影响光学玻璃镜片磨削表面质量因素分析

汪军辉

一、前言

随着近年来高端显微仪器、机器视觉、自动驾驶等光学应用领域的高速发展，对于传统光学元件的玻璃镜片提出了更高的品质要求，其中光学玻璃镜片磨削表面的表面质量是影响光学镜头质量的重要因素之一。以下通过影响光学玻璃镜片磨削表面质量主要因素的研究，提出了合理的加工工艺参数选用原则。

二、磨削表面质量的主要表现及其影响因素

光学玻璃镜片磨削表面的表面质量包含：表面粗糙度、微裂纹烧伤和破边崩口等项目。影响光学玻璃镜片磨削表面质量的主要因素有：设备精度、砂轮精度、磨粒尺寸、磨削用量、磨削液种类。

2.1设备精度的影响

我司现有用于玻璃磨削的全伺服系统磨边机砂轮轴最高转速为4300r/min。回转精度可达1 μm以内;砂轮进给精度为1 μm;工件主轴旋转速度为0.1～200r/min，该设备的磨削深度能控制到1 μm。在磨削过程中，采用2.5～3.5L/min流量的冷却液对工件进行冷却。

在相同磨削条件下验证可以得到，对镜片磨削表面质量影响最大是砂轮轴的动平衡，其次是砂轮轴的回转跳动精度。

2.1.1砂轮轴的动平衡：

在磨削过程中砂轮旋转时，砂轮圆周轴向截面上参与磨削的磨粒数量越多，所得到的加工表面的表面质量越好。而砂轮轴动平衡不好时产生的主轴震动会减少参与磨削的磨粒数，从而导致镜片表面质量粗糙。2.1.2砂轮轴的回转跳动精度：

砂轮轴的回转跳动直接影响镜片的表面质量。降低砂轮轴的回转跳动可有效改善镜片的表面质量。主要有两种方法：

①通过砂轮安装时对砂轮偏振调整来降低，

②设备安装好的砂轮磨在线磨合后，砂轮磨削面也会得到较好的跳动度。

目前设备缺点是主轴动平衡不好时只能通过降低砂轮轴转速来对应，且收效甚微。

2.2砂轮精度的影响

用于磨边的砂轮是指金属基体的电镀金刚石砂轮，也称為“砥石”。

砂轮跳动精度是影响玻璃镜片磨削表面质量的重要因素，砂轮跳动越大表面粗糙度越大，越容易造成镜片磨削位置的破边崩口现象。砂轮跳动会随着砂轮金刚石电镀层的磨损得到改善，这样现象我们称之为砂轮“磨合”。

2.3磨粒尺寸的影响

金刚石砂轮的磨粒尺寸一般用金刚石过滤筛网目数表示，磨边砂轮通常选用范围在320#～500#之间，相对应金刚石粒径为42μm～34μm。砂轮磨粒尺寸越小，同时参与磨削的磨粒越多，磨刃密度系数越大，越能得到较好的表面粗糙度。

但较小粒径砂轮的磨削深度和磨粒尖角变小，砂轮排屑能力和材料去除率下降，在针对材质偏硬的镜片时容易造成“挤压式”磨削，在已加工面留下微裂纹和表面应力，这样的镜片到涂墨工序后会出现“白点”不良。（见图1、图2）

过小粒径的砂轮磨削，还会由于磨削过程镜片旋转受到磨削阻力变大，当镜片形状决定的倒角与通光面夹角较小时，磨削阻力容易导致该位置发生脆性断裂，形成破边崩口。

所以选用砂轮粒度并不是越小越好，要根据产品材质合理选型，镜片材质硬（磨耗度小）的产品应选择粒度大磨粒的砂轮型号，反之同理，镜片材质软（磨耗度大）则选择粒度小磨粒的砂轮型号。

2.4磨削用量的影响

磨削用量包括砂轮速度vs、工件速度vw、进给量fa、磨削深度ap和光磨次数。磨削用量对磨削加工表面质量和生产效率有很大影响，见表1：

在生产实践中，磨边工艺磨削用量中砂轮转动速度vs是常数，工件速度vw（镜片夹具轴转动速度）影响磨削表面质量影响较大，工件速度vw（镜片夹具轴转动速度）越小粗糙度越小。

在大多数情况下，产品的生产效率与表面质量在磨削用量的选用中体现成反比关系。唯一不同是，在生产实践中磨削深度ap对磨削表面的表面粗糙度影响较小，过小的磨削深度ap反而会增加镜片倒角位置破边崩口的发生概率。

2.5磨削液的影响

磨削过程中的磨削液主要起到冲洗排屑、冷却和润滑作用。出于对高精度机床的保护，油性磨削液使用更为广泛。相较于油性磨削液，水性磨削液冷却效果更好，在形状易发生内裂产品的破边问题改善上收效极佳。

生产过程中磨削液为循环使用，当磨削液中磨削下来的玻璃粉浓度较高时，会有部分玻璃粉填充到砂轮的金刚石磨粒的间隙内，使得砂轮的磨刃深度变浅，材料去除率下降，镜片磨削表面亚损伤层的微裂纹加深，影响磨削的表面质量。所以通常磨削液循环系统中会配有高速离心机或压滤机来处理磨削液的洁净度问题。

所以从设备角度来说，只有掌握优良的设备精度、砂轮精度、磨粒尺寸、磨削用量以及磨削液种类，才能改善玻璃镜片磨削表面质量。

三、合理的加工工艺参数选用原则

我司的加工工艺主要体现在以下几项：

（1）首选用砂轮主轴动平衡好的设备来生产磨削表面质量高要求的玻璃镜片;

（2）根据产品材质特性选用砂轮粒度型号，镜片材质越硬（磨耗度小）的产品应选择粒度大磨粒的砂轮型号，反之同理，镜片材质越软（磨耗度大）则选择粒度小磨粒的砂轮型号;

（3）在确保产品品质与提升生产效率两个方面考虑，合理选用磨削用量，找到产品的最佳良品条件。其中磨削深度对已磨削表面的质量影响最小，可适当加大磨削深度可提高生产效率;

（4）根据产品形状材质选用油性或水性的磨削液，保持磨削液的洁净度对磨削表面质量有帮助。

合理的加工工艺参数选用，既能保证产品质量和生产效率，又能节约人力和资金。