影響光學玻璃鏡片磨削表面質量因素分析

汪軍輝

一、前言

隨著近年來高端顯微儀器、機器視覺、自動駕駛等光學應用領域的高速發展，對于傳統光學元件的玻璃鏡片提出了更高的品質要求，其中光學玻璃鏡片磨削表面的表面質量是影響光學鏡頭質量的重要因素之一。以下通過影響光學玻璃鏡片磨削表面質量主要因素的研究，提出了合理的加工工藝參數選用原則。

二、磨削表面質量的主要表現及其影響因素

光學玻璃鏡片磨削表面的表面質量包含：表面粗糙度、微裂紋燒傷和破邊崩口等項目。影響光學玻璃鏡片磨削表面質量的主要因素有：設備精度、砂輪精度、磨粒尺寸、磨削用量、磨削液種類。

2.1設備精度的影響

我司現有用于玻璃磨削的全伺服系統磨邊機砂輪軸最高轉速為4300r/min。回轉精度可達1 μm以內;砂輪進給精度為1 μm;工件主軸旋轉速度為0.1～200r/min，該設備的磨削深度能控制到1 μm。在磨削過程中，采用2.5～3.5L/min流量的冷卻液對工件進行冷卻。

在相同磨削條件下驗證可以得到，對鏡片磨削表面質量影響最大是砂輪軸的動平衡，其次是砂輪軸的回轉跳動精度。

2.1.1砂輪軸的動平衡：

在磨削過程中砂輪旋轉時，砂輪圓周軸向截面上參與磨削的磨粒數量越多，所得到的加工表面的表面質量越好。而砂輪軸動平衡不好時產生的主軸震動會減少參與磨削的磨粒數，從而導致鏡片表面質量粗糙。2.1.2砂輪軸的回轉跳動精度：

砂輪軸的回轉跳動直接影響鏡片的表面質量。降低砂輪軸的回轉跳動可有效改善鏡片的表面質量。主要有兩種方法：

①通過砂輪安裝時對砂輪偏振調整來降低，

②設備安裝好的砂輪磨在線磨合后，砂輪磨削面也會得到較好的跳動度。

目前設備缺點是主軸動平衡不好時只能通過降低砂輪軸轉速來對應，且收效甚微。

2.2砂輪精度的影響

用于磨邊的砂輪是指金屬基體的電鍍金剛石砂輪，也稱為“砥石”。

砂輪跳動精度是影響玻璃鏡片磨削表面質量的重要因素，砂輪跳動越大表面粗糙度越大，越容易造成鏡片磨削位置的破邊崩口現象。砂輪跳動會隨著砂輪金剛石電鍍層的磨損得到改善，這樣現象我們稱之為砂輪“磨合”。

2.3磨粒尺寸的影響

金剛石砂輪的磨粒尺寸一般用金剛石過濾篩網目數表示，磨邊砂輪通常選用范圍在320#～500#之間，相對應金剛石粒徑為42μm～34μm。砂輪磨粒尺寸越小，同時參與磨削的磨粒越多，磨刃密度系數越大，越能得到較好的表面粗糙度。

但較小粒徑砂輪的磨削深度和磨粒尖角變小，砂輪排屑能力和材料去除率下降，在針對材質偏硬的鏡片時容易造成“擠壓式”磨削，在已加工面留下微裂紋和表面應力，這樣的鏡片到涂墨工序后會出現“白點”不良。（見圖1、圖2）

過小粒徑的砂輪磨削，還會由于磨削過程鏡片旋轉受到磨削阻力變大，當鏡片形狀決定的倒角與通光面夾角較小時，磨削阻力容易導致該位置發生脆性斷裂，形成破邊崩口。

所以選用砂輪粒度并不是越小越好，要根據產品材質合理選型，鏡片材質硬（磨耗度小）的產品應選擇粒度大磨粒的砂輪型號，反之同理，鏡片材質軟（磨耗度大）則選擇粒度小磨粒的砂輪型號。

2.4磨削用量的影響

磨削用量包括砂輪速度vs、工件速度vw、進給量fa、磨削深度ap和光磨次數。磨削用量對磨削加工表面質量和生產效率有很大影響，見表1：

在生產實踐中，磨邊工藝磨削用量中砂輪轉動速度vs是常數，工件速度vw（鏡片夾具軸轉動速度）影響磨削表面質量影響較大，工件速度vw（鏡片夾具軸轉動速度）越小粗糙度越小。

在大多數情況下，產品的生產效率與表面質量在磨削用量的選用中體現成反比關系。唯一不同是，在生產實踐中磨削深度ap對磨削表面的表面粗糙度影響較小，過小的磨削深度ap反而會增加鏡片倒角位置破邊崩口的發生概率。

2.5磨削液的影響

磨削過程中的磨削液主要起到沖洗排屑、冷卻和潤滑作用。出于對高精度機床的保護，油性磨削液使用更為廣泛。相較于油性磨削液，水性磨削液冷卻效果更好，在形狀易發生內裂產品的破邊問題改善上收效極佳。

生產過程中磨削液為循環使用，當磨削液中磨削下來的玻璃粉濃度較高時，會有部分玻璃粉填充到砂輪的金剛石磨粒的間隙內，使得砂輪的磨刃深度變淺，材料去除率下降，鏡片磨削表面亞損傷層的微裂紋加深，影響磨削的表面質量。所以通常磨削液循環系統中會配有高速離心機或壓濾機來處理磨削液的潔凈度問題。

所以從設備角度來說，只有掌握優良的設備精度、砂輪精度、磨粒尺寸、磨削用量以及磨削液種類，才能改善玻璃鏡片磨削表面質量。

三、合理的加工工藝參數選用原則

我司的加工工藝主要體現在以下幾項：

（1）首選用砂輪主軸動平衡好的設備來生產磨削表面質量高要求的玻璃鏡片;

（2）根據產品材質特性選用砂輪粒度型號，鏡片材質越硬（磨耗度小）的產品應選擇粒度大磨粒的砂輪型號，反之同理，鏡片材質越軟（磨耗度大）則選擇粒度小磨粒的砂輪型號;

（3）在確保產品品質與提升生產效率兩個方面考慮，合理選用磨削用量，找到產品的最佳良品條件。其中磨削深度對已磨削表面的質量影響最小，可適當加大磨削深度可提高生產效率;

（4）根據產品形狀材質選用油性或水性的磨削液，保持磨削液的潔凈度對磨削表面質量有幫助。

合理的加工工藝參數選用，既能保證產品質量和生產效率，又能節約人力和資金。