金刚石工具在光学玻璃加工中的应用

随着信息产业的迅速发展光学元件广泛地应用在各种电子设备中, 对其加工的精度和质量要求越来越高,传统的加工工艺和工具很难满足其加工要求, 尤其在金刚石工具方面, 无论从其结构和内在的质量方面的要求越来越特殊化, 针对性要求越来越强。因此在该领域对传统金刚石工具结构的改造和内在质量的提高就显得越来越重要。

       该领域的金刚石工具主要包括粗加工中铣磨平面和球面的铣磨砂轮, 磨边用的磨边砂轮,精加工中的精磨片及面磨, 超精片及抛光片；另外还有下料用的锯片等。

       1、光学玻璃加工用金刚石工具的主要种类

       铣磨砂轮

       光学玻璃的铣磨是粗加工的主要方式, 它分平面和球面铣磨砂轮。平面铣磨砂轮的直径一般大于100mm, 而球面铣磨的砂轮直径一般小于100mm , 砂轮粒度一般为60#～180# , 浓度一般为50%～100%, 结合剂为青铜。

       金刚石磨边砂轮

       金刚石磨边砂轮主要是对光学零件的外圆进行磨加工, 其几何形状和尺寸见图2和表2, 其结合剂有两种, 一种是电镀镍基结合剂, 一种为烧结青铜结合剂。其粒度一般在230/270 -M28/20 , 浓度为电镀的100%-200%, 青铜的为50%-100%。

       精磨片、超精磨片

       精磨片和超精磨片是对粗加工后的光学零件进行精加工, 使其在使用时充分展现它的光学性能。精磨和超精磨有平面加工也有球面加工。精磨片一般选用青铜、铁基、镍基或钴基结合剂, 而超精磨一般选用树脂有机结合剂。精磨片粒度一般在325/400 ～ 10/5 , 浓度为100%~35%, 而超精磨片粒度一般在14/8 ～ 7/5范围内, 浓度为50 %～ 25 %。

       抛光片

       抛光片主要是用于提高光学零件的表面光洁度,保证一定的光圈, 同时降低表面变质层的加工。主要形状如同精磨片和超精磨片, 结合剂为树脂,磨料为氧化铈和少量的金刚石微粉。

       2、光学玻璃加工中金刚石制品的合理选择

       光学玻璃加工中金刚石制品的合理选择主要是指根据被加工光学玻璃元器件的形状、牌号、加工质量要求和加工工艺, 对金刚石工具的形状尺寸、结合剂类型、金刚石粒度、金刚石浓度、结合剂软硬度等进行选择。一般的选择原则为：

       （1）根据加工方式及机床的精度来选择金刚石工具的形状尺寸和精度。

       （2）根据加工原件的余量及表面的粗糙度来选择金刚石工具的粒度。

       （3）根据加工工件的大小和加工工序、金刚石工具覆盖比的大小来选择金刚石的浓度, 尤其对精磨和超精磨加工。

       （4）根据加工工件的工序和工件的牌号来选择结合剂类型, 尤其对精磨和超精磨。象精磨一般选青铜、镍基、钴基和铁基;超精磨选树脂结合剂。软玻璃的精磨加工选择青铜和镍基。而硬玻璃及粘性较大的玻璃选择铁基和钴基。

       （5）根据加工光学零件的牌号、硬度和脆性大小来选择金刚石工具的软硬度以及结合剂强度。一般情况下, 软玻璃和脆性小的玻璃选择结合剂的硬度低些;结合剂强度小些。而硬、脆玻璃选择硬度高些;结合剂强度大些。

       3、光学玻璃用金刚石工具的新制造技术

       目前该领域金刚石工具的制造技术越来越高，主要表现在以下几个方面:原材料方面, 结合剂的粉料越来越细, 一般颗粒直径都小于40μm, 有的可达到10μm以下，并且都是采用预合成的粉料。

       金刚石的粒度组成范围越来越窄, 晶形越来越好, 尤其在微粉级几乎趋于等积体。各种的结合剂中都添加了微量的元素和化合物, 旨在提高其磨削的效率。金刚石在结合剂中的分布一般采用了造粒工艺或充分的均匀混合。成型烧结采用有保护气氛的热压烧结方式。

       模具采用高精度耐高温的金属模具, 烧出来的毛坯几乎没有气孔, 并且金刚石在烧结过程中强度几乎没有降低, 制造出的毛坯都要经过严格的精加工, 以保证它的型面和公差, 同时保证其磨削锋利度。

       4、部分金刚石工具在光学玻璃加工过程中易出现的问题及对策

       金刚石工具在使用过程中往往会出现各种各样的问题, 其影响了加工的成品率和效率, 对生产成本和产品性能带来极大的影响。这主要表现在金刚石工具的制造技术和内在的性能方面。

       铣磨过程

       在铣磨过程中常出现以下主要问题:

       （1）粗糙度差

       （2）打玻璃及崩口

       （3）型面不稳定

       （4）效率低, 有深划伤

       这些问题主要与铣磨砂轮的粒度、同心度、浓度、结合剂的自锐性及砂轮的寿命和耐用度有关, 解决这些问题从砂轮的制造技术上分析, 主要调整结合剂的强度和金刚石浓度和粒度, 同时必须保证砂轮的同心度。主要是提高金刚石的把持强度和降低结合剂的研磨硬度。

       精磨和超精磨及抛光过程

       精磨、超精磨及抛光过程是光学玻璃加工最关键的几道工序, 同时也是最易出现质量问题的几道工序。该工序中的金刚石工具也是最难制做的, 该过程中易出现的问题主要表现如下:

       （1）工件易产生麻点

       （2）光圈不稳定和光圈不规则

       （3）表面粗糙度差

       （4）工件破边或崩口

       （5）规则划伤或不规则划伤

       （6）磨盘易钝化

       （7）切削效率低

       以上这些问题大部分与金刚石工具的质量有关,应该从以下几个方面进行改进：

       （1）选择合适的金刚石浓度, 一般情况下是金刚石浓度偏高。

       （2）提高结合剂的自锐性, 主要是降低其研磨硬度和均匀性, 减少低熔物偏析。

       （3）降低金刚石片的覆盖比, 减少金刚石丸片的磨削面面积, 或增加容屑空间。

       （4）减少金刚石粒度的分散性和形状的不规则性。绝不允许有大颗粒, 同时也不容许细粒偏多。

       （5）结合剂中加入准纳米级的微量元素, 以改变结合剂的性质。

       （6）磨削液中加入少量的细颗粒磨料。

       （7）提高树脂耐水性和耐温性, 提高它的导热性。

       （8）降低丸片中的气孔, 减少结合剂的结晶尺寸。