光学冷加工毕业设计 .doc

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1、河 南 工 业 职 业 技 术 学 院Henan Polytechnic Institute毕业设计（论文）题 目定心磨边工艺研究 班 级精密机械0601姓 名 项羽 指导教师 胡雪梅 目录摘要 （3）图纸 （4）第一章 定义与术语 （5）1-1传统的定义与术语 （5）1-2新的定义与术语 （6）1-3透镜中心误差各种表述之间的关系 （7）第二章 透镜的定心 （8）2-1加工工艺 （8）2-2透镜定心的种类和特点（8）2-3机械法定中心有关工艺数据计算（9）第三章 机床和夹具 （10）3-1机床的使用和调整（10）3-2精度的检查项目及方法 （11）3-3夹具修整 （11）第四章 选择砂轮 （

2、14）4-1砂轮的选择 （14）4-2砂轮类型（15）4-3磨边砂轮选择的应注意 （15）第五章 磨边与倒角工艺 （16）5-1磨边与倒角 （16）5-2影响定心精度的因素 （18）5-3影响定心的工艺因素 （18）5-4磨边余量与磨边疵病 （19）5-5定心方法的比较及疵病分析（20）5-6透镜边厚差的检验（21）总结（22）致谢（25）参考文献（27）任务计划书（28）摘要光学工业是生产工农业、国防、科研和人民生活所需要的各种光学仪器的，如显微镜、经纬仪、望远镜和照相机等。这些光学仪器的主要部分光学系统由光学零件组成。现在科学技术的迅速发展，特别是手机摄像头、DVD影碟机、背投电视、投影机

3、、数码相机、激光、红外线、高空摄像机、激光输出、光电传感技术和宇宙空间探测等等所需要的大量的光学元件。光学零件生产批量小，品种多的特点，有各种形状和不同尺寸的光学零件，在个道工序上，配备了规格齐全的各种型号的机床，为了减少光学零件的品种和扩大它的加工批量。提高光学零件的生产率和降低成本，精密度较高的液体成型机和精密压型技术获得很大的发展。光学加工的技术水平和先进程度不断提高，正朝着高效、高密度。高精度和自动化程度等方面迅速发展。本设计选取光学零件磨边加工，首先，学习相应的理论知识，熟悉零件在加工过程的工艺流程，对每一步的原理有了较深的理解，同时，也对磨边机进行熟悉和了解，对AtouCAD的用法

4、和夹具制造熟悉，然后在进行设计。并逐步深入理解工艺设计，目的是通过毕业设计工作，熟悉磨边机床构成与基本工作原理，重点是掌握磨边加工技术，并将这些技术应用到实际的生产中去，提高直径理论联系实践知识的认识。伴随着“中国制造”的发展，光学制造在中国大陆的土地上方兴未艾，发展迅猛异常。虽然国产的设备、辅料、材料性能受限，满足不了发展的需要，但是开放的国策、全球的市场弥补了国内许多不太具备的条件。 透镜在粗磨、精磨、抛光过程中，由于定位误差、加工误差等因素的影响，会使得透镜的光轴与其基准轴不重合，从而产生中心误差。透镜的定心磨边就是将光轴与其基准轴不重合的情况进行校正，从而满足透镜零件装配的需要。在实际

5、生产中，透镜的定心磨边分两步进行：一是定心，通过光学或机械的方法寻找并确定透镜光轴与基准轴重合的位置，即透镜光学表面定心顶点处的法线与基准轴重合的位置，这里的基准轴就是机床的回转轴；二是磨边，透镜定心后夹紧，用砂轮或金刚石磨轮磨削透镜的外圆，以获得图纸要求直径的透镜。透镜的定心方法主要分光学定心和机械定心两类。我的论文主要研究光学定心磨边。由于知识有限，设计中存在一定的错误，望指导老师能够谅解。关键字：定心、夹具修整、倒角、磨边余量。图纸第一章 定心与术语 1-1传统的定义与术语1.1.1 定义及术语中心偏差是透镜外圆的几何轴与光轴在透镜曲率中心处的偏离程度，用C表示。定心是使透镜的光轴和几何

6、轴重合或在一定的公差范围内。磨边是将定心后的透镜进行对称地磨外圆。光学系统的中心偏差尽管很复杂，但透镜中心偏差定义的C仍适用于单块透镜。它符合磨边工序的加工目的，也可以看成是对磨边工序的主要技术要求。1.1.2中心偏差与边厚差的关系在透镜研磨抛光过程中，通常采用控制透镜边厚差来校正镜盘中心偏差，达到减小透镜中心偏差的目的。特别是对大口径透镜不合适定性磨边，在抛光过程中必须通过控制边缘等厚差的方法，达到中心偏差的要求。一块存在边厚差的透镜。可以看成是由一块无边厚差的透镜，再附加上一块楔形镜组成。tanaa,tanbb,ab,则C:Rt：D 则tC.D/R其中t透镜的边厚差； R球面曲率半径； D

7、透镜外圆直径； C透镜中心偏差。透镜的中心偏差是其几何轴与光轴在曲率中心处的偏离程度。曲率中心和光轴均是抽象的点和线，直接测出光轴对几何轴的相对位置是困难的，但是透镜存在中心偏时，必须通过一些现象反映出来，定心的方法不同，反映的现象也不同。定心的实质就是通过一定的方法，将透镜的两球心置于磨边机回转轴线上，从而把以光轴为基准的磨边过程，变成一机床轴为对称轴的修磨透镜外圆的过程。1-2新的定义与术语传统规定的中心偏差C的定义，不能表示光轴与几何轴空间相互位置的一般情况，所以，首先在德国和法国舍弃不用，而我国也在新的国标GB724287中提出新的术语和定义。本标准适应于由球面与球面或球面与平面组成的

8、且具有旋转对称边缘面的单透镜和胶合透镜。对于具有其他边缘形状的透镜（例如：矩形透镜）也基本适用。1.2.1定义及术语中心误差：光学表面定心顶点处的法线对基准轴的偏离量。中心误差是用光学表面定心顶点处的法线与基准轴的夹角来度量，此夹角称为面倾角，用希腊字母x表示。定心顶点：光学表面与基准轴的焦点。基准轴：用来标注、检验和校正中心误差的一条确定的直线，该直线应体现系统的光轴。光轴:单透镜两光学表面球心的连线：胶合透镜在理想情况下光轴是光学表面球心的连线。定心：校正中心误差的过程。若被定心的光学表面定心顶点处的法线与所选定的基准线重合，则该光学表面已经定好中心。若透镜诸光学表面定好中心，透镜的光轴即

9、与基准轴重合，则该透镜已经定好中心。1.2.2传统的中心偏差与新定义面倾角的关系1. 用透射式定心仪检验透射式定心仪检验出的是偏心差c,在数值上它用焦点像跳动圆半径来度量。透镜式定心仪检验出的偏心差e，要保证图纸规定的面倾角x的要求。单透镜两光学表面中有一个选作基准面时，则偏心差c与另一个光学表面的倾角的允许值，按下式计算： C=0.291(n-1)l,F.x.10-3式中：c偏心差，mm； X面倾角，（）；透镜材料的折射率；l,F透镜的像方程焦距，。当被检验光学表面球半径为有限值时，可根据x值换算出球心到基准轴的距离a，也可按检验出的a值换算出面倾角x值，即 a=x.R/3438=0.291

10、x.R10-3 式中：x面倾角，（）； a被检光学表面球心到基准轴的距离，mm； R被检光学表面球半径，mm；1-3 透镜中心误差各种表述之间的关系中心误差面倾角x、偏心差c、球心偏a，这三个反映中心误差的量是客观存在的物理量，但观察起来并不直观，需要通过仪器来测量。透镜边缘的厚度差，会直观反映中心误差，但很难测量准确。1.3.1 偏心差c与边厚差t之间的关系具有偏心差c的透镜相当于一个定心完好的透镜附加一个楔角为的楔镜，如图所示，若量仪测头与透镜表面接触轨迹圆的直径为D，则边厚差t=D。设图中H/为透镜的像方主点，平行于基准轴入射的平行光束会聚于F/点相当于透镜像方焦点，像方焦点F/对基准轴

11、的偏离量即像方主点H/对基准轴的偏离量c。若透镜折射率为n，像方顶焦距为l/F，则主光线在楔角为的楔镜上产生的偏向角为=（n-1）。所以透镜的偏心差c=l/F=(n-1)l/F，因此得 t=Dc/(n-1) l/F对于像方焦距为f/的薄透镜有t=Dc/(n-1) f/1.3.2 面倾角x与球心偏a的关系当被定心的光学表面曲率半径为R，则该面的面倾角x与球心偏a的关系由面倾角图可知a=0.291xR10-31.3.3 面倾角x与偏心差的关系当折射率为n、像方顶焦距为l/F的透镜其中一光学表面作为基准面时（基准面的中心误差为零），则透镜的偏心差c与非基准面的面倾角x之间关系为C=0.291(n-1

12、)l/Fx10-31.3.4 偏心差c与球心偏a的关系若透镜的两个光学表面的曲率半径分别为R1、R2，有图可知，a1=R1q1 ，a2=R2q2 ，1=c/ R1 , 2=c/ R2 , q1=1+, q2=2+,因此有C=（ a1R2- a2R1）/( R2 -R1)式中R1、R2要考虑符号关系，图中正透镜为正，为负。为了根据球心偏能保证球心差不超出公差，对于a1 、a2的符号考虑应以算得的偏心差值最大为准，所以，当R1、R2异号时，a1 、a2取同号；当R1、R2同号时，a1 、a2取异号。第二章 透镜的定心2.1加工工艺2.1.1洗净磨边除油发洗净 根据加工设计方法分为：1.先磨边，后抛

13、光。2.先抛光 ，后磨边。我选择后者，因为透镜经过加工后，由于定位误差，加工误差的影响，出现偏心误差，才定心磨边是改过透镜的基准轴与光轴不重合的工序，定心磨边的透镜可最大限度地减少中心误差和提高外圆尺寸精度。2.1.2定中心磨边可分为两个步骤完成： 1.定中心 在定心磨边机上寻找并确定透镜光轴与基准轴重合的位置，将中心误差限制在规定范围内。 2.磨边 将定心的透镜，经过磨边获得规定的中心误差。2.2透镜定心的种类和特点2.2.1表面反射像定中心特点：该方法简单、直观，定中心精度主要取决于操作者的经验和熟练程度，一般用于中等精度和要求不很高的零件。2.2.2 自准像定中心特点：适于直径小，曲率半

14、径小的零件成批生产。2.2.3光学电视定心法特点：提高工效和高精度磨边的要求。缺点是当透镜的像方焦点对基准轴的偏离量为零时，而光轴与基准轴仍有交角，透镜实际存在的中心误差无法反映出来。2.2.4机械法定中心特点：操作简单方便，生产效率高等优点，大批量生产中常用机械法定心和磨边。2.3机械法定中心有关工艺数据计算在经过夹头轴线的同一平面内，透镜表面两个夹持点的切线间的夹角称为零件的定心夹紧角。机械定心中，移动透镜的力F2随着夹紧角的减小而减小，也就是对于一定直径的夹头而言，力F2随着表面曲率半径的增大而降低，而定心正是靠力F2克服夹头端面与透镜表面间的摩擦力移动透镜来实现的。因此定心精度随夹紧角

15、减小而降低。根据反复实践和计算，机械定心极限夹紧角a0为：a0120 。极限夹紧角的意思在于：当一个透镜的定心夹紧角a17030当Z0.15时，定心可行；当0.15Z0.1时，则定心不可能，但精度较低；当0.1时，则定心不可能。虽然，在夹头直径不变的条件下，透镜曲率半径愈小，定心精度愈高。一般情况下，机械定心适于曲率半径不太大（R6100.1+0.10.1+0.10.3+0.2101818300.3+0.20.3+0.20.4+0.20.5+0.3305050800.4+0.30.2+0.20.7+0.80.8+0.4801200.5+0.40.3+0.31201500.6+0.5倒角的斜角根

16、据D/r的比值由下表给出。零件直径与表面半径的比值D/r倒角的倾角凸面凹面平面0.745。45。 45。0.71.530。60。1.52不倒角90。5.2 影响定心精度的因素影响定心精度的因素：5.2.1 机床主轴的径向跳动机床主轴径向跳动会造成透镜透镜基准轴的位置变化，因此，应使其径向跳动量小于定心精度。5.2.2 接头为了保证机械定心的精度，防止接头划伤透镜的通光表面，以及透镜粘结面的曲率中心与接头几何轴重合的程度，接头应满足以下要求：（1） 接头的几何轴与机床主轴的重合精度应高于定心精度；（2） 接头端面应与几何轴线严格垂直；（3） 接头端面应光滑，不能擦伤透镜表面，端面粗糙度Ra为0.

17、16以上；（4） 接头外径应比定心透镜名义直径小0.15mm0.30mm，并带有通气小孔，接头壁厚一般为1mm；（5） 接头具有一定的刚度，光学定心法接头用黄铜HPb591或H62；机械定心法可用黄铜或45号钢；（6） 对于机械定心，夹持透镜的两个主轴的同轴度也有要求，一般为0.005mm0.01mm。一般接头外径比透镜完工直径小0.2mm0.4mm。下图为光学法定心接头和机械法定心接头设计图5.2.3定心角对于机械法定心，除了上述两个影响因素外，透镜与接头的摩擦系数、透镜的曲率半径以及接头直径对定心精度也有影响。透镜与接头的摩擦系数越小，定心精度越高。对于弯月透镜，可用曲率半径较小的一面对直

18、径较大的接头，曲率半径较大的一面对直径较小的接头，以提高定心精度。5.3 影响定心的工艺因素在定心磨边机床、接头及定心角都合适的情况下，透镜磨边的精度与加工中磨轮粒度及转速、粘接胶、冷却液等工艺参数有关系。5.3.1 磨轮透镜的定心磨边通常采用金刚石砂轮或碳化硅砂轮，加工光学玻璃常用青铜结合剂，加工晶体可以用树脂树脂结合剂。其磨轮粒度按透镜的直径大小选择，对于大直径透镜，采用180#，小直径透镜采用240#或280#。磨轮的转速与透镜的直径有关系，直径越大，转速越高，一般为15m/s35m/s。下表给出了光学法定心和机械法定心的主要参数。各种定心方法的机器参数磨边方法光学法定心磨边机械法定心磨

19、边工作转速（r/min）200500310进刀量（mm）0.020.100.515.3.2 粘结胶磨边用的粘结胶的作用是将透镜粘结到接头上，它的主要成分是松香和虫胶漆，此外还有少量的蜂蜡和矿物油。由于特殊的应用环境，磨边胶应满足一些特定的要求：（1） 足够的强度，以保证透镜不会从接头上脱落；（2） 软化点低，以便稍加热即可调节透镜的位置；（3） 磨边后，容易清洗透镜和接头；（4） 良好的化学稳定性，不致腐蚀磨边透镜。5.3.3 冷却液磨边冷却液可分为油性和水性两种，具有粘度低、冷却性强、润滑性好等特点，同时不损害皮肤，对机床设备无腐蚀，对环境无污染。一般采用401#冷却液、GX水基冷却液等。另

20、外，透镜的磨边一般都是在抛光之后进行，因此，磨边时必须考虑抛光表面的防腐蚀处理，一般是在磨边冷却液中加入1%的抛光液稳定剂。5.4 磨边余量与磨边疵病一 定心磨边余量透镜完工直径（mm）310102020353555558080110大于110磨边余量（mm）0.81.41.82.22.633.5二 透镜定心磨边余量的计算透镜类型图示余量计算公式双凸t=D(D+D)(R1+ R2-d)/2R1R2双凹t=D(D+D)(R1+ R2+d)/2R1R2平凸平凹t=D(D+D)/2R正弯月t =D(D+D)(R2-R1+d)/2R2（R1-h1）负弯月t=D(D+D)(R1-R2-d)/2R1R2注

21、：t透镜边缘厚度差；D透镜直径；D直径磨边余量；R透镜的曲率半径（绝对值）；d透镜的中心厚差；h1曲率半径R1面对应的矢高。当计算得到的D大于6nm时，则应缩小t，也就是说通过控制透镜的边缘厚度保证D。当凸透镜的完工直径加上磨边余量后边缘厚度小于0.5mm时，则也应缩小t，通过控制透镜的边缘厚度保证D。一般情况下，用透镜的边厚差计算磨边余量。如下表：透镜的边厚差透镜口径D（mm）310102020353555558080110110边厚差t（mm）0.30.40.50.60.70.815.5 定心方法的比较及疵病分析一 各种定心磨边方法的精度如下表：定心方法精度（mm）备注表面反射像定心0.0

22、30.10精度中等适合小批量生产，对工人要求高，效率低自准直球心定心0.0050.04精度高透射定心0.010.10精度中等机械定心0.010.10精度中等，适合大批量生产，对工人要求低，效率高二 定心磨边常见疵病及产生原因如下表：疵病类型产生原因崩边（1） 砂轮粒度粗；（2） 进刀量太快或进给太快；（3） 砂轮本身不平衡； （4） 砂轮钝化或工作表面不平；（5） 砂轮轴跳动大 工件脱落（1） 进刀量过大；（2） 粘结胶太脆；（3） 零件与砂轮接触过猛；（4） 砂轮径向跳动大椭圆（1） 接头端面与其旋转轴线不垂直；（2） 机械定心磨边机的进刀凸轮不佳，弹簧压力不当；（3） 工件轴磨损或松动划伤（1） 接头端面粗糙度差；（2） 粘结胶布干净；（3） 倒角模半径取的不合适；（4） 机械定心压力不当，冷却液中玻璃末过多尺寸不准（1） 尺寸定位精度不佳；（2） 砂轮轴的精度低；（3） 工件轴的固有误差；（4） 机械定心压力小或磨削压力不当锥度（1） 砂轮柱面母线与主轴不平行；（2） 主轴导轨间隙过大；（3） 主轴的往复运动不在同一条直