一种高平面度环型大口径反光镜的车削方法
阅读说明：本技术 一种高平面度环型大口径反光镜的车削方法 (Turning method of high-flatness annular large-caliber reflecting mirror ) 是由 杜泽东 滕翔宇 孙浩 陈万群 霍德鸿 丁辉 于 2021-05-07 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种高平面度环型大口径反光镜的车削方法,该车削方法的步骤为,S1、安装转接治具；S2、粗加工反光镜的第一面；S3、精加工反光镜的第二面；S4、补偿加工反光镜的第二面；S5、精加工反光镜的第一面；S6、补偿加工反光镜的第一面；S7、取下反光镜并清洁。通过转接治具的装夹以及设计,能够实现对反光镜的两个面进行加工并保证相应的精度,同时能够解决在加工过程中受力不均等现象；针对光学零部件高精度加工要求,在现有的精密机械加工设备基础上,通过改善工装治具结构、优化工艺、进行特定补偿等方法可实现高于机床自身精度的超精密加工。(The invention relates to a turning method of a high-flatness annular large-caliber reflector, which comprises the steps of S1, mounting a switching jig; s2, roughly machining a first surface of the reflector; s3, finely machining the second surface of the reflector; s4, compensating and processing the second surface of the reflector; s5, finely machining the first surface of the reflector; s6, compensating and processing the first surface of the reflector; and S7, removing the reflector and cleaning. Through the clamping and the design of the switching jig, the two surfaces of the reflector can be machined, the corresponding precision is ensured, and the phenomenon of uneven stress in the machining process can be solved; aiming at the high-precision machining requirement of optical parts, on the basis of the existing precision machining equipment, the ultra-precision machining higher than the self-precision of a machine tool can be realized by improving the structure of a tool jig, optimizing the process, carrying out specific compensation and the like.)
技术领域
本发明涉及精密仪器零部件的加工与生产，尤其是涉及一种高平面度环型大口径反光镜的车削方法。
背景技术
光学中平面镜是唯一能成完善像的光学元件，它不改变光束的同心性质，经平面镜反射后，发散的同心光束仍是发散的同心光束，会聚的同心光束仍是会聚的同心光束。
目前对于平面度要求高的光学零件加工通常选择磨削后研磨抛光的方式。但基于零件尺寸大、材料软的特点，此方法加工时受排屑不及时以及设备自身精度的影响，加工出的实际精度无法达到设计要求(平面度要求0.3um)。而靠人工或研抛设备进行研磨，虽可达到镜面的要求，但效率低下。
随着科技的发展，光学零件对加工精度提出了更高的要求。更高加工精度的实现，不仅仅依托于机床自身的精度，需要控制的因素还有很多，比如说工装治具装配累计误差等。所以对于诸多因素中，需要分析出影响最大的几个因素，并进行解决，对于切实存在而又无法消除的误差，则需要进行最后的加工补偿，以实现超精密加工。
发明内容
本发明是针对现有技术存在的问题，提供一种高平面度环型大口径反光镜的车削方法。
本发明解决上述问题提供的技术方案为：一种高平面度环型大口径反光镜的车削方法，该车削方法的步骤为，
S1、安装转接治具，将转接治具安装于机床主轴上；
S2、粗加工反光镜的第一面，将反光镜安装在转接治具上，粗加工反光镜的第一面；
S3、精加工反光镜的第二面，将反光镜翻转安装于转接治具上，以第一面为基准定位，精加工反光镜的第二面；
S4、补偿加工反光镜的第二面，取下反光镜并用圆度仪进行平面度检测，之后将反光镜以第一面为基准重新安装在转接治具上，根据检测结果并结合预先多次试验总结的规律，进行补偿加工；
S5、精加工反光镜的第一面，将反光镜再次翻转安装于转接治具上，以第二面为基准定位，对反光镜进行打圆处理，精加工反光镜的第一面；
S6、补偿加工反光镜的第一面，取下反光镜并用圆度仪进行平面度检测，之后将反光镜以第二面为基准重新安装在转接治具上，根据检测结果并结合预先多次试验总结的规律，进行补偿加工并达到所需平面度；
S7、取下反光镜并清洁。
进一步具体的，在所述的步骤S1中转接治具包括与机床主轴接触的第一转接面、与反光镜接触的第二转接面，所述的第一转接面与第二转接面平行度小于0.5μm。
进一步具体的，在所述的步骤S2中安装反光镜的方法为，首先通过反面吊螺丝的方法固定反光镜，之后在反光镜与转接治具接触的位置点胶，待胶液晾干后，拧松螺丝。
进一步具体的，在所述的步骤S2中对反光镜的第一面粗加工至见光即可。
进一步具体的，在所述的步骤S3中安装反光镜的方法为，选取大于反光镜中心孔且小于反光镜直径的压板，所述的压板盖住反光镜中心孔并通过固定螺栓将压板四周固定，进行打圆处理，之后在压板与转接治具之间安装定位螺栓，所述的定位螺栓位于反光镜的轴线上，最后将固定螺栓松开。
进一步具体的，在所述的步骤S4以及步骤S6中取下反光镜时作好标记，在重新安装反光镜时根据标记进行安装。
进一步具体的，在所述的步骤S5中安装反光镜的方法为，首先通过反面吊螺丝的方法固定反光镜，之后在反光镜与转接治具接触的位置点胶，待胶液晾干后，拧松螺丝。
进一步具体的，所述的步骤S4与步骤S6中多次试验总结规律的方法为，根据圆度仪的平面度测量结果及测量面型趋势，调整在轴向方向上的补偿加工值。
进一步具体的，所述的补偿加工的范围为：(0.5-1)×圆度仪测量结果。
进一步具体的，所述的步骤S4与步骤S6中补偿加工完成后要求平面度小于或等于0.3μm。
本发明的有益效果是：通过转接治具的装夹以及设计，能够实现对反光镜的两个面进行加工并保证相应的精度，同时能够解决在加工过程中受力不均等现象；针对光学零部件高精度加工要求，在现有的精密机械加工设备基础上，通过改善工装治具结构、优化工艺、进行特定补偿等方法可实现高于机床自身精度的超精密加工。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图；
图2是本发明的反光镜以第一面为基准的装夹结构示意图；
图3是本发明的反光镜以第二面为基准的装夹结构示意图。
图中：1、机床主轴；2、转接治具；3、反光镜；4、压板；21、第一转接面；22、第二转接面；31、第一面；32、第二面；41、固定孔；42、定位孔；43、定位螺栓。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
如图1-图3所示一种高平面度环型大口径反光镜的车削方法，该车削方法的步骤为，
S1、安装转接治具(2)。
首先，转接治具(2)通过普通车床加工完成之后，通过六角螺丝固定安装在机床主轴(1)上。
之后，在该机床上加工转接治具(2)的两个端面，两个端面包括与机床主轴(1)接触的第一转接面(21)、与反光镜(3)接触的第二转接面(22)，需要保证第一转接面(21)与第二转接面(22)平行度小于0.5μm。
S2、粗加工反光镜(3)的第一面(31)。
首先，需要将反光镜(3)安装在转接治具(2)上，其安装方法为，在反光镜(3)的第二面(32)开设带有螺纹的盲孔，通过螺丝将反光镜(3)安装于转接治具(2)上(反面吊螺丝)，固定之后，在反光镜(3)与转接治具(2)接触的位置进行点胶，放置一段时间待胶液晾干后，将螺丝拧松，保证在旋转加工过程中不甩出即可，这样做的目的是避免反光镜(3)因受力不均产生变形。
之后，通过机床对反光镜(3)的第一面(31)进行粗加工，加工见光即可，以加工好的第一面(31)为粗基准进入下一步骤。
S3、精加工反光镜(3)的第二面(32)。
首先，松开步骤S2的螺丝将反光镜(3)取下，以第一面(31)为粗基准安装反光镜(3)即第一面(31)与机床主轴(1)接触，其安装方法为，选取大于反光镜(3)中心孔且小于反光镜(3)直径的压板(4)(压板的直径略大于反光镜中心孔直径即可)，该压板(4)包括位于压板(4)中心的定位孔(42)以及围绕定位孔(42)均匀布置的固定孔(41)，将压板(4)盖住反光镜(3)中心孔并通过固定螺栓与固定孔(41)配合将压板(4)四周固定，对反光镜(3)进行打圆处理。
之后，在压板(4)与转接治具(2)之间安装定位螺栓(43)，定位螺栓(43)穿过反光镜(3)中心孔且同时位于反光镜(3)的轴线上，最后将固定螺栓松开，保证反光镜(3)在加工时无法甩出即可，这样做的目的是保证反光镜(3)受力均匀，不会因为受力不均导致变形。
最后，通过机床对反光镜(3)的第二面(32)进行精加工，材料去除量控制在0.01-0.02mm。
S4、补偿加工反光镜(3)的第二面(32)。
首先，将反光镜(3)的安装位置在转接治具(2)上进行标记，标记完成之后取下反光镜(3)，并用圆度仪进行平面度检测，将测量结果进行记录并结合预先多次试验总结的规律确定所需补偿加工的补偿值；
之后，将反光镜(3)按照事先标记好的位置以第一面(31)为基准面重新安装至转接治具(2)上，其安装方法为步骤S3的安装方法。
最后，通过机床在轴向方向上进行补偿加工，保证第二面(32)的平面度小于或等于0.3μm。
S5、精加工反光镜(3)的第一面(31)。
首先，取下反光镜(3)并翻转，以第二面(32)为基准定位将反光镜(3)安装于转接治具(2)上，其安装方法为，通过螺丝将反光镜(3)安装于转接治具(2)上(反面吊螺丝)，固定之后，在反光镜(3)与转接治具(2)接触的位置进行点胶，放置一段时间待胶液晾干后，将螺丝拧松，保证在旋转加工过程中不甩出即可。
之后，对反光镜(3)进行打圆处理。
最后，通过机床对反光镜(3)的第一面(31)进行精加工，在进行精加工之前，需利用机床千分表对反光镜(3)总高度进行测量，计算出余量，确定分几刀加工。除最后一刀外，每次加工完成后，利用机床千分表测量下，确认所剩余量。
S6、补偿加工反光镜(3)的第一面(31)。
首先，将反光镜(3)的安装位置在转接治具(2)上进行标记，标记完成之后取下反光镜(3)，并用圆度仪进行平面度检测，将测量结果进行记录并结合预先多次试验总结的规律确定所需补偿加工的补偿值；
之后，将反光镜(3)按照事先标记好的位置以第二面(32)为基准面重新安装至转接治具(2)上，其安装方法为步骤S5的安装方法。
最后，通过机床在轴向方向上进行补偿加工，保证第一面(31)的平面度小于或等于0.3μm。
S7、取下反光镜(3)并清洁，清理残余的胶水以及其他杂质，完成整个加工过程。
在上述加工完成之后，需要对反光镜(3)的两个端面进行检测，并出具最终的检测报告来说明反光镜(3)是否合格，最后可以对反光镜(3)进行打包出售。
由于反光镜(3)对平面度要求很高，故很多因素都会对结果进行干扰，比如说环境温度、安装累计误差以及工装治具变形等，因此，产品在加工过程中补偿变得尤为重要。
下面对预先多次试验总结规律得到补偿的方法进行说明：在同一环境下、同一加工设备下对产品进行试加工，并通过圆度仪进行测量，依据圆度仪的平面度测量结果及测量面型趋势，调整机床程序进行Z向(即反光镜的轴向)的补偿加工。由于是半径车削，故测量值不能直接输入进行补偿。同时，影响精密车削的因素诸多，也不能直接按测量值一半进行补偿。因此在保证加工与测量区域环境稳定的前提下，需进行多次实验，得出补偿值后，再进行批量加工。这里无法给出精确的补偿值，因为该补偿值是用来抵消切实存在而又无法消除的偏差，不同的加工测量设备则不尽相同。经过多次验证试验，建议补偿加工值在(0.5-1)×圆度仪测量结果之间。
综上，对于超精密光学零部件的加工，零部件在机床上的自测与拆下来圆度仪测量，两次测量结果存在偏差甚至截然相反，显然，我们需要以专业测量仪器检测结果为准，二者的差异在于是否存在受力不均，使工装治具或反光镜(3)发生微变，还有就是装配累计误差。第一，针对受力不均，在工装治具设计时，采用压板(4)中间锁螺丝压的方式以及点胶粘，使反光镜(3)四周受力均匀。第二，针对装配累计误差，在装配时尽量将转接治具(2)与零部件接触的面贴合，并且在拆之前进行标记，这样做的好处是在检测之后进行补偿加工时，尽量还原补偿前的加工位置。第三，保证在恒温恒湿加工环境下，针对切实存在且又无法消除的影响因素，进行特定的补偿加工。
针对光学零部件高精度加工要求，在现有的精密机械加工设备基础上，通过改善工装治具结构、优化工艺、进行特定补偿等方法可实现高于机床自身精度的超精密加工。
需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
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