菲涅爾平面鏡模具的超精密加工設計及工藝

張學智

四川普什寧江機床有限公司 四川成都 611800

1 序言

某用戶需要生產圖1所示的大型菲涅爾平面鏡模具，分為陰模和陽模。加工出的陰模和陽模通過電鍍制造出生產母模，再利用精確復制技術，通過生產母模進行菲涅爾平面鏡的大批量生產。

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計制造出大型超精金剛石車床，當今國際上能制造此大型超精金剛石車床的只有美國、英國、日本等少數國家[1]。國內研究單晶金剛石高精密車床起步較晚，北京機床所研制的JCS系列超精密車床及NAM-800型納米數控車床規格小，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口，卻又受到西方國家禁售的制約。

2 菲涅爾平面鏡模具主要技術要求

某用戶需要加工的大型菲涅爾平面鏡模具的主要規格參數和技術要求見表1和表2，其回轉直徑為1448～1757mm[2]。

表1 主要規格參數 （單位：mm）

表2 技術要求

3 機床總體布局及采用的關鍵技術

3.1 機床總體布局

機床總體布局如圖2所示，機床采用了機電一體化設計，三軸聯動（X軸、Z軸和B軸），立式龍門結構，熱對稱性布局設計。機床結構剛性高，熱穩定性好，可最大限度地適應大型工件加工。該機床布局設計避免了主軸回轉時臺面自重和工件自重對回轉精度的影響，工件裝卸方便。研制成功的機床實物如圖3所示。

圖2 機床總體布局

圖3 機床實物

3.2 機床采用的關鍵技術

機床采用了結構熱穩定性布局技術、高精度主軸制造技術、機床熱變形和隔振控制技術、高精度轉臺刀架制造技術、精密數控技術、在線精密對刀技術、真空吸盤夾具和真空吸塵技術、低溫冷風干式切削技術以及超精密切削技術等關鍵技術。

3.3 機床主要規格參數

機床主要規格參數見表3。

表3 機床主要規格參數

（續）

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構上由很多個節距相等、槽深不同、同心的棱形（或V形）環形槽組成，每個環帶都相當于一個獨立的折射面。這些棱形環帶都能使入射光線會聚到一個共同的焦點上。其結構參數主要有工作面、干擾面、工作角、干角、槽根、槽峰、槽根半徑和槽峰半徑等。從內到外，節距不變，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（環帶數約19400個），零件材質為銅合金或鋁合金。

4.2 加工工藝方法

（1）加工工藝 在粗、精車出模具平面后，加工陰模時由內向外進行切削，加工陽模時由外向內進行切削?；剞D刀架分度到位后，加工環帶。每個環帶的干擾面采用X軸、Z軸兩軸聯動方式加工，工作面采用主切削刃直接加工，這樣能同時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，盡量避免其他因素對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。因為毛刺主要產生在工作面上，并沿著工作面向外沿伸，因此只要在加工干擾面時，沿干擾面向外沿伸方向提前預留一個走刀距離，即可切去毛刺。除此之外，還可通過更改進給方式，消除螺旋線對表面粗糙度的影響。

（2）切削刀具 切削刀具如圖4所示，采用無色、透明、無裂紋且無雜質的南非天然鉆石。技術要求：①刀尖及切削刃表面粗糙度值Ra＜0.01μm。②刃口直線度＜0.01μm，且前刀面與后刀面必須精研磨至要求。③金剛石強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金剛石規格：4mm×2mm×2mm，D10等級，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，達到鏡面切削的要求，還可以在長時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，延長刀具的使用壽命。②加工出的切屑不會因有切削液而粘在已加工表面上，避免對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行排屑，使加工區的排屑更徹底，既避免了切屑對已加工面的影響，又可達到環保切削的要求。

（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。

（6）刀尖軌跡控制方式 采用高可靠性、高性能的FANUC數控系統，在加工的過程中刀尖的X坐標、Z坐標和角度坐標以圖形方式實時顯示運動軌跡。

（7）對刀方式 為保證刀具刀尖點與刀架轉臺回轉中心的重合度＜0.002mm，采用了高精密的回轉刀架，通過高分辨率視頻進行對刀。

（8）切削參數 加工鋁合金的線速度v≥1000m/min，背吃刀量ap≤0.01mm。

5 結束語

大型菲涅爾平面鏡模具超精金剛石車床的研制和加工工藝的實踐應用填補了國內空白，突破了許多關鍵技術，為今后解決大型光學零件的精密和超精密加工提供了參考和借鑒。