吕迅;张冬峰;金杨福
【摘 要】针对软脆光学镜片在多件超精密抛光时由于工件厚度尺寸不一致,使加工后工件表面质量一致性较差的问题,提出了对同批待加工工件按厚度预分组后再抛光的方法,以提高产品良品率.为使抛光一致性和分组筛选时间平衡最优,本课题组对多件抛光时工件表面的应力状况进行有限元分析,分析最佳的尺寸分组阈值,并以实验验证.分析结果表明直径为20 mm的软脆光学镜片尺寸分组阈值设为15μm时结果最佳.该研究可为提高抛光软脆光学镜片生产成品率提供参考.%By the problem of the inconsistent thickness size in multi-piece ultra-precision polishing which led to the poor inconsistent surface of the soft-brittle optical lens, the workpieces were grouped by the thickness size and polished to improve the production yield.In order to optimize the polish coherence and foreordain grouping time, the stress of the workpiece was analyzed by finite element analysis, and it was verified by experiment.The results show that the optimal grouping threshold of the 20 mm diameter optical lens is set to 15 μm.The research can provide a reference to improve production rate of soft-brittle optical lens optics. 【期刊名称】《轻工机械》
【年(卷),期】马万党2017(035)006
【总页数】5页(P43-46,53)
社会科学战线
【关键词】软脆光学镜片;多件抛光;有限元分析;加工一致性;尺寸分组阈值
【作 者】吕迅;张冬峰;金杨福
【作者单位】特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室(浙江工业大学),浙江杭州 310014;特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室(浙江工业大学),浙江杭州 310014;浙江工业大学材料科学与工程学院,浙江杭州 310014
【正文语种】拉赫玛尼诺夫音画练习曲中 文
松下vs7【中图分类】TB115.1;TH161.14
在小口径光学镜片的超精密抛光加工中，为了提高生产效率，采用多件加工的方式[1]。但
多件加工的光学镜片由于厚度尺寸都不一致，即使有弹性抛光垫的缓冲作用[2-3]，加工时工件表面的应力也不一样。尺寸越厚的镜片受到的加工压力越大，在其它条件一致的情况下镜片材料去除量越大。而厚度最薄的镜片由于加工压力最小，其材料去除量不足有可能导致镜片表面的损伤没有完全去除，特别对难加工的软脆材质光学镜片，造成的差异更明显，使得抛光后工件的成品率下降，或是为保证成品率需更多的抛光时间使其表面质量一致性提高[4-6]。因此需对多件加工工件按尺寸厚度预分组，控制多件加工工件尺寸分组阈值，保证抛光加工的一致性[7-8]。
同批镜片尺寸分组阈值越小，可使抛光后工件表面质量差异越小，即抛光一致性越高。但是控制光学玻璃尺寸差异越小，所需的预分选时间越多。为了平衡时间成本和抛光一致性要求，需要进行有限元分析及实验研究确定合适的抛光工件的尺寸差别域值。
本课题组将对抛光装配体进行有限元结构静力分析，分析出多件抛光的合理尺寸分组阈值，使软脆光学镜片的加工一致性和分组效率最优，并进行实验验证。
1 有限元建模及分析
抛光装配体模型如图1所示。抛光装配体由上至下，由外至内由基盘、PVC挡圈、阻尼布、镜片工件、发泡聚氨酯抛光垫和抛光盘组成。各部分材料参数如表1所示[9]。对抛光装配体进行结构静力分析，在底座底面加固定约束，基盘顶面加25 N(0.003 MPa)载荷，求出镜片加载时表面应力等参数。
图1 抛光装配体模型图Figure 1 Model diagram of polishing assembly表1 抛光装配体各材料参数Table 1 Material parameters of polishing assembly
零件名材料弹性模量/GPa泊松比基盘不锈钢206.00.3PVC挡圈PVC2.50.3阻尼布黑绒布1.70.3光学玻璃FCD155.00.3发泡聚氨酯抛光垫聚氨酯12.00.3抛光盘球墨铸铁173.00.3
软脆光学镜片材料为超低散光学玻璃FCD1，并取镜片直径为20 mm。为分析不同厚度工件在同时抛光时的应力情况，设置每组工件的尺寸分组阈值为5，10，15和20 μm，4组工件厚度的设置值如表2所示。按照表1和表2中的参数建立4组抛光装配体模型，分别进行有限元静力仿真，并对其进行比较分析。图2为不同工件尺寸分组阈值的等效应力图。
图2 不同工件尺寸分组阈值对应的等效应力图Figure 2 Equivalent stress diagram of different workpiece corresponding to four grouping threshold
由图2可知，尺寸分组阈值为5 μm时的工件所受应力范围为0.009 231～0.018 462 MPa；尺寸分组阈值为10 μm的工件所受应力范围为0.009 224～0.018 448 MPa；尺寸分组阈值为15 μm的工件所受应力范围为0.009 229～0.018 459 MPa；尺寸分组阈值为20 μm的工件所受应力范围为0.009 230～0.018 460 MPa。显然尺寸分组阈值越大，等效应力值差别越大。抛光工件上有极小部分的最大应力值区，明显大于比重最大的等效应力值，不以最大值作为数据分析，是因为出现该最大值的原因可能是抛光垫上存在无数细小的孔，使得变形无规律，所以会随机在工件边沿处出现等效应力最大值。
表2 抛光工件分组尺寸Table 2 Grouping thickness of polishing workpiece尺寸分组阈值/μm镜片1厚度/mm镜片2厚度/mm镜片3厚度/mm镜片4厚度/mm镜片5厚度/mm53.0003.0013.0033.0043.005103.0003.0033.0053.0073.010153.0003.0053.0103.0123.015203.0003.0053.0103.0153.020
图3为每组尺寸分组阈值最厚件与最薄件的等效应力差值。图中表明工件尺寸差异越小，应力差值越小，即工件尺寸分组阈值为5 μm时抛光一致性越高。从图中可知，工件尺寸分组阈值为5，10和15 μm的工件组等效应力差值变化不大，但分组阈值为20 μm的工件组应力差值显著上升。因此综合考虑到预分选的时间成本，将多件加工工件的尺寸分组阈值域值设为15 μm。
图3 不同工件尺寸分组阈值的等效应力差值图Figure 3 Equivalent stress difference diagram of different workpiece corresponding to four grouping threshold
2 实验验证及讨论
为了验证不同的尺寸分组阈值对加工结果的影响，分别选用5，15和20 μm 3组不同的尺寸分组阈值镜片进行实验，每组工件取5个。工件尺寸及其它材料实验参数同表1和表2。抛光实验平台选用Nanopoli-100，如图4所示，并设抛光盘转速为80 r/min，载荷为25 N，加工时间45 min。光学镜片加工后表面形貌如图5所示。表3为各组工件中最薄(镜片1)和最厚工件(镜片5)的表面粗糙度Ra值。
图4 Nanopoli-100抛光实验平台Figure 4 Polishing experimental platform Nanopoli-100表3 光学镜片加工后表面粗糙度Table 3 Surface roughness of polished optical lens
尺寸分组阈值/μm镜片1的表面粗糙度Ra/nm镜片5的表面粗糙度Ra/nm51.510.85152.981.39206.582.37
从尺寸分组阈值5 μm和15 μm的加工结果来看，虽然5 μm分组阈值的同批工件表面粗糙度
差别最小，但15 μm分组阈值工件组的表面质量与其差别不大，而且从工件表面的微观形貌来看，可认为是同一级别的工件表面质量。而尺寸分组阈值为20 μm的工件表面微观形貌来看，最薄的工件表面还有大块区域高点尚未去除，加工还不完全，镜片表面上仍有划痕没有完全去除。从其最薄和最厚工件的表面粗糙度来看也相差较大，即工件组加工表面质量一致性相对较差。从而验证了对同组软脆光学镜片加工有限元分析的有效性。因此在多件抛光平面光学镜片时，将尺寸分组阈值15 μm作为预分选的设定值，此时镜片抛光的加工一致性和分组效率相对最优。
3 结论
本课题组通过对多件软脆光学镜片抛光时受力情况进行有限元分析，分析了不同尺寸分组阈值下工件组应力差值。以直径为20 mm的FCD1软脆光学镜片为工件，5片镜片为一组，同组被加工工件尺寸分组阈值设为15 μm，可使多件抛光软脆光学镜片的加工一致性和分组效率相对最优，为抛光软脆光学镜片高效高成品率的生产加工提供了理论指导基础。
图5 抛光后镜片表面微观形貌Figure 5 Surface microtopography of polished optical lens
参考文献：
[1] 干福熹.光子学玻璃及应用[M].上海：上海科学技术出版社，2012.
[2] 刘土光，张涛.弹塑性力学基础理论[M].武汉：华中科技大学出版社, 2008.
[3] 李同林，殷绥域.弹塑性力学[M].武汉：中国地质大学出版社，2006.
尾翼的作用
[4] FUJII T，HIRANO M，SHIBUKAWA T，et al. Study on precision machining of glass lens mold with minute structures： precision machining of glass lens mold with fresnel shape applying complex machining process [J]. Journal of the Japan society for precision engineering，2008, 74(12)：1298-1302.上海家具展2013
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议