一種非回轉對稱高精度L型臺階的加工方法

王明輝，趙寶奇，孫紅曉

(1.中航工業洛陽電光設備研究所，河南 洛陽 471009;2.中國人民解放軍駐六一三所軍事代表室，河南 洛陽 471009)

0 引言

護目鏡顯示瞄準具是近幾年來發展比較迅速的一種先進、高效的機載瞄準顯示系統，在國外應用廣泛、裝機較多，但在國內裝備領域還是空白［1］。護目鏡瞄準顯示光學系統中的零件種類多，形狀復雜，如何加工出滿足設計要求的光學零件是保證系統成像質量的關鍵。光學零件的加工涉及多項制造技術，關鍵技術之一是在一個光學透鏡上加工一個非回轉對稱、高精度L型臺階。

本文介紹一種在光學透鏡上加工非回轉對稱、高精度L型定位臺階的方法。

1 零件的外形及技術要求

零件是一個圓形負透鏡，一面為平面，一面為凹球面，其上存在一個L型臺階，臺階與平面平行，并關于軸線對稱，如圖1所示。

圖1 零件外形圖Fig.1 The profile of lens

主要技術指標為

1)L型缺口臺階厚度尺寸4±0.02 mm;

2)L型缺口臺階平行度0.01 mm;

3)缺口半寬度8.5±0.02 mm;

4)缺口寬度17±0.04 mm。

2 技術方案

若臺階是圓形(回轉體)，可以使用240 CENTROMATIC CNC激光定中心磨邊機執行程序，磨外圓后直接磨出臺階。利用240 CENTROMATIC CNC激光定中心磨邊機的控制精度，能很好地保證回轉對稱型臺階的加工。

此臺階是非回轉對稱L型，無法使用只能加工回轉體的240 CENTROMATIC CNC激光定中心磨邊機完成，針對其特點，采取以下措施:

1)分析現有光加設備，確定在專用機床棱鏡銑磨機上實現L型臺階的加工;

2)利用現有工裝夾具，通過加工試驗件，確定在非常規加工狀態下程序的正確性及可行性;

3)精確測量試驗件尺寸，根據測量結果設計合理的工裝夾具，保證L型臺階的加工。

3 關鍵技術及解決措施

3.1 工裝夾具設計

夾具上設計一個寬度與被加工零件外圓直徑相一致的平面，如圖2所示。

圖2 工裝夾具圖Fig.2 The profile of workpiece chuck

在粘結時使零件的中心盡量與機床回轉中心在一條直線上［2－3］。平面的高度與專用磨輪外徑相匹配，保證高精度非回轉對稱L型缺口臺階的厚度尺寸。平面與夾具底面很好的平行度可保證高精度非回轉對稱L型臺階的平行度。夾具的一端為一方柱，加工時壓桿壓在夾具的方柱上而不是直接壓在零件上，避免零件受力而壓碎。

3.2 第一個L型臺階程序編制原理

棱鏡銑磨機的正常加工狀態需滿足兩個條件:

1)裝夾穩固，機床壓桿回轉中心與零件的重心重合;

2)磨輪的回轉中心與零件被加工面高度中心一致。

因L型缺口的產生不僅利用金剛石磨輪的外圓，而且同時利用其端面，無法滿足常規加工狀態。通過計算，虛擬工裝夾具及零件的形狀［4］、尺寸，編制出機床認可的加工程序，實現機床在非常規加工狀態下加工非回轉對稱、高精度L型臺階的功能。

工裝夾具的實際高度為30.8 mm(通過加工試驗件確定的尺寸，可保證L型臺階厚度尺寸的形成)，使用φ100 mm的磨輪，磨輪的回轉中心與機床上安裝底面距離為85 mm，則機床認可的夾具高度理論上需大于35 mm，否則零件的整個面不能完全加工，編程時輸入虛擬夾具高度為45 mm。零件需加工距離中心8.5 mm的缺口，為保證缺口完整加工，磨輪的最低點應該經過φ 28.4 mm零件距離中心8.5 mm的弦的最邊緣。零件的高度中心應與磨輪的回轉中心保持一致，才能達到機床認可的加工狀態，虛擬零件的高度尺寸應為80 mm。編程時需要輸入的另一個重要參數為E值，即壓桿中心(零件回轉中心)至被加工面的距離，而壓桿中心與工裝夾具的方柱中心重合，所以虛擬零件的中心應是方柱中心。

編制第一個L型臺階加工程序時，為避免粘結誤差造成加工尺寸精度的不準確，留加工余量2 mm，通過測試實際加工尺寸與程序輸入尺寸的差異，改變加工程序至完工尺寸，保證加工結果的準確性。

3.3 第二個L型臺階程序編制原理

編程時輸入的虛擬夾具及零件的高度尺寸和第一個L型臺階的相同。同樣，為保證L型臺階一邊距離中心8.5 mm尺寸缺口的切削完整，磨輪的最低點應該經過零件距離中心8.5 mm的弦的最邊緣，編程時需要輸入的E值與第一個L型臺階有較大的變化。編程時注意考慮加工余量及非加工面的合理避讓，分兩次加工，通過測試實際完工的加工尺寸與程序輸入尺寸的差異，改變程序，加工零件至完工要求。

4 結論

本文介紹了如何巧妙地開發光學數控設備棱鏡銑磨機的功能，同時利用金剛石磨輪的外圓和端面在光學透鏡上一次加工出非回轉對稱、高精度L型臺階的方法［5］。因零件為光學透鏡，表面為具有一定曲率半徑的球，加工時壓桿不能直接壓在透鏡表面上，通過設計高度、形狀合適的工裝夾具，使壓桿壓在夾具上而不是壓在零件上，并虛擬零件及夾具的形狀、尺寸，編制機床認可的加工程序，保證L型缺口的形成。

采用上述方法加工的零件已經裝配在某型號顯示器光學系統中，成像質量達到設計要求。此零件的加工技術是保證產品研究成功的關鍵技術之一，填補了國內空白，獲得了發明專利(ZL200710123585.6)，為其他型號離軸角護目鏡顯示器的研制及批量生產提供了可靠的技術保障。

［1］蔣慶全.軍用頭盔顯示器技術初探［J］.現代顯示，2001，24(2):48-53.

［2］《光學零件工藝手冊》編寫組.光學零件工藝手冊(上)［M］.北京:國防工業出版社，1974:548-569.

［3］蔡立，耿素杰，付秀華.光學零件加工技術［M］.北京:兵器工業出版社，2006:369-376.

［4］楊力.先進光學制造技術［M］.北京:科學出版社，2001:23-24.

［5］張曾揚.現代光學制造技術文集［M］.上海:光學技術雜志社，2002:212-230.