菲涅爾平面鏡模具的超精密加工設(shè)計(jì)及工藝

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序言某用戶需要生產(chǎn)圖1所示的大型菲涅爾平面鏡模具，分為陰模和陽(yáng)模。加工出的陰模和陽(yáng)模通過電鍍制造出生產(chǎn)母模，再利用精確復(fù)制技術(shù)，通過生產(chǎn)母模進(jìn)行菲涅爾平面鏡的大批量生產(chǎn)。圖1菲涅爾平面鏡模具加工此大型菲涅爾平面鏡模具需要設(shè)計(jì)制造出大型超精金剛石車床，當(dāng)今國(guó)際上能制造此大型超精金剛石車床的只有美國(guó)、英國(guó)、日本等少數(shù)國(guó)家[1]。國(guó)內(nèi)研究單晶金剛石高精密車床起步較晚，北京機(jī)床所研制的JCS系列超精密車床及NAM-800型納米數(shù)控車床規(guī)格小，不能滿足此大型菲涅爾平面鏡模具加工的需要。目前大型超精金剛石車床完全依賴進(jìn)口，卻又受到西方國(guó)家禁售的制約。2

菲涅爾平面鏡模具主要技術(shù)要求某用戶需要加工的大型菲涅爾平面鏡模具的主要規(guī)格參數(shù)和技術(shù)要求見表1和表2，其回轉(zhuǎn)直徑為1448～1757mm[2]。表1主要規(guī)格參數(shù)（單位：mm）表2技術(shù)要求3

機(jī)床總體布局及采用的關(guān)鍵技術(shù)3.1

機(jī)床總體布局機(jī)床總體布局如圖2所示，機(jī)床采用了機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，三軸聯(lián)動(dòng)（X軸、Z軸和B軸），立式龍門結(jié)構(gòu)，熱對(duì)稱性布局設(shè)計(jì)。機(jī)床結(jié)構(gòu)剛性高，熱穩(wěn)定性好，可最大限度地適應(yīng)大型工件加工。該機(jī)床布局設(shè)計(jì)避免了主軸回轉(zhuǎn)時(shí)臺(tái)面自重和工件自重對(duì)回轉(zhuǎn)精度的影響，工件裝卸方便。研制成功的機(jī)床實(shí)物如圖3所示。圖2機(jī)床總體布局1-花崗巖底座2-卸荷及減速裝置3-氣浮主軸4-真空及吸盤裝置5-刀夾6-真空吸塵裝置7-轉(zhuǎn)臺(tái)8-橫梁及托板9-對(duì)刀裝置10-控制系統(tǒng)圖3機(jī)床實(shí)物3.2機(jī)床采用的關(guān)鍵技術(shù)機(jī)床采用了結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性布局技術(shù)、高精度主軸制造技術(shù)、機(jī)床熱變形和隔振控制技術(shù)、高精度轉(zhuǎn)臺(tái)刀架制造技術(shù)、精密數(shù)控技術(shù)、在線精密對(duì)刀技術(shù)、真空吸盤夾具和真空吸塵技術(shù)、低溫冷風(fēng)干式切削技術(shù)以及超精密切削技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。3.3機(jī)床主要規(guī)格參數(shù)機(jī)床主要規(guī)格參數(shù)見表3。表3機(jī)床主要規(guī)格參數(shù)4

切削工藝研究4.1菲涅爾平面鏡模具加工工藝特性分析菲涅爾平面鏡模具結(jié)構(gòu)上由很多個(gè)節(jié)距相等、槽深不同、同心的棱形（或V形）環(huán)形槽組成，每個(gè)環(huán)帶都相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的折射面。這些棱形環(huán)帶都能使入射光線會(huì)聚到一個(gè)共同的焦點(diǎn)上。其結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有工作面、干擾面、工作角、干角、槽根、槽峰、槽根半徑和槽峰半徑等。從內(nèi)到外，節(jié)距不變，隨著槽深加深，干擾角越來越大，工作角越來越小。根據(jù)成像原理的要求，干擾面表面粗糙度值不能太低，工作面表面粗糙度值卻越低越好。工作面與干擾面相交處加工形成的毛刺≤0.003mm；槽根半徑和槽峰半徑均≤0.002mm。刀具刀尖圓弧半徑R≤1μm[3]。除了表2中試切零件的主要技術(shù)要求外，還要求槽深為0.001～0.081mm，工作角變化為0°～70°，干擾角從90°變至50°，加工零件直徑約1900mm（環(huán)帶數(shù)約19400個(gè)），零件材質(zhì)為銅合金或鋁合金。4.2加工工藝方法（1）加工工藝

在粗、精車出模具平面后，加工陰模時(shí)由內(nèi)向外進(jìn)行切削，加工陽(yáng)模時(shí)由外向內(nèi)進(jìn)行切削?；剞D(zhuǎn)刀架分度到位后，加工環(huán)帶。每個(gè)環(huán)帶的干擾面采用X軸、Z軸兩軸聯(lián)動(dòng)方式加工，工作面采用主切削刃直接加工，這樣能同時(shí)保證干擾面和工作面的表面粗糙度要求。工作面的表面粗糙度主要與刀具主切削刃的直線度和表面粗糙度有關(guān)，盡量避免其他因素對(duì)工作面表面粗糙度的影響，有利于降低工作面的表面粗糙度。采用這種加工方法還能將工作面與干擾面相交處因加工形成的毛刺控制在0.003mm以內(nèi)。因?yàn)槊讨饕a(chǎn)生在工作面上，并沿著工作面向外沿伸，因此只要在加工干擾面時(shí)，沿干擾面向外沿伸方向提前預(yù)留一個(gè)走刀距離，即可切去毛刺。除此之外，還可通過更改進(jìn)給方式，消除螺旋線對(duì)表面粗糙度的影響。（2）切削刀具

切削刀具如圖4所示，采用無色、透明、無裂紋且無雜質(zhì)的南非天然鉆石。技術(shù)要求：①刀尖及切削刃表面粗糙度值Ra＜0.01mm。②刃口直線度＜0.01mm，且前刀面與后刀面必須精研磨至要求。③金剛石強(qiáng)度最大方向作為切削刃，金剛石焊接牢固后修磨刃口和角度。④切削刃留2×0.08mm余量，與刀夾配間隙0.003～0.005mm。⑤金剛石規(guī)格：4mm×2mm×2mm，D10等級(jí)，莫氏硬度10。⑥主要切削刃（主、副切削刃）及鉆石基體在4500倍電鏡下無缺口和裂紋。采用這種天然金剛石刀具，不僅能保證槽根、槽峰半徑均≤0.002mm，達(dá)到鏡面切削的要求，還可以在長(zhǎng)時(shí)間切削過程中保證刀具的使用壽命和精度。圖4

切削刀具（3）冷卻方式

加工中采用-30℃低溫冷風(fēng)干式切削方式。目的是：①使金剛石刀具取得更好的冷卻效果，延長(zhǎng)刀具的使用壽命。②加工出的切屑不會(huì)因有切削液而粘在已加工表面上，避免對(duì)已加工表面造成損傷，有利于排屑和清理。（4）排屑方式

采用大功率真空吸塵方式進(jìn)行排屑，使加工區(qū)的排屑更徹底，既避免了切屑對(duì)已加工面的影響，又可達(dá)到環(huán)保切削的要求。（5）零件裝夾方式

采用大功率真空吸盤，既可保證零件受力均勻、變形小，又可避免新的不平衡慣量的出現(xiàn)。（6）刀尖軌跡控制方式

采用高可靠性、高性能的FANUC數(shù)控系統(tǒng)，在加工的過程中刀尖的X坐標(biāo)、Z坐標(biāo)和角度坐標(biāo)以圖形方式實(shí)時(shí)顯示運(yùn)動(dòng)軌跡。（7）對(duì)刀方式

為保證刀具刀尖點(diǎn)與刀架轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)中心的重合度＜0.002mm，采用了高精密的回轉(zhuǎn)刀架，通過高分辨率視頻進(jìn)行對(duì)刀。（8）切削參數(shù)

加工鋁