本發(fā)明涉及光學(xué)元件超精密磨削加工領(lǐng)域，具體涉及光學(xué)元件磨削亞表面缺陷及其深度穩(wěn)定性控制過(guò)程中，所使用的平行金剛石砂輪的中央平直線和兩側(cè)邊緣圓弧過(guò)渡復(fù)合截面輪廓的修整方法。

背景技術(shù)：

被廣泛應(yīng)用于高功率激光裝置中的透射類(lèi)光學(xué)元件，其加工亞表面缺陷對(duì)元件的抗激光損傷閾值和整個(gè)裝置的總體輸出性能具有重要的影響。利用固結(jié)磨料平行金剛石砂輪進(jìn)行光學(xué)元件的超精密成形磨削加工，可高效獲得高精度的光學(xué)表面，但同時(shí)需要對(duì)全口徑的亞表面缺陷質(zhì)量嚴(yán)格控制，便于后續(xù)拋光加工對(duì)磨削亞表面缺陷的完全去除和精度的進(jìn)一步收斂。為減小元件表面磨削加工產(chǎn)生的中頻小尺度波紋，需要嚴(yán)格保證平行金剛石砂輪截面輪廓與砂輪軸線之間的平行度，同時(shí)在砂輪兩側(cè)棱邊需要適當(dāng)?shù)膱A弧過(guò)渡，以減小磨削過(guò)程中邊緣處的加工應(yīng)力集中而導(dǎo)致亞表面缺陷深度劇增。為兼顧加工精度和缺陷的要求，需要采用“中央平直線+兩側(cè)邊緣圓弧過(guò)渡”的復(fù)合截面輪廓金剛石砂輪進(jìn)行光學(xué)元件的磨削加工。

cn105234821a、cn102765058a分別公開(kāi)了一種圓弧砂輪修整器，利用單點(diǎn)金剛石筆實(shí)現(xiàn)圓弧截面的修形，使用該修整器獲得的砂輪截面輪廓為單一圓弧形狀，在磨削平面光學(xué)元件時(shí)其圓弧輪廓會(huì)復(fù)印至元件表面而引入明顯的小尺度波紋誤差。此外，使用單點(diǎn)金剛石筆對(duì)金剛石砂輪進(jìn)行修形時(shí)，兩種超硬磨料相互作用容易導(dǎo)致金剛石筆磨損嚴(yán)重，同時(shí)金剛石砂輪表面的金剛石顆粒破損脫落，導(dǎo)致砂輪的磨削性能下降，不適合光學(xué)加工領(lǐng)域。

cn201510263137a公開(kāi)了一種基于杯形工具球面包絡(luò)的圓弧砂輪在線修整裝置，可以實(shí)現(xiàn)非球面磨削圓弧金剛石砂輪的在線修整，使用該裝置修整的砂輪截面輪廓為圓弧形狀，在磨削平面元件時(shí)也會(huì)引入嚴(yán)重的小尺度波紋誤差。

目前已公開(kāi)的砂輪修整器及修整方法的專(zhuān)利中，基本都是實(shí)現(xiàn)單一的圓弧截面輪廓或直線截面輪廓修整。在大口徑光學(xué)元件超精密加工過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)全口徑低缺陷的控制工藝要求，需要獲得“中央平直線+兩側(cè)邊緣圓弧過(guò)渡”的復(fù)合式砂輪截面輪廓。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種光學(xué)加工平行金剛石砂輪中央平直線和兩側(cè)邊緣圓弧過(guò)渡的復(fù)合截面輪廓的修整方法。

本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：光學(xué)加工平行金剛石砂輪復(fù)合截面輪廓的修整方法，該方法包括以下步驟：

1)將金剛石砂輪安裝于超精密平面磨床主軸上，將修整器固定于超精密平面磨床工作臺(tái)上，并調(diào)整修整器上的修整砂輪的旋轉(zhuǎn)軸與超精密平面磨床豎向y軸之間的平行度；

2)修整砂輪端面研磨修整金剛石砂輪的外圓面，同時(shí)金剛石砂輪沿機(jī)床x軸的方向作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，去除金剛石砂輪的表面磨損鈍化層，使金剛石砂輪外圓面獲得滿足元件加工工藝要求的圓周跳動(dòng)精度及軸向平行度；

3)調(diào)整金剛石砂輪進(jìn)給方向與超精密平面磨床x軸成下傾角度，繼續(xù)修整加工，修整砂輪的端面研磨金剛石砂輪的兩側(cè)棱邊為平滑圓弧，最終保證金剛石砂輪的兩側(cè)過(guò)渡圓弧高度大于加工元件時(shí)的每刀磨削深度，且金剛石砂輪的中央部分殘留的平直段大于加工元件時(shí)的光柵式磨削間距。

進(jìn)一步的，步驟1)所述的平行度是指：修整砂輪的旋轉(zhuǎn)軸軸線與超精密平面磨床y軸之間的夾角滿足公式(1)：

其中：α為修整砂輪的旋轉(zhuǎn)軸與超精密平面磨床豎向y軸之間的角度；w為金剛石砂輪的寬度；ep為金剛石砂輪的軸向平行度誤差。

進(jìn)一步的，步驟2)所述的研磨修整的工藝參數(shù)為：金剛石砂輪的轉(zhuǎn)速為400r/min～600r/min；修整砂輪(2)的轉(zhuǎn)速為800r/min～1200r/min；修整進(jìn)給速度為80mm/min～120mm/min；每刀修整深度為2μm～10μm。

進(jìn)一步的，步驟2)所述的圓周跳動(dòng)精度≤2μm，軸向平行度≤3μm。

進(jìn)一步的，步驟3)所述金剛石砂輪進(jìn)給方向與超精密平面磨床x軸的傾斜角度滿足公式(2)：

其中：β為金剛石砂輪進(jìn)給方向下傾角度；dp為金剛石砂輪的兩側(cè)過(guò)渡圓弧高度；rg為修整砂輪的半徑；w為金剛石砂輪的寬度；l為修整后金剛石砂輪的中央殘留直線段長(zhǎng)度。

進(jìn)一步的，所述的超精密平面磨床可實(shí)現(xiàn)橫向x軸和豎向y軸聯(lián)動(dòng)，所述的超精密平面磨床主軸旋轉(zhuǎn)誤差小于1μm。

進(jìn)一步的，所述的修整器上的修整砂輪高速旋轉(zhuǎn)端面跳動(dòng)誤差小于5μm。

本發(fā)明的有益效果是：采用杯形修整砂輪實(shí)現(xiàn)光學(xué)加工金剛石砂輪的修整，金剛石砂輪修形與修銳同時(shí)進(jìn)行，可獲得中央平直線與兩側(cè)邊緣圓弧過(guò)渡的復(fù)合式截面輪廓，砂輪修整精度高；采用本發(fā)明的修整方法，可以準(zhǔn)確獲得中央直線段的寬度與兩側(cè)圓弧過(guò)渡的高度，有效避免磨削過(guò)程中砂輪棱邊處造成的加工應(yīng)力集中，降低元件的亞表面缺陷深度及不穩(wěn)定性。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明復(fù)合式截面輪廓修整示意圖。

圖2是采用本發(fā)明方法修整后的平行金剛石砂輪展開(kāi)三維形貌圖。

圖3是采用本發(fā)明方法修整后的平行金剛石砂輪軸向截面輪廓誤差圖。

圖4是采用本發(fā)明方法修整后的平行金剛石砂輪圓周跳動(dòng)誤差圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的光學(xué)加工平行金剛石砂輪復(fù)合截面輪廓的修整方法包括以下步驟：

1)如圖1所示，將金剛石砂輪3安裝于超精密平面磨床主軸上，將修整器1固定于超精密平面磨床工作臺(tái)上，并調(diào)整修整器1上的修整砂輪2的旋轉(zhuǎn)軸與超精密平面磨床豎向y軸之間的平行度，修整砂輪2的旋轉(zhuǎn)軸軸線與超精密平面磨床y軸之間的夾角滿足公式(1)；

其中：α為修整砂輪2的旋轉(zhuǎn)軸與超精密平面磨床豎向y軸之間的角度；w為金剛石砂輪3的寬度；ep為金剛石砂輪3的軸向平行度誤差。

2)修整砂輪2端面研磨修整金剛石砂輪3的外圓面，同時(shí)金剛石砂輪3沿機(jī)床x軸的方向作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，逐漸去除金剛石砂輪3的表面磨損鈍化層，使金剛石砂輪3外圓面獲得滿足元件加工工藝要求的圓周跳動(dòng)精度及軸向平行度；

3)調(diào)整金剛石砂輪3進(jìn)給方向與超精密平面磨床x軸成一微小下傾角度，傾斜角度滿足公式(2)；繼續(xù)修整加工，此時(shí)修整砂輪2的端面研磨金剛石砂輪3的兩側(cè)棱邊為平滑圓弧，最終保證金剛石砂輪3的兩側(cè)過(guò)渡圓弧高度大于加工元件時(shí)的每刀磨削深度，且金剛石砂輪3的中央部分殘留的平直段大于加工元件時(shí)的光柵式磨削間距；

其中：β為金剛石砂輪3進(jìn)給方向下傾角度；dp為金剛石砂輪3的兩側(cè)過(guò)渡圓弧高度；rg為修整砂輪2的半徑；w為金剛石砂輪3的寬度；l為修整后金剛石砂輪3的中央殘留直線段長(zhǎng)度。

上述步驟2)所述的研磨修整的工藝參數(shù)為：金剛石砂輪3的轉(zhuǎn)速為400r/min～600r/min；修整砂輪2的轉(zhuǎn)速為800r/min～1200r/min；修整進(jìn)給速度為80mm/min～120mm/min；每刀修整深度為2μm～10μm。

上述步驟2)所述的圓周跳動(dòng)精度≤2μm，軸向平行度≤3μm。

上述光學(xué)加工平行金剛石砂輪復(fù)合截面輪廓修整方法中，超精密平面磨床可實(shí)現(xiàn)橫向x軸和豎向y軸聯(lián)動(dòng)，磨床主軸旋轉(zhuǎn)誤差小于1μm，修整器1上的修整砂輪2高速旋轉(zhuǎn)端面跳動(dòng)誤差小于5μm。

實(shí)施例：

本實(shí)施例的修整對(duì)象為φ400mm×20mm平行金剛石砂輪，粒度為1800#，結(jié)合劑為樹(shù)脂。修整砂輪尺寸為φ100mm×40mm，粒度為1500#，磨粒為綠色碳化硅(gc)。本實(shí)施例光學(xué)加工平行金剛石砂輪復(fù)合截面輪廓的修整方法的步驟如下：

1)將金剛石砂輪3安裝于超精密平面磨床主軸上，將修整器2固定于超精密平面磨床工作臺(tái)上，利用心棒和千分表調(diào)節(jié)修整器1上的修整砂輪2的旋轉(zhuǎn)軸軸線與機(jī)床y軸之間的平行度。為降低加工元件表面的小尺度波紋，金剛石砂輪3的軸向平行度需不大于3μm。因此，根據(jù)公式(1)計(jì)算得到修整砂輪2的旋轉(zhuǎn)軸軸線與超精密平面磨床y軸之間的夾角需不大于31″。本實(shí)施例中調(diào)節(jié)的修整砂輪2的旋轉(zhuǎn)軸軸線與超精密平面磨床y軸之間的夾角為25″；

2)進(jìn)行對(duì)刀操作，按金剛石砂輪3的轉(zhuǎn)速nw＝500r/min、修整砂輪2的轉(zhuǎn)速nd＝1000r/min、每刀修整深度dp＝10μm、修整進(jìn)給方向平行于x軸且進(jìn)給速度v＝100mm/min的工藝，利用修整砂輪2端面對(duì)金剛石砂輪3外圓表面進(jìn)行研磨修整。修整后測(cè)量金剛石砂輪3圓周跳動(dòng)誤差為1.5μm，軸向截面輪廓平行度為2.5μm，砂輪兩側(cè)棱邊輪廓鋒利；

3)本實(shí)施例中設(shè)計(jì)的金剛石砂輪3的兩側(cè)過(guò)渡圓弧高度為15μm，設(shè)計(jì)的金剛石砂輪3的中央殘留直線段長(zhǎng)度為12mm，按照公式(2)計(jì)算得到修整方向偏離x軸的角度為1.36°。修改超精密平面磨床數(shù)控程序參數(shù)，使修整進(jìn)給方向沿x軸下傾1.36°，利用修整砂輪2端面對(duì)金剛石砂輪3兩側(cè)鋒利棱邊進(jìn)行研磨修整。

修整完成后，測(cè)量金剛石砂輪3的外圓輪廓三維形貌，如圖2所示。提取金剛石砂輪3不同相位處的軸向截面輪廓，如圖3所示，兩側(cè)過(guò)渡圓弧高度約14μm，中央±6mm為殘留的直線段部分，其平行度誤差小于2μm。提取金剛石砂輪3不同軸向位置處的圓周跳動(dòng)誤差，如圖4所示，-4mm、0mm、4mm處的圓周跳動(dòng)誤差均小于1.5μm。