精磨后的表面应具有较小的裂纹层深度。
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综上，精磨的工件表面结构应具有较小的裂纹层深度和较为粗糙的表面。因为精磨表面的裂纹深度，决定了抛光的去除量，所以工件表面的裂纹深度应成为评价精磨表面质量的主要指标。
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三、 光圈的识别与度量
光学设计要求透镜，棱镜等光学元件具有与理想的几何形状极其接近的精度，两者这差经波长为计量单位，对以高精度的抛光表面，检验面形偏差，常用的方法有干涉图样法和阴影法。
干涉图样法又分为接触法（即样板法）和非接触法（即干涉仪法）对于精磨一般使用样板法来对工件进行面形偏差检验，这种方法也是最简便的一种检测方法。
面形偏差是被检光学表面相对于参考光学表面（标准光学表面）的偏差，当用样板来检验光学表面，若两者面形不一致，存在微小误差时，就形成一个楔形空气隙，类似一个薄膜，从而产生薄膜干涉现象，若有单色光源，空气隙呈环形对称时，则产生明暗相间的同心圆干涉环，用白光照射产生彩色圆环，这些圆环称作光圈，又称牛顿环。利用干涉条纹的数量和不规则程度，可以判定球面的面形误差。
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（一）高低光圈的识别
根据干涉条纹的特证，移动情况，弯曲方向，疏密程度，颜色和形状等来识别和度量光圈，识别光圈的常用方法一般有三种。
A、 周边加压法：将样板置零件表面，在样板周边加压，干涉条纹随之从边缘向中心移动为低光圈；高光圈与此相反。
B、 边缘点压法：是在样板边缘某一点轻轻加压，使其另一端浮起从而产生干涉条纹，然后根据干涉条纹弯曲程度来识别和度量，干涉条纹弯曲方向背向着力点为低光圈，朝向着力点为高光圈；
C、 色序法：用光圈颜色的序列是识别光圈
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低光圈：从中心到边缘的颜色依次为“蓝、红、黄”
高光圈：从中心到边缘的颜色依次为“黄、红、蓝”
（二）光圈的度量
光学零件的面形偏差用光圈数表示
光圈（N）——被检光学表面的曲率径相对参考光学表面曲率半径的偏差。
局部偏差（△N）——被检光学表面与参考光学表面在任一方向上产生的干涉条纹的局部不规则程度。
1、 光圈数（N）的度量
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（1）在光圈数下N>1的情况下，以有效检验范围内，直径方向上再多条纹数一半来度量，如右图：
●X轴有6条干涉条纹，Y轴条干涉条纹，于是就取X轴条干涉
条纹的一半为3条，且样板与光学表面为边缘接触，为低光圈。
●此光学表面光圈渗透为N=-3
（2） 在光圈数N<1的情况下
在光圈N<1的情况下，光圈N以通过直径方向上干涉条纹的
弯曲量（h）相对条纹间距（H）的比值来度量N=h/H，如图：
2、 局部偏差的度量
（1） 局部偏差以局部不规则干涉条纹对理想平滑干涉条纹的偏离量（E）与相邻条纹间距（h）的比值来度量（△N=e/h）如图：
（a） 图为中心低偏差
（b） 图为中心高偏差
（c） 图为边缘勾边偏差
（d） 图为边缘踏边偏差
如边缘与中心均出现局部偏差则取二者的最大值，
（2） 局部偏差还包括象散，分为椭圆象散、马鞍形象散、柱形象散等。
象散光圈数是两个互相垂直方向上光圈数N的最大代数差的绝对值来度量
△N=1N-Ny △N=|1N-Ny|
（三）检查光圈的方法及注意事项
1、首先要干净毛巾或白布将镜片和样板表面擦拭干净，再轻轻在将整个面接触垂直观察光圈数。
2、清楚地检查局部不规则程度，可将样板压在镜片表面1/2处观察。
3、 检查光圈时最好用厚度大或损品检查，以免产生不良。
4、 检查光圈时镜片与样板做到推而不压，压而不推。
5、 样板使用一段时间后，因动作不规范，表面会变花。需及时更换，不然看出的光圈数不准确（比新样板看出的要高，而实际值低）
（四） 样板补正，补负光圈的计算方法
公式：N实=N看–N补
N实——镜片实际真实光圈数
N看——用样板看出的圈数
N补——样板的光圈数
如：一样板光圈-3，用此样板看镜片的圈为-6，问此镜片实际光圈数？
N实=N看–N补= –6–（–3）=-6+3= –3道
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四、 镜片外观判定
1、 镜片外观检查方法分三种
a、透射检查法 b、反射检查法 c、哈气检查法
2、 精磨加工最常用外观检查方法
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a、 透射检查——将镜片拿到台灯2-3cm外，，将镜片旋转观察，依限度判定（旋转消失即可OK）
b、 反射检查——将镜片拿到台灯下方10-15cm处，旋转并倾斜镜片观察表面，依限判定。
3、 精磨加工常出现的外观不良：伤痕、麻点、定点、面蒙。
五、 作业标准书的认识
作业标准书是品质加工的重要依据，需要去执行、维护它。
内容：（1）零件编号，使用单位、面别、及编制、审核、批准。
（2）加工流程——根据镜形状、材质等工艺参数制定最优的加工工艺流程。
（3）工程图面——精磨加工中各个面的具体图面：均标注有相关寸法要求。
（4）参考图面——上道工序完成品图面
（5）加工条件——镜片加工所需要设定的加工条件（如:机型、转速、压力、时间、精磨液浓度丸片号及粘法）
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（6）品质管理——镜片加工后的各项规格要求及过程中的检查频率、项目、检查重点等。
（7）修订项目——作业标准条件不完善需修改时，工程师修订填写
（8）备注——重点注意项目的标示，是加工者须重点执行的。
六、机台的切换
1、 机台切换前首先依作业标准书选定机台
2、 准备冶工具——夹具、模子、修模、作业标准书、千百分表、样板、归零件、接头、托架。
3、 准备所用这辅助工具——擦布、毛巾、调试工具
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4、 检查机台运转是否正常、气压是否稳定
5、 根据镜片才质配比冷却液浓度。
6、 将模子装入主轴，调试同心度，调试串棒或上轴高度，使用损品进行试机，进行曲率，外观、弧度、切削量的检查，如不符合要求，需对机台进行调整（如摆幅、压力倾斜角度等）或修整精磨模直至OK，然后设定好最佳条件，交于作业员加工。
7、 精磨模的修复
在加工过程中，避免不了会出现光圈、外观不良现象，所以需对模子进行修复，如有好的方法将大大减少浪费，提高高效率。
1、 在出现不良现象时，首先确认不良现象产生原因，是否需对模子进行修复，如在短时间内能通过其它方式改善，就尽量避免修模子，因为它是对成本的一种浪费而且修模后表面粗糙，对外观也有影响。
2、 修模前首先确认修模曲率是否OK
3、 如修模太正则用砂石与修模顶部对磨，直至曲率OK。
4、 修模的口径需恰当，太大模子不易合修复，太小模子不易修正，如修模太正，模子容易修负。可将模子放下面，修模放上面进行修复。
5、 修模对在保证修模精度的同时，须使用10#或20#砂修复，如砂太粗修出的模子局部面形不均匀，同时砂也不可太多，太多反而没有磨擦力降低速度，每现砂与砂之间的对磨。
6、 修模时，尽量着力点降低，防止模具抖动，致使模具面形变化或碰撞损坏。
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7、 模子如需修正，可将模子边缘部位与修模多修，而且摆幅要小，模子如需修负，需将模子中心多修，则模子中心部位于修模边缘多磨，且摆幅相应增大。
8、 修复时须沿着修模曲率面作均匀摆动施力方向始终指向模子球心。
9、 修复OK后，需将修模取下洗净放于指定位置，不可留在修模机上，避免碰撞，变形。
