引言

金刚石砂轮被广泛应用于研磨各种硬脆性材料，如玻璃、陶瓷、半导体等各种晶体材料。在精密光学加工中，尤其是大口径光学元件加工，超精密磨削加工应用越来越广泛。由于提高砂轮转速可以同时提高修整精度和修整率［１－３］，所以为了提高光学玻璃或光学晶体的表面质量，降低亚表面损伤，要求高精密数控光学加工机床主轴的工作转速比传统的立式铣磨机床高得多，一般为１００００ｒ／ｍｉｎ（传统的立式铣磨机床主轴转速一般为５００ｒ／ｍｉｎ［４］）。但是，作为一种高速旋转件，为了尽量减小机床的振动，提高机床主轴轴承的工作寿命，对金刚石砂轮的应用提出了更高的要求。本文为了解决上述问题，主要从机床心轴装夹方式的选取、金刚石砂轮结合剂及基底的选择和金刚石砂轮平衡方式的校正等方面进行了分析研究，并通过在光学玻璃上加工非球面的实例，得到了高质量的光学零件表面，验证了该方法的可行性。

１主轴装夹方式

铣磨光学零件时产生的表面疵病主要有菊花纹和麻点。麻点是由于金刚石砂轮线速度选择不当，进刀速度与工件转速配合不合适造成的，属加工工艺问题。菊花纹的产生主要是金刚石砂轮误差、振动和金刚石砂轮预紧力造成的［５］。因此，对于高速转动的金刚石砂轮，安装时的预紧力也需要得到控制。如果压紧力小，在光刀过程中就会因磨削力减小而引起金刚石砂轮振动增大，从而产生较密的菊花纹。精密光学制造与精密机械制造密切相关［６］。此次采用液压夹头取代传统的螺纹－锥度装夹方式进行装夹，解决了金刚石砂轮在高速转动时磨削力减小而产生菊花纹的问题。但是，由于液压装夹方式只在很小的工作尺寸段有效，一般为０．０２ｍｍ，并且被装夹件表面光洁度要求小于０．８，这就给金刚石砂轮的制造带来了不便。所以，采用夹头和金刚石砂轮分体的方法进行解决，这样不但加工方便，还降低了加工成本，即使金刚石砂轮报废，夹头仍可继续使用，液压夹头如图１所示。

２金刚石砂轮结合剂及基体

２．１结合剂的选取及使用

结合剂是把金刚石颗粒固结于砂轮基体上的物质。结合剂对磨具的使用寿命和磨削能力影响很大。因此，合理地选择结合剂对提高生产率和零件表面质量是很重要的。目前，国内外使用的结合剂有四大类：树脂结合剂，陶瓷结合剂，金属结合剂，电镀结合剂［７］。由于高精密数控机床主轴的工作转速较大，在铣磨时需要承受较大的载荷，同时还要保证光学材料的表面质量，所以选择金属结合剂中的青铜作结合剂材料。青铜结合剂的结合力强、耐磨性好、磨损小、使用寿命长。但是，其本身的自锐性稍差，钝化的金刚石颗粒不能及时脱落，磨削过程中易堵塞发热。青铜结合剂虽然有使用上的不足，但可采取措施进行解决。当自锐性变差或不再具有铣磨能力时，可把金刚石砂轮放入强酸盐中进行处理，处理时间为１０ｍｉｎ～１５ｍｉｎ，处理后的金刚石砂轮便可继续使用。磨削加工时，调整冷却液喷头的位置，使冷却液大量流过加工区域，把热量迅速带走，促使加工区温度降低。冷却液的分子附在工件表面上形成薄膜，减少了磨轮、磨削和工件间的摩擦，因而降低了金刚石砂轮在铣磨点的上升温度，这样可有效解决金刚砂老化的问题［８］。

２．２基体的选取

一般情况下，金刚石砂轮的基体主要由钢或铜构成。但是，由于钢或铜的密度较大，当钢或铜的组织分布不均匀或金刚石砂轮存在制造误差时，给平衡校正带来了很大的困难。经过比较，选取铝合金作为基体材料效果较好。铝合金不但质轻，而且不易生锈，制造成本又比较低廉，在平衡校正时效果明显优于钢或铜。

３金刚石砂轮结构

随着被加工零件表面质量的要求日益提高，金刚石砂轮工作转速也进一步提高。作为一种高速旋转件，对其平衡精度的要求也愈来愈高，其不平衡量值直接影响着金刚石砂轮工作时的振动大小以及机床的工作寿命和被加工对象的铣磨精度。因此选择合理的平衡方式尤其重要。由于光学零件铣磨加工时不能采取材料去除的方法校正金刚石砂轮的动平衡，所以在金刚石砂轮设计加工环节应当采取技术措施解决。为了铣磨加工前校正金刚石砂轮动平衡的不平衡量值到合理的范围内，在金刚石砂轮的基体上设计了能够校正动平衡用的阵列螺纹孔，结构形式如图２所示。

４平衡校正

４．１金刚石砂轮的动平衡概念

由于材料组织分布不均匀，机械加工误差以及装配误差等原因，使得通过金刚石砂轮重心的主惯性轴与旋转中心不重合，因而当金刚石砂轮高速旋转时将产生一个不平衡离心力。离心力的大小可由下式计算：Ｆ＝Ｍｅω２＝Ｍｅ（２πｎ６０）２（１）式中：Ｍ为金刚石砂轮质量（ｋｇ）；ｎ为金刚石砂轮的工作转速（ｒ／ｍｉｎ）；ｅ为金刚石砂轮重心与旋转轴线的偏移量（偏心距）（ｍ）；ω为金刚石砂轮的工作角速度（ｒａｄ／ｓｅｃ）。

由（１）式可知，金刚石砂轮旋转时的离心力大小与其质量Ｍ、偏心距ｅ的大小成正比，与其转速ｎ的平方成正比［９］。由于金刚石砂轮的工作转速在高精密数控光学加工机床上使用时非常高，即便有很小的不平衡量，也会产生非常大的不平衡离心力。离心力是造成机器振动的主要原因，严重影响着铣磨时的加工精度和机床的使用寿命，因此金刚石砂轮在使用过程中必须进行动平衡校正。

４．２金刚石砂轮的平衡校正

所谓金刚石砂轮的平衡，正如ＩＳＯ１９４０所定义，是检测以及在必要时校正金刚石砂轮质量分布的程序，以保证在工作转速下运转时，产生的振动和不平衡离心力在规定的范围内。此定义明确指出，对金刚石砂轮平衡时，并不要求其达到完全平衡，而是允许有一定剩余量。

４．２．１金刚石砂轮制造环节的静平衡校正

为了更好、更方便地提高光学零件的加工质量，在各个环节都应当尽量做好。在金刚石砂轮加工制造时，使用投影仪或偏摆仪设备进行平衡检测，采取去除基体材料的方法进行静平衡校正，使不平衡量值小于１ｇ。

5 结束语

砂轮良好的磨削性能、精密的加工设备和合适的加工工艺是精密磨削缺一不可的重要因素。实践证明，本文提出的方法很好地保证了零件的精度，达到了超精磨的水平，能大大提高后道抛光工序的加工效率，取得了较好的实际应用效果。