楊永亮，張泓筠，李 娜*，劉昌興

（1.凱里學(xué)院，貴州凱里 556011；2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)吉林有限公司網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中心，吉林長(zhǎng)春 130000）

隨著汽車(chē)電子領(lǐng)域的發(fā)展，車(chē)載鏡頭已廣泛應(yīng)用于輔助泊車(chē)、行車(chē)記錄以及車(chē)內(nèi)監(jiān)控等方面［1-5］.在沒(méi)有非球面的條件下，通常每個(gè)車(chē)載鏡頭中至少有5片玻璃透鏡，透鏡的光圈數(shù)N的要求為3～5，局部光圈數(shù)△N的要求為0.5～1，表面光潔度等級(jí)B要求為Ⅲ～Ⅴ，精度要求不高，但需求量很大［6］，古典加工工藝，無(wú)法滿(mǎn)足該類(lèi)型光學(xué)零件批量生產(chǎn)的需求，而準(zhǔn)球心加工工藝具有正壓力恒定、擺架繞通過(guò)工件球心的軸線(xiàn)作弧線(xiàn)擺動(dòng)、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，適用于中等尺寸、中等精度光學(xué)零件的批量生產(chǎn)［7］.在生產(chǎn)中用到的設(shè)備主要有上弧擺精磨拋光機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)上擺機(jī)）和下弧擺精磨拋光機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)下擺機(jī)），下擺機(jī)加工時(shí)磨具在下面轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)擺動(dòng)，工件在上面只作隨動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)不擺動(dòng)，去除量由上面的測(cè)頭測(cè)出并限定；上擺機(jī)加工時(shí)模具在下，零件在上，模具高速轉(zhuǎn)動(dòng)，零件隨動(dòng)并在頂針的帶動(dòng)下進(jìn)行擺動(dòng)，去除量主要通過(guò)操作者根據(jù)工藝參數(shù)和時(shí)間來(lái)確定［8］，通常上擺機(jī)用于零件凹面的加工，下擺機(jī)用于零件凸面的加工，但下擺機(jī)的價(jià)格很高，同等準(zhǔn)球心高度的下擺機(jī)的價(jià)格通常是上擺機(jī)的3～5倍，為了節(jié)約設(shè)備成本，通過(guò)對(duì)上擺機(jī)施壓裝置及工藝的改進(jìn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)上擺機(jī)代替下擺機(jī)對(duì)零件的凸面進(jìn)行精磨和拋光.

1 光學(xué)零件的要求及加工方法

圖1 為光學(xué)零件透鏡圖，零件的材料為H-ZLAF50B，表1給出了光學(xué)零件加工中對(duì)零件的要求.

圖1 透鏡圖

由表1 可知，該零件屬于中等精度的光學(xué)零件，可采用準(zhǔn)球心加工工藝進(jìn)行精磨和拋光.

表1 光學(xué)零件加工中對(duì)零件的要求

2 主要工藝流程

2.1 銑磨

采用銑磨機(jī)加工球面時(shí)，曲率半徑計(jì)算公式如下［7］：

式中R為球面曲率半徑，r為銑磨砂輪刃口圓角半徑，Dm為銑磨砂輪的中徑，α為磨輪軸與工件軸的夾角，其中凸面零件取“-”，凹面零件取“+”.對(duì)于口徑及曲率半徑小且邊緣厚度較薄的光學(xué)零件凸面的銑磨，在銑磨砂輪刃口圓角半徑選定的條件下，若夾具深度和磨輪口徑搭配不合理，很容易導(dǎo)致磨輪磨到夾具，由公式（1）可知，隨著Dm的增大，α增大，這樣也容易導(dǎo)致磨輪磨到夾具，使得與磨輪內(nèi)部接觸的夾具部分磨成與零件相同曲率半徑的球面，使夾曹外邊緣變薄，使用壽命縮短，增加了開(kāi)夾槽和調(diào)整工藝參數(shù)的次數(shù)，降低生產(chǎn)效率，同時(shí)夾具與磨輪接觸會(huì)影響銑磨工藝的穩(wěn)定性.因此，對(duì)于口徑及曲率半徑小且邊緣厚度較薄的光學(xué)零件凸面的銑磨時(shí)，在設(shè)計(jì)磨輪時(shí)，Dm的取值非常關(guān)鍵，可先通過(guò)理論推導(dǎo)，計(jì)算出磨輪中徑的最小值，具體如下，假設(shè)磨輪中徑的最小值為Dmmin，被加工零件的口徑為D，由圖2的計(jì)算可知：

其中凹面零件取“-”，凸面零件取“+”.當(dāng)選定r值時(shí)，就可以根據(jù)公式（1）（2）求出Dmmin.以Dmmin為基礎(chǔ)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際及磨輪的加工精度，確定合適的磨輪中徑，以減小或避免磨輪對(duì)夾具的磨損.

圖2 銑磨原理圖

在實(shí)際加工中，夾槽的深度也決定了磨輪對(duì)夾具是否產(chǎn)生磨損，設(shè)凸面銑磨后零件的邊緣厚度為t，夾槽的最大深度為Hmax，由圖2可知：

因此，Dm選定后，在保證零件能夠夾牢的條件下，為了較少或避免磨輪對(duì)夾具的磨損，夾槽的深度不能超過(guò)Hmax.因此通過(guò)理論計(jì)算結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，給出合理的模具口徑以及夾具深度，可減小或避免磨具對(duì)夾具的磨損，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率的同時(shí)可增加工藝的穩(wěn)定性.根據(jù)上述理論計(jì)算結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，確定銑磨凸面的磨輪中徑Dm=6.5mm，銑磨砂輪刃口圓角半徑r=1mm，銑磨凹面的磨輪中徑Dm=3.3mm，銑磨砂輪刃口圓角半徑r=0.5mm.光學(xué)零件的銑磨是在P-80型銑磨機(jī)上完成的，磨輪的磨料粒度均為320#，加工時(shí)的工藝參數(shù)如表2所示.

表2 銑磨工藝參數(shù)

圖3 簡(jiǎn)易球徑儀

由于銑磨后零件表面粗糙度較大，無(wú)法用光學(xué)樣板觀察光圈來(lái)判斷零件曲率半徑的大小，雖然可用觀察水漬的方法來(lái)判斷曲率半徑大小，但頻繁使用光學(xué)樣板易造成其表面劃傷，縮短其使用壽命.因此嘗試制作簡(jiǎn)易球徑儀來(lái)代替光學(xué)樣板對(duì)銑磨后零件表面的曲率半徑進(jìn)行檢測(cè).該簡(jiǎn)易球徑儀由3 部分構(gòu)成，分別是數(shù)顯千分表、轉(zhuǎn)接頭和測(cè)量環(huán)，如圖3 所示.轉(zhuǎn)接頭的一端采用螺紋與測(cè)量環(huán)相連，可針對(duì)不同口徑的零件選擇不同規(guī)格的測(cè)環(huán)，另一端嵌套在千分表上，并能通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺桿進(jìn)行旋緊.測(cè)試時(shí)，如果測(cè)量環(huán)與零件接觸部分的口徑過(guò)大，則無(wú)法測(cè)量，過(guò)小則測(cè)試誤差增大，通常，測(cè)量零件凸面時(shí)，測(cè)量環(huán)的內(nèi)徑一般為鏡片外徑的0.8～0.9倍，測(cè)量零件凹面時(shí)，測(cè)量環(huán)的外徑一般為鏡片有效口徑的0.8～0.9 倍.由于測(cè)量環(huán)在測(cè)量光學(xué)零件曲率半徑時(shí)，很難獲得零件與測(cè)量環(huán)接觸圓的真實(shí)直徑，通過(guò)計(jì)算得到的零件的曲率半徑存在較大的誤差，為了克服上述問(wèn)題，采用球徑儀對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件和被加工件曲率半徑進(jìn)行對(duì)比的方法，具體操作如下：用球徑儀測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)件曲率半徑，并對(duì)千分表進(jìn)行歸零操作，以同樣的方式測(cè)量被加工件，根據(jù)千分表上數(shù)值的正負(fù)及大小，可判斷被加工件曲率半徑的大小以及與標(biāo)準(zhǔn)件的偏離程度，該方法操作簡(jiǎn)單，易于操作人員學(xué)習(xí)和掌握，適用于在線(xiàn)的實(shí)時(shí)檢測(cè).簡(jiǎn)易球徑儀能確保轉(zhuǎn)接頭與表頭、側(cè)頭鎖緊，以免滑動(dòng)造成外觀不良或測(cè)量誤差.

2.2 精磨及拋光

2.2.1 施壓裝置的改進(jìn)

采用上擺機(jī)加工零件凸面時(shí)，若仍采用零件在上，頂針施壓的加工方式，由于準(zhǔn)球心位于被加工表面的上方，頂針繞準(zhǔn)球心進(jìn)行擺動(dòng)時(shí)，無(wú)法帶動(dòng)零件進(jìn)行足夠地?cái)[動(dòng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的均勻磨耗，為了解決此問(wèn)題，將上擺機(jī)的施壓裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 改進(jìn)后的施壓裝置頭和軸承組件

將頂針改造成壓力頭和軸承組件，改進(jìn)后，將原來(lái)頂針與夾具之間的點(diǎn)接觸變?yōu)閴毫︻^與夾具之間的線(xiàn)接觸，由于壓力頭和軸承組件的存在，既可使零件進(jìn)行足夠地?cái)[動(dòng)，又可以實(shí)現(xiàn)零件隨模具的轉(zhuǎn)動(dòng).壓力頭與軸承組件之間采用螺紋連接，可根據(jù)不同口徑的零件更換壓力頭，同時(shí)為了避免壓力頭與零件之間的剛性接觸，在壓力頭和夾具之間加入O 型圈.與O 型圈接觸的夾具結(jié)構(gòu)如圖5 所示，夾具上面的面形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成梯形，以確保加工時(shí)夾具的穩(wěn)定性及夾具中心軸線(xiàn)和O 型圈的中心軸線(xiàn)的同軸性.為了能夠在加工中實(shí)時(shí)監(jiān)控零件的厚度的去除量，在上擺機(jī)的擺動(dòng)裝置上增加了測(cè)量模塊，主要由千分表、固定千分表的支撐桿和嵌套在壓力桿上的測(cè)量平面三部分構(gòu)成，測(cè)量平面在壓力桿上的位置可調(diào).加工中，去除量可由千分表測(cè)出，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的.通過(guò)對(duì)施壓裝置的改進(jìn)，不僅可以采用上擺機(jī)加工凸面零件，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)零件精磨時(shí)去除量的實(shí)時(shí)監(jiān)控.

圖5 夾具

2.2.2 精磨及拋光工藝

精磨及拋光中所用到的金剛石丸片的參數(shù)如表3 所示，由于H-ZLAF50B 的硬度較大，在精磨中采用三道丸片精磨，而修拋光皮丸片的作用是對(duì)拋光皮的面型進(jìn)行在線(xiàn)修整，通常成對(duì)存在，一個(gè)用來(lái)提高光圈，另一個(gè)用來(lái)降低光圈.

表3 丸片的參數(shù)

在精磨工序中，為了增加磨具與被加工光學(xué)材料的親和力，增加金剛石丸片的磨削效果，在光學(xué)零件的高速精磨中多采用三乙醇胺作為冷卻液，但是長(zhǎng)時(shí)間使用高濃度三乙醇胺，易造成操作人員的皮膚過(guò)敏，也易使設(shè)備腐蝕，因此選用型號(hào)為JM-2005A的冷卻液代替三乙醇胺，冷卻液和水按1：60進(jìn)行配比使用.工藝調(diào)試初期，對(duì)零件凸面精磨后，采用光學(xué)樣板對(duì)曲率半徑測(cè)量時(shí)，發(fā)現(xiàn)零件外邊緣出現(xiàn)明顯的“塌邊”現(xiàn)象，嘗試增大擺角和擺幅并降低主軸轉(zhuǎn)速的方法，但效果并不明顯，進(jìn)一步分析，由于丸片上水槽的存在，采用球心儀調(diào)整丸片的準(zhǔn)球心高度時(shí)，可能存在誤差，于是嘗試將準(zhǔn)球心高度在原來(lái)的基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)恼{(diào)低，試驗(yàn)后改善效果較明顯，但“塌邊”現(xiàn)象仍未能完全消除；由于丸片的口徑在確定的時(shí)候，是按照下擺機(jī)加工凸面零件時(shí)的計(jì)算方法給出的，可能丸片的口徑偏大，于是改變丸片的口徑，反復(fù)修改，經(jīng)多次試驗(yàn)后“塌邊”的問(wèn)題得到了解決.使用上擺機(jī)加工零件凹面時(shí)，由于夾具多采用尼龍或POM等材料［8］，若直接與頂針接觸，易損傷縮短夾具的使用壽命.因此，在夾具與頂針之間加入剛體，剛體的一端與夾具配合，另一端與頂針配合，剛體的材料為鎢鋼（硬質(zhì)合金），具有硬度高、耐磨、強(qiáng)度和韌性較好、耐熱、耐腐蝕等一系列優(yōu)良性能［9］.拋光粉的型號(hào)為MIROX1025A，按照每100g 拋光粉兌1L 水的比例進(jìn)行配比使用，聚氨酯拋光皮的型號(hào)為L(zhǎng)P87，厚度為0.5mm.最終的精磨及拋光的工藝參數(shù)如表4所示.

表4 精磨及拋光的工藝參數(shù)

2.3 機(jī)械定心磨邊

零件的磨邊是在ACD-100 型機(jī)械定心磨邊機(jī)上完成的，磨邊接頭的結(jié)構(gòu)如圖6 所示，材料為不銹鋼，與凸面接觸的接頭尺寸：ΦA(chǔ)=9.8±0.02mm，ΦB=4±0.02mm，與凹面接觸的接頭尺寸：ΦA(chǔ)=5.6±0.02mm，ΦB=0mm，為了確保夾頭軸與磨邊機(jī)主軸的同軸度以及夾頭端面與磨邊機(jī)主軸的垂直度，采用夾具修正器配合修好的車(chē)刀，對(duì)磨邊接頭的內(nèi)、外表面及端面進(jìn)行修整，修整后首先采用1000目砂紙，再用聚氨酯拋光皮蘸拋光液對(duì)磨邊接頭端面進(jìn)行處理，最后用無(wú)水乙醇和乙醚混合液對(duì)磨邊接頭進(jìn)行清洗，磨邊砂輪為電鍍砂輪，粒度為350#，加工時(shí)砂輪軸轉(zhuǎn)速為3500 rpm，工件軸轉(zhuǎn)速為9 r/cycle.

圖6 磨邊接頭

3 樣品測(cè)試

隨機(jī)選取100 個(gè)樣品，選用A 類(lèi)光學(xué)樣板對(duì)樣品的光圈和局部光圈進(jìn)行測(cè)試，用FW-LensⅤT 型偏心儀測(cè)試樣品的中心偏差，用XB-86C 型放大鏡對(duì)樣品的表面光潔度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表5所示，各項(xiàng)指標(biāo)的合格率均在90%以上，說(shuō)明采用改進(jìn)后的上擺機(jī)對(duì)光學(xué)零件的凸面和凹面進(jìn)行加工，在降低了設(shè)備成本的前提下仍然可以獲得較高的產(chǎn)品合格率［10］.

表5 性能測(cè)試

4 結(jié)論

在車(chē)載鏡頭中光學(xué)零件凸面的批量生產(chǎn)中，為了節(jié)約設(shè)備成本，可通過(guò)對(duì)上擺機(jī)施壓裝置及工藝的改進(jìn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)上擺機(jī)代替下擺機(jī)對(duì)零件的凸面進(jìn)行精磨和拋光，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)上擺機(jī)精磨中去除量的實(shí)時(shí)監(jiān)控，在工藝調(diào)試過(guò)程中，可以通過(guò)調(diào)整精磨模的準(zhǔn)球心高度和模具的口徑，來(lái)解決采用下擺機(jī)加工零件凸面容易出現(xiàn)塌邊的問(wèn)題，在銑磨工序中，針對(duì)口徑及曲率半徑小且邊緣厚度薄的光學(xué)凸面零件，通過(guò)計(jì)算，給出合理的磨輪口徑和夾具深度，可減小或避免銑磨磨輪對(duì)夾具的磨損，提高銑磨工藝的穩(wěn)定性及生產(chǎn)效率，通過(guò)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易球徑儀代替光學(xué)樣板對(duì)銑磨后光學(xué)零件的曲率半徑進(jìn)行在線(xiàn)檢測(cè)，可避免銑磨后零件表面對(duì)樣板的劃傷，降低樣板的制造成本，零件的凹面的加工中，在頂針和夾具之間加入剛體，可降低丁針對(duì)夾具的損傷延長(zhǎng)夾具的使用壽命.生產(chǎn)中單片加工的生產(chǎn)效率較低，如何采用上擺機(jī)對(duì)多片零件進(jìn)行同時(shí)加工是下一步工作的重點(diǎn).