金剛石工具在光學玻璃加工中的應用

 

隨著信息產業的迅速發展光學元件廣泛地應用在各種電子設備中,對其加工的精度和質量要求越來越高,傳統的加工工藝和工具很難滿足其加工要求,尤其在金剛石工具方面,無論從其結構和內在的質量方面的要求越來越特殊化,針對性要求越來越強。因此在該領域對傳統金剛石工具結構的改造和內在質量的提高就顯得越來越重要。

 

該領域的金剛石工具主要包括粗加工中銑磨平面和球面的銑磨砂輪,磨邊用的磨邊砂輪,精加工中的精磨片及面磨,超精片及拋光片；另外還有下料用的鋸片等。

 

銑磨砂輪

 

光學玻璃的銑磨是粗加工的主要方式,它分平面和球面銑磨砂輪。平面銑磨砂輪的直徑一般大于100mm,而球面銑磨的砂輪直徑一般小于100mm,砂輪粒度一般為60#～180#,濃度一般為50%～100%,結合劑為青銅。

 

金剛石磨邊砂輪

 

金剛石磨邊砂輪主要是對光學零件的外圓進行磨加工,其幾何形狀和尺寸見圖2和表2,其結合劑有兩種,一種是電鍍鎳基結合劑,一種為燒結青銅結合劑。其粒度一般在230/270-M28/20,濃度為電鍍的100%-200%,青銅的為50%-100%。

 

精磨片、超精磨片

 

精磨片和超精磨片是對粗加工后的光學零件進行精加工,使其在使用時充分展現它的光學性能。精磨和超精磨有平面加工也有球面加工。精磨片一般選用青銅、鐵基、鎳基或鈷基結合劑,而超精磨一般選用樹脂有機結合劑。精磨片粒度一般在325/400～10/5,濃度為100%~35%,而超精磨片粒度一般在14/8～7/5范圍內,濃度為50%～25%。

 

拋光片

拋光片主要是用于提高光學零件的表面光潔度,保證一定的光圈,同時降低表面變質層的加工。主要形狀如同精磨片和超精磨片,結合劑為樹脂,磨料為氧化鈰和少量的金剛石微粉。

 

光學玻璃加工中金剛石制品的合理選擇主要是指根據被加工光學玻璃元器件的形狀、牌號、加工質量要求和加工工藝,對金剛石工具的形狀尺寸、結合劑類型、金剛石粒度、金剛石濃度、結合劑軟硬度等進行選擇。一般的選擇原則為：

 

（1）根據加工方式及機床的精度來選擇金剛石工具的形狀尺寸和精度。

 

（2）根據加工原件的余量及表面的粗糙度來選擇金剛石工具的粒度。

 

（3）根據加工工件的大小和加工工序、金剛石工具覆蓋比的大小來選擇金剛石的濃度,尤其對精磨和超精磨加工。

 

（4）根據加工工件的工序和工件的牌號來選擇結合劑類型,尤其對精磨和超精磨。象精磨一般選青銅、鎳基、鈷基和鐵基;超精磨選樹脂結合劑。軟玻璃的精磨加工選擇青銅和鎳基。而硬玻璃及粘性較大的玻璃選擇鐵基和鈷基。

 

（5）根據加工光學零件的牌號、硬度和脆性大小來選擇金剛石工具的軟硬度以及結合劑強度。一般情況下,軟玻璃和脆性小的玻璃選擇結合劑的硬度低些;結合劑強度小些。而硬、脆玻璃選擇硬度高些;結合劑強度大些。

 

目前該領域金剛石工具的制造技術越來越高，主要表現在以下幾個方面:原材料方面,結合劑的粉料越來越細,一般顆粒直徑都小于40μm,有的可達到10μm以下，并且都是采用預合成的粉料。

 

金剛石的粒度組成范圍越來越窄,晶形越來越好,尤其在微粉級幾乎趨于等積體。各種的結合劑中都添加了微量的元素和化合物,旨在提高其磨削的效率。金剛石在結合劑中的分布一般采用了造粒工藝或充分的均勻混合。成型燒結采用有保護氣氛的熱壓燒結方式。

 

模具采用高精度耐高溫的金屬模具,燒出來的毛坯幾乎沒有氣孔,并且金剛石在燒結過程中強度幾乎沒有降低,制造出的毛坯都要經過嚴格的精加工,以保證它的型面和公差,同時保證其磨削鋒利度。

 

金剛石工具在使用過程中往往會出現各種各樣的問題,其影響了加工的成品率和效率,對生產成本和產品性能帶來極大的影響。這主要表現在金剛石工具的制造技術和內在的性能方面。

 

銑磨過程

 

在銑磨過程中常出現以下主要問題：

 

（1）粗糙度差

 

（2）打玻璃及崩口

 

（3）型面不穩定

 

（4）效率低,有深劃傷

 

這些問題主要與銑磨砂輪的粒度、同心度、濃度、結合劑的自銳性及砂輪的壽命和耐用度有關,解決這些問題從砂輪的制造技術上分析,主要調整結合劑的強度和金剛石濃度和粒度,同時必須保證砂輪的同心度。主要是提高金剛石的把持強度和降低結合劑的研磨硬度。

 

精磨和超精磨及拋光過程

 

精磨、超精磨及拋光過程是光學玻璃加工最關鍵的幾道工序,同時也是最易出現質量問題的幾道工序。該工序中的金剛石工具也是最難制做的,該過程中易出現的問題主要表現如下：

 

（1）工件易產生麻點

 

（2）光圈不穩定和光圈不規則

 

（3）表面粗糙度差

 

（4）工件破邊或崩口

 

（5）規則劃傷或不規則劃傷

 

（6）磨盤易鈍化

 

（7）切削效率低

 

以上這些問題大部分與金剛石工具的質量有關,應該從以下幾個方面進行改進：

 

（1）選擇合適的金剛石濃度,一般情況下是金剛石濃度偏高。

 

（2）提高結合劑的自銳性,主要是降低其研磨硬度和均勻性,減少低熔物偏析。

 

（3）降低金剛石片的覆蓋比,減少金剛石丸片的磨削面面積,或增加容屑空間。

 

（4）減少金剛石粒度的分散性和形狀的不規則性。絕不允許有大顆粒,同時也不容許細粒偏多。

 

（5）結合劑中加入準納米級的微量元素,以改變結合劑的性質。

 

（6）磨削液中加入少量的細顆粒磨料。

 

（7）提高樹脂耐水性和耐溫性,提高它的導熱性。

 

（8）降低丸片中的氣孔,減少結合劑的結晶尺寸。