X、Y方向非等R值微小非球面模具超精密磨削試驗

王賀，何家林，謝飛，李振

（1.金肯職業技術學院，南京 211100；2.南京邁得特光學有限公司，南京 211100）

0 引言

隨著光學器件成像質量的提高及成像系統體積的不斷縮小, 對高精度小孔徑非球面玻璃透鏡的需求增多[1]。與傳統的球面透鏡相比，非球面透鏡可用于消除球面像差、散光、彗差和場畸變，玻璃模壓成型技術是實現這類元件高效率、高品質、大批量、低成本生產最具前景的加工技術之一[2]。但該技術還未能成熟地用于制造復雜光學曲面，由于復雜光學曲面玻璃模壓成型所用模具的制造精度難以保證，因此制約了該技術的發展。本文從誤差補償的角度對典型的X、Y方向非等R值微小非球面模具進行超精密磨削試驗，試驗包括超精密磨削軌跡規劃和磨削補償，通過砂輪單點磨削的方式降低模具輪廓誤差，通過對加工后模具表面質量進行評價，來驗證實際加工效果和可行性，以期能夠為微小非球面光學玻璃透鏡模壓提供高精度模具。

1 試驗方法

1.1 加工方式的選擇

針對玻璃模壓工藝中，微小非球面玻璃透鏡模壓成型所用超精密模具的加工與傳統的磨削方式不同，采用單點接觸磨削可以保證砂輪與工件的接觸點在整個非球面上保持不變，進而保證了砂輪的幾何缺陷不會在磨削過程中轉移到模具表面[3]。根據不同的機床配置，單點磨削方法和路徑規劃策略不同。本試驗裝置選用日本東芝的ULG-HYB機床（如圖1），采用CXZB四軸聯動加工，加工工件材料為無黏結劑碳化鎢,工件通過夾具安裝在工件主軸上，高速磨削主軸安裝在B軸旋轉工作臺上（加工過程中B軸轉動），工件繞主軸C旋轉的同時，X軸和Z軸聯動加工出模具所需曲面面形，通過控制B軸旋轉，可以保證砂輪上磨削點的位置不變，可避免砂輪的形狀誤差復印到被加工表面，保證模具光學表面精度[4]。

圖1 試驗裝置

模具光學曲面及尺寸參數如圖2所示，表面形狀為凹面，X方向R值半徑為1.09 mm，Y方向R值半徑為1.125 6 mm。

圖2 模具光學曲面及參數

1.2 砂輪路徑的生成

圖3所示為XZB斜軸單點磨削路徑規劃示意圖。圖中Pi點為磨點，Qi點是Pi的主弧鼻中心點，在初始狀態下，砂輪與非球面頂點進行單點接觸時，砂輪軸線和Z軸的夾角為α，稱為初始偏置角[5]。加工時通過不斷控制B軸轉動角β來保持砂輪與非球面工件的單點接觸狀態，帶角圓柱面的中心點Qi被定義為刀具控制點。采用XZB斜軸單點磨削時，砂輪的回轉中心放在B軸上，路徑驅動砂輪的控制點,當在加工面的坐標為（xp，zp），砂輪位置沿曲面法矢偏置距離r，即：

圖3 斜軸單點磨削砂輪路徑規劃示意圖

試驗選定的砂輪形狀為柱狀，砂輪直徑為1 mm，砂輪角度為45°，砂輪R角為0.1 mm，主軸（C軸）轉速為7200（°）/min，磨削軸轉速為40 000 r/min，進給方向螺距為0.002 1 mm，每刀切深為0.001 mm，角度間距為0.5°，磨削半徑為1.1 mm，生成的砂輪路徑如圖4所示。

圖4 砂輪磨削路徑規劃

2 試驗過程

磨削加工前，首先使用修磨器對砂輪進行原位修整，然后使用白色氧化鋁油石對砂輪進行修銳，以確保磨粒從結合劑中突出，從而形成有效的切削刃。粗磨階段，使用粒度為325#的柱狀樹脂結合劑砂輪，來實現材料的快速去除，獲得預成型毛坯表面。精磨階段，使用粒度為12 000#的柱狀陶瓷結合劑砂輪，來實現玻璃模壓用模具所需的加工精度和表面質量。在每次精磨之后，使用半徑為0.2 mm的紅寶石探針進行在線輪廓測量，得到精磨后的磨削輪廓誤差。在下一個磨削周期中根據測得的輪廓誤差對砂輪的加工路徑進行補償，重復以上測量補償步驟，直到模具輪廓精度滿足要求。

3 磨削試驗結果及分析

圖5是模具光學曲面精磨后在線測量得到的輪廓誤差曲線。由圖5（a）可見，在第一次精磨加工后，模具擺正后測量X與Y方向面形PV值，僅測量2個方向，X與Y方向曲面面形誤差最大PV值達到1.46 μm。將該輪廓誤差用于補償下一次精磨加工過程中的砂輪路徑，得到第二次補償磨削工件，模具擺正后測量X與Y方向面形PV值，僅測量2個方向，最終面形誤差如圖5（b）所示，補償磨削后X方向PV誤差減小到0.144 μm，Y方向PV誤差減小到0.219 μm，通過兩次補償磨削試驗，面形PV值降低至原來的10%～15%，驗證了誤差補償方法的可行性。

圖5 精磨后在線測量輪廓誤差

經過兩次補償磨削后的模具如圖6所示。為了更好地評價補償磨削后獲得的面形精度，通過超高精度三維測量儀（UA3P）離線檢測得出輪廓誤差（如圖7），X、Y方向最大PV值為0.38 μm，檢測裝置如圖8所示。通過對比兩次輪廓誤差曲線發現，輪廓誤差形狀相似，PV值相近，測量結果之間的微小偏差可能是由于探針標定誤差或非球面輪廓重構中的擬合誤差引起的[6]。圖9顯示了磨削后模具表面粗糙度的測量結果，表面粗糙度分別為Ra5 nm和Rz39 nm，表明模具表面質量足夠好，達到了光學鏡面效果，可用于后續的玻璃模壓加工。

圖6 磨削后微小非球面模具實物圖

圖7 精磨后離線測量輪廓誤差

圖8 UA3P三維測量儀

圖9 精磨后模具表面粗糙度（Ra5 nm，Rz39 nm）

4 結語

1）通過四軸聯動超精密斜軸單點磨削試驗，對已加工微小非球面進行測量評價，通過兩次補償磨削試驗，面形輪廓偏差值從初始的1.46 μm和1.45 μm分別降低至0.144 μm和0.219 μm，表明基于誤差補償的加工方法具備可行性。

2）X、Y方向非等R值微小非球面模具PV值誤差控制在0.38 μm以下，表面粗糙度分別為Ra5 nm和Rz39 nm，表面質量達到了光學鏡面效果，滿足后續的玻璃模壓光學透鏡制造需求。