多面反射镜的超精密切削

多面反射镜的超精密切削一、多面反射镜过去多面反射镜只用作测量角度的标准光学元件，在一般情况下，是用它作为测量回转工作台分度精度的角度标准。

随着科学技术的发展，多面反射镜的用途也在不断地扩大，目前广泛地用于激光扫描的装置中，即让多面反射镜高速回转，使照射在多面反射镜上的激光束进行扫描。

利用多面反射镜制作的激光扫描装置用途很广，例如在激光打印机上使激光通过多面反射镜在感光鼓筒上进行扫描，而实现高速印刷。

除此之外，还在检查轧制钢板的表面缺陷及检查胶片等的缺陷，零件、物品等的识别，用a岛激光淬火、焊接等装置上都要使用多面反射镜。

在上述的各种用途中，以用在激光打印机上的多面反射镜精度最高、最有代表性。

图7-20所示是激光打印机的原理图。

多面反射镜是构成激光打印机的核心零件，只有多面反射镜的精度高，反射率高，打印机才能有高的析像度，像汉字、画像这样复杂的图像才能高速地印刷。

因此要求多面反射镜的几何形状精度高，反射镜面的粗糙度R。

值低。

图7—21所示是激光打印机用多面反射镜的技术要求。

从图中225可以看出，镜体的平行度和平面度精度均为0．5f,tm，镜面的角度误差在1“～y，而镜面所要求的粗糙度为R，0．01,ttm，平面度要求为A／5～2／10(Ne—Ni激光A=0．682 8『』m)c在一般情况下，作为激光反射镜必须满足的加工精度是：形状精度(平面度)低于0．1“m，表面粗糙度R。

0．01弘m，表面反射率大于85％，而且没有散乱光和衍射光。

过去因多面反射镜形状复杂，对几何形状精度和表面粗糙度的要求很高，故多采用研磨的方法进行加工。

图7—22为其工艺路线，因为加工工艺复杂，效率较低，所以成本很高。

近来由于多面反射镜用途的不断扩大，用研臃方法进行加工已远远满足不了要求，因而开发了丹j 铜及铜铝系合金等软金属以及塑料等材料，采用金刚石刀具超精密切削加工出多面反射镜的技术，其工艺路线见图7-23。

加工多面反射镜采用超精密切削与采用研磨相比，可以看出：采用超精密切削，工艺路线大大地l一感光滚筒：2一激比发振器；3～数字信号：4一电fi十算机；5一变调器；6-一激光束放大器；7一多【酊反射镜；8一壤焦透镜。

缩短，减少了热处理、电镀等工序；不会在被加工表面上残留有磨料，也不会出现研磨时常有的塌边现象；可以批量生产，因而成本低。

近年来通过大量的试验研究，采用金刚石刀具的超精密切削方法，不仅可以加工像多面反射镜这样较小的反射镜面，而且还可以加工各种平面镜、球面镜、非球面镜和透镜等大直径的镜面。

尽管采用金刚石刀具切削加工镜面有许多优点，但因这还是个新技术，无论是在加工机床、金刚石刀具的形状角度、被加工材料的可加工性、切削方法、切削条件、镜面的评价方法等方面，还存在许多问题需进一步深入地研究和探讨.二、多面反射镜加工机床及其特点切削加工是基于机床的复映原则进行的。

要得到镜面和必要的几何形状精度，就必须有相应高的机床精度和性能。

多面反射镜的加工机床是按第二章第六节所介绍的各种超精密加工用的各部件组合而成的。

回转主轴与直线运动导轨均采用空气静压轴承支承。

国外有一种金刚石刀具切削力U_-L多面反射镜用的机床，它有两个正变并单独驱动的高精度空气静压回转主轴。

左边的主轴为装夹工件(多面镜)用，它可以按多面镜的分度要求进行精确分度。

右边的主轴用于安装金刚石刀具，它具有精确的进给和走刀机构。

用这种机床切削加工的庐40mm，厚度8mm的八面体铝合金反射镜。

面积为15．3ram×8rnm的各镜面的平面度均可低于0．2”m，粗糙度值低于R。

0．02,urn。

所用的时间仅为用研磨加工的数十分之一。

另一种超精密切削多面反射镜专用机床的回转主轴采用超精密球面空气轴承支承。

导轨为超精密直线运动空气静压支承导轨。

它是加工激光打印机用多面反射镜的专用加工机床，以铣削方式进行加工。

其铸铁床身具有很高的结构刚度，在其上安装具有双V型导轨的床鞍。

由床鞍进行吃刀进给和定位。

安装工件的工作台可以直线运动，采用空气静压支承。

工件的走刀、进给通过介于驱动装置之间的空气静压联轴器来实现。

工件装在特制的多齿盘分度：【作台上，其分度精度为l”。

刀具安装在刀具主轴的刀盘上。

主轴采用球面空气静压主轴，刀盘上装有两个金刚石刀具，它可以精确地调整刀尖高度，使一个刀具进行粗加工，另一个刀具进行精加工，即粗、精加工同时进行。

机床的全部操作均集中在操作台上。

此外，还有切削用的喷雾装置和切屑、尘雾的收集装置等。

在此机床上可以加工内切圆及庐30～4，200mm的多面反射镜。

反射镜的面数可以由多齿分度盘确定，面数不限，可以自由选择。

为了能成批、稳定地切削加工出合格的多面反射镜，不仅机床本身要有足够的精度，足够的刚度、热稳定性和排除机床内部的振动装置，而且对环境也有严格的要求。

为了得到长时间的热稳定性，必须把机床设置在恒温间里。

要用空气弹簧隔断外部的振源，同时也要求供给空气静压轴承和导轨的空气温度和压力稳定。

三、金刚石刀具及其调整镜面加工用的金刚石刀具，不仅要仔细地选择制作刀具的金刚石原料及其结晶方位，而且刀具的切削刃要锋利，不允许有缺损。

刀具前刀面和后刀面均不允许有研磨的条痕。

切削反射镜面的金刚石刀具有两种：用于粗加工的刀具刀尖半径小，通常为5～lOmm；用于精加工的刀具刀尖半径大，刀尖半径大于760ram或为直线切削刃刀具。

刀尖半径小(5～lOmm)的刀具调整容易，由于挤光量小和切削力小，所以因切削而产生的残留应力也小，可以得到高平面度的表面。

另外在刀具磨损的情况下，可以使刀具的切削点错开，从而延长刀具的使用寿命。

但是因为刀尖半径小，要想得到没有切削条痕、没有衍射和散乱光的表面，将是很困难的。

刀尖半径大或直线切削刃刀具，如果刀具的位置调整得适当，由于挤光效应，可以得到没有切削条痕的良好镜面。

但要正确地调整刀具的位置，使其处于良好的切削状态是很棘手的问题，必须有丰富的切削经验才能很好地掌握它。

刀具半径大或直线切削刃刀具，切削力大，工具的调整状态和切削刃的锋利性，将影响切削表面的平面度。

而且由于挤压而产生的残留应力，也将使平面度变坏。

综上所述，镜面切削所用的刀具在很大程度上决定了被切削表面状态。

为了得到没有衍射光和散乱光的镜面，夹持刀具的夹具应具有很好的微调机构。

根据经验，在刀具的调整范围内，在走刀的方向上使刀具稍微向前倾斜，可以得到较好的切削效果。

为了使被切削的表面没有切削条痕，不要使用刚经过刃磨的新刀具，采用已经用过一段时间并具有初期磨损状态的刀具较好。

究竟什么样的初期磨损状态为好，目前还不能定量地确定。

按经验对于新刀具最好先用10～30tzm大的吃刀深度进行一段时间切削，以促进刀具的初期磨损，然后再正式使用。

这样可以在较短的时间内获得良好的镜面。

随着切削的进行，将在刀具的刀口上附着如图7-24(口)所示的熔着物，看上去好像产生了磨损，实际上不是磨损，它对切削没有影响。

用4096的氢氧化钠(NaOH)溶液可以很容易地将其清洗掉。

图7—24(b)示出经清洗后去掉熔着物的切削刃，可以看出切削刃仍良好无损。

四、多面反射镜的材质与镜面加工1．反射镜的材料因多面反射镜在使用中要进行高速回转，制造多面反射镜的材料要有足够的强度，可以承受高速回转所产生的离心力，且可用金刚石刀具超精密切削加工成镜面。

此类材_jls以铝合金最为合适。

但经试验证明，并不是所有的铝合金均可以／jn-r成镜面，即使是同一牌号的铝合金，因生产厂家不同，加工效果也不同，有的甚至不能加工出镜面。

从光学镑面的观点出发，对材料中的夹杂物的大小和数量都要有要求。

一般情况下不经切削试裂是很难判断出是否可以加工出镜面来的。

目前，多面反射镜多用AI—Mg合金，硬度为58HB，这种材料的夹杂物，结晶颗粒和晶界状况都较好。

但是由于材料的硬度差和结晶方位的各向异性的影响，在被切削的表面上将产生加工段差或产生切削痕。

图7-25所示是铝合金在镜面切削时因结晶的各向男性和硬度差所产生的加工段差和切削痕迹。

对铝合金来说，加工段差的高度可以说是递种材料的表面粗糙度的加工极限。

目前激光打印机的光源已从He—Ne激光变为半导体激光，从而使打印机小型化，躏低了成本。

但是铝合金的多面反射镜对二者的反射率却有一定的差别。

对He—Ne激井(波长A=0．623 8tan)的反射率可达90％，而对半导体激光(波长A=0．780-0．80胂)雕反射率则只有85％--87％。

因此在使用半导体激光的打印机中，所使用的多面反射镜茑是在铝合金的反射镜面上，真空镀上一层金膜，或是使用无氧铜的多面反射镜。

但是镀盒膜将使成本提高。

而用无氧铜的反射镜，因其密度比铝合金重3倍多，这将使轴承的负布增大，这不但增加了设计高速回转轴承部分的困难，而且也影响使用寿命。

除上述材料外，也有在铝合金上镀上一层非电解镍，然后再经金刚石刀具超精密蔹削。

但是因为镀层的质量不均匀，再加上成本高，与切削铝合金相比，刀具的寿命低等缺点，故使用不多。

目前正在对没有夹杂物和结晶晶界、密度又很小的丙烯酸酯、聚碳酸酯等树脂材料进行试验，制作多面反射镜。

2．镜面的加工多面镜镜面部分的加工是多面镜加工的最后一道工序。

将其部分已加工好，镜面部分也经过粗加：【的工件，安装在夹其中，然后在机床的多齿分度盘上经定心后夹紧。

根据：工件的材质，尺寸大小和多面镜的面数，确定加工条件。

若是全自动专用机床，只要将加工条件输入给控制系统，然后开动机床，便可以全部自动地完成所有镜面的加工。

如果不是多面镜的专用机床，则需每加工完一面后，根据要求用多齿分度盘分度后再加工下一个镜面。

为了提高生产效率，可将数个多面镜装夹在一个心轴上进行多件加工。

切削镜面时，在刀具主轴的刀盘上装有两把金刚石刀具，其中一把是刀尖半径为R5ntm的烧结金刚石刀具，用它进行粗加工；另一把是刀尖半径大或直线切削刃的：疋然单晶金刚石刀具，用它进行超精密加工。

这两把刀具在刀盘上安装时，在刀盘的径向E两把刀具要互相错开。

在轴向上精加：【二用的刀具应比粗加工用的刀具高出一精加工余量，这样在一次走刀中便可以同时完成粗、精加工。

粗加工的余量不能取得太大，如果粗加工余量太大，在被切削表面的四周将产生毛刺，为此粗加工的吃刀深度一般取0．05～0．1 ITllTI为宜。

根据所要求的表面粗糙度和刀具调整的状态，采用不同的切削加工条件。

表7—7列出铝镁合金多面反射镜的切削加工条件，如果粗、精加工在一次走刀中同时进行时，则应按精加工选取切削加工条件。

目前，切削速度与金刚石刀具寿命之间的关系尚不明确。

所以在选择切削速度时，主要考虑要避开机械的共振区，也要提高加工效率。

一般刀盘的转速在1500～2500r／min (切削速度500～900m／min)时较合适。