本发明涉及光学零件加工领域，具体涉及一种平凸柱面镜的加工方法。
背景技术：
平凸柱面镜是一种能将点光源变成线光源的光学转换元件，被广泛应用于光学仪器、光电传感器等领域。随着科技的进步，航空航天、光学和电子等高、精、尖领域对平凸柱面镜加工的技术指标要求越来越高，例如，普通平凸柱面镜要求两端弧高差值小于0.020mm，而高精度平凸柱面镜要求两端弧高差值小于0.003mm。弧面和平面面型、弧高以及两端弧高的一致性是影响平凸柱面镜使用性能的关键指标。
目前，平凸柱面镜的加工方法主要有两种。一种是采用专用的柱面镜研磨抛光机，其方法是先将柱面镜的平面部分研磨抛光，再将平面部分用熔融的松香石蜡粘在做好的模具上，模具装卡在机床的工位上，做左右往复运动，柱面镜轴向与运动方向相同，用做好的弧形磨具放在柱面镜毛坯上，磨具与传动杆连接做前后方向的往复运动，这样柱面镜毛坯与磨具之间发生相对运动，实现材料的磨除并使磨具内表面的弧面面型复制给柱面镜，完成平凸柱面镜的柱面部分；该方法可以批量加工平凸柱面镜，但有以下缺点：(1)由于松香石蜡胶的厚度很难保证均匀一致，导致柱面镜两端厚度差较大；(2)磨具在磨削过程中会发生磨损，导致柱面镜柱面弧度偏差大、一致性差；(3)柱面镜与模具粘在一起，不便于尺寸的测量；(4)不适用于多半圆平凸柱面镜的加工。另一种方法是采用数控加工中心，其方法是将毛坯装卡于工位上，高速旋转的磨头和抛光头对柱面镜进行成型磨削和抛光，加工过程由编号的代码程序控制；该方法加工精度主要取决于数控加工中心的控制精度，可加工任意尺寸平凸柱面镜，但一次只能加工一个工件，耗时长，效率低。因此，现有的平凸柱面镜加工方法和设备均无法在精度和产能方面同时满足高精度平凸柱面镜的需求。
技术实现要素：
本申请实施例通过提供一种平凸柱面镜的加工方法，解决了现有的平凸柱面镜加工方法精度低和效率低的问题，本申请的加工方法通用性强，尺寸控制精度高，且能实现平凸柱面镜的批量加工。
为达到上述目的，本申请实施例主要提供如下技术方案：
本申请实施例提供了一种平凸柱面镜的加工方法，包括以下步骤：
(1)将玻璃毛坯料粗磨成圆柱，再对圆柱的柱面依次进行精磨和抛光，使抛光后的圆柱半径在所要加工的平凸柱面镜的半径尺寸要求范围内；
(2)将抛光后的圆柱与平面模具浇铸成盘，沿圆柱轴向方向将圆柱多余柱面磨削成平面，形成平凸柱面镜初样；将平凸柱面镜初样脱模，再对平凸柱面镜初样的平面依次进行研磨和抛光，使抛光后的平凸柱面镜初样的弧高在所要加工的平凸柱面镜的弧高尺寸要求范围内；
(3)对抛光后的平凸柱面镜初样的两端进行端面磨削，得到平凸柱面镜成品，所述平凸柱面镜成品的长度在所要加工的平凸柱面镜的长度尺寸要求范围内。
作为优选，所述步骤(1)中，所述玻璃毛坯料粗磨得到的圆柱的半径比平凸柱面镜所要求的半径大0.1～0.5mm，圆柱长度比平凸柱面镜所要求的长度大4～7mm；所述圆柱经精磨后的半径比平凸柱面镜所要求的半径大0.01～0.03mm。
作为优选，所述步骤(2)中，所述圆柱经磨削得到的平凸柱面镜初样的弧高比平凸柱面镜所要求的弧高大0.1～0.5mm；所述平凸柱面镜初样的平面经研磨后，平凸柱面镜初样的弧高比平凸柱面镜所要求的弧高大0.01～0.03mm。
作为优选，所述平面模具的上表面和下表面之间的平行度小于10″，所述平面模具的上表面的平面度和下表面的平面度均小于0.5λ，其中λ为平面度检测用波长且λ＝632nm。
作为优选，所述浇铸成盘的步骤为：加热平面模具，将圆柱轴向水平摆放在平面模具上，将加热熔化的石蜡倒在平面模具上，使石蜡的液面高度不超过平凸柱面镜所要求的弧高，待石蜡冷却成型即可。
作为优选，所述步骤(2)中对平凸柱面镜初样的平面进行研磨的步骤为：将塑料薄膜与平凸柱面镜初样的弧面密封胶合；将游星片置于双面研磨机的工作区，再将平凸柱面镜初样以平面朝下放入游星片上的卡槽内，将游星圈叠放在游星片上，将平面重量块放入游星圈内并压于平凸柱面镜初样上，将游星片和游星圈分别与双面研磨机的齿圈啮合后，采用双面研磨机对平凸柱面镜初样的平面进行研磨；
对平凸柱面镜初样的平面进行抛光时将双面研磨机更换为抛光机，按照与平面研磨相同的操作步骤进行抛光。
作为优选，所述游星片的厚度比平凸柱面镜初样的弧高小1-3mm；所述游星片上的卡槽为长方形，所述卡槽的长度方向与游星片的径向垂直，所述卡槽的长度比平凸柱面镜初样的长度大0.5-1mm，所述卡槽的宽度比平凸柱面镜初样的直径大0.5-1mm。
作为优选，所述平面重量块为重量分布均匀的圆盘，所述平面重量块的下表面的平面度不大于0.5λ，其中λ为平面度检测用波长且λ＝632nm。
作为优选，所述步骤(3)中进行端面磨削的步骤为：先将塑料薄膜分别与平凸柱面镜初样的弧面和平面密封胶合，再采用端面磨削模具将平凸柱面镜初样轴向垂直固定于平面磨床工作台上，先磨削平凸柱面镜初样的一端面，再将平凸柱面镜初样翻转并固定后，磨削另一端面。
作为优选，所述端面磨削模具由第一模具和第二模具组成，所述第一模具和第二模具将置于第一模具和第二模具之间的平凸柱面镜初样夹持；所述第一模具的夹持面上设有从上至下的V型通槽，所述V型通槽的开槽方向与第一模具的下表面垂直且V型通槽的开槽底角从上之下均相等；所述第二模具的夹持面与第二模具的下表面垂直。
作为优选，所述第一模具和第二模具的材质均为铸铁；所述第一模具和第二模具的夹持面高度均为平凸柱面镜所要求的长度的3/4～9/10。
作为优选，所述塑料薄膜的厚度为0.01～0.05mm，且厚度允许偏差为±0.003mm。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明实施例通过改变常规的先加工平凸柱面镜的平面再加工其弧面的加工方法以及采用数控加工中心的低效率的加工方法，先将玻璃毛坯料加工成圆柱，再将圆柱浇铸成盘后加工平凸柱面镜的平面同时形成要求尺寸的弧面，不仅可以提高加工的精度，而且可进行批量加工，大大提高了加工效率，通用性强。
附图说明
图1为本发明实施例的平凸柱面镜加工方法的流程图；
图2为本发明实施例的平凸柱面镜的立体图；
图3为本发明实施例的平凸柱面镜的主视图；
图4为本发明实施例的平凸柱面镜的俯视图；
图5为本发明实施例的游星片的结构示意图；
图6为本发明实施例的游星圈的结构示意图；
图7为本发明实施例端面磨削模具的第一模具的结构示意图；
图8为本发明实施例端面磨削模具的第二模具的结构示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
本发明实施例按照如图1所示的加工流程，以长度L为50±0.020mm，半径R为5±0.002mm，弧高H为6±0.002mm的加工尺寸和精度对平凸柱面镜进行批量加工，其中平凸柱面镜的结构如图2、图3和图4所示，加工方法具体包括以下步骤：
(1)将长方体玻璃毛坯料装卡在外圆磨床的头架与尾架之间，采用#150树脂烧结金刚石砂轮将其磨削成圆柱，磨削后圆柱的半径为5.500±0.002mm，长度为55±0.1mm；将#150树脂烧结金刚石砂轮更换为#400树脂烧结金刚石砂轮，对圆柱的柱面进行精磨，精磨后圆柱的半径为5.010±0.002mm；将#400树脂烧结金刚石砂轮更换为羊毛毡抛光轮，对圆柱的柱面进行抛光，抛光后圆柱的半径为5±0.002mm，其中抛光所使用的抛光浆料优选为氧化铈抛光粉与纯水按体积比1:2-1:4组成的混合物。
(2)将抛光后的圆柱与平面模具浇铸成盘，其步骤为：将平面模具放在加热板上，将平面模具的温度加热至60℃-90℃，将多个圆柱轴向水平摆放在平面模具上，将加热熔化的石蜡倒在平面模具上，用挡板围挡在平面模具四周，防止熔化的石蜡流出，控制倒入的石蜡量，使石蜡的液面高度不超过平凸柱面镜所要求的弧高，待石蜡冷却成型后拆除平面模具四周的挡板，即完成浇铸成盘，其中所用的平面模具的上表面和下表面的平行度小于10″，平面模具的上表面的平面度和下表面的平面度均小于0.5λ，其中λ为平面度检测用波长且λ＝632nm，平面模具的厚度可为10～20mm，平面模具的材质为铸铁。
将上述浇铸成盘的圆柱和平面模具放在平面磨床的工作台上，打开平面磨床的电磁吸盘开关，使平面模具牢固的吸在平面磨床上；采用#80树脂烧结金刚石砂轮沿圆柱轴向方向将圆柱多余柱面磨削成平面，形成平凸柱面镜初样，在磨削的过程中，同时检测并计算平凸柱面镜初样的余留弧高，使磨削后平凸柱面镜初样的弧高达到6.2±0.002mm，其中平凸柱面镜初样的余留弧高的检测和计算方法为：用测量工具测量平面模具与圆柱余留部分的总厚度，再减去已知的平面模具的厚度，得到圆柱余留部分的厚度，即平凸柱面镜初样的余留弧高。
将上述平面模具加热，使平凸柱面镜初样脱模，将塑料薄膜与平凸柱面镜初样的弧面密封胶合；将游星片置于双面研磨机的工作区，再将平凸柱面镜初样以平面朝下放入游星片上的卡槽内，将游星圈叠放在游星片上，将平面重量块放入游星圈内并压于平凸柱面镜初样上，将游星片和游星圈分别与双面研磨机的齿圈啮合后，采用双面研磨机对平凸柱面镜初样的平面进行研磨。研磨结束后将双面研磨机更换为抛光机，按照与平面研磨相同的操作步骤再对平凸柱面镜初样的平面进行抛光，即：重新将未使用的塑料薄膜与平凸柱面镜初样的弧面密封胶合；将游星片置于抛光机的工作区，再将平凸柱面镜初样以平面朝下放入游星片上的卡槽内，将游星圈叠放在游星片上，将平面重量块放入游星圈内并压于平凸柱面镜初样上，将游星片和游星圈分别与抛光机的齿圈啮合后，采用抛光机对平凸柱面镜初样的平面进行抛光。其中研磨后平凸柱面镜初样的弧高为6.02±0.002mm，抛光后平凸柱面镜初样的弧高为6±0.002mm。上述游星片和游星圈的结构分别如图5和图6所示，该游星片为圆周上设有齿轮且片上设有两面相通的卡槽的圆片，游星圈为圆周上设有齿轮的圆环，该游星片的厚度比平凸柱面镜初样的弧高小1-3mm；游星片上的卡槽为长方形且呈四周环绕式对称分布在游星片上，该卡槽的长度方向与游星片的径向垂直，该卡槽的个数根据平凸柱面镜的尺寸大小而定，卡槽的长度比平凸柱面镜初样的长度大0.5-1mm，卡槽的宽度比平凸柱面镜初样的直径大0.5-1mm；上述游星圈的厚度可为10～15mm，且内径比外径小20～30mm；上述游星片和游星圈的直径相等且均能与双面研磨机和抛光机的齿圈吻合，该游星片和游星圈的材质均可为聚四氟乙烯、PVC、环氧树脂等硬质塑料；上述平面重量块为重量分布均匀的圆盘，该平面重量块的材质为不锈钢，该平面重量块的下表面的平面度不大于0.5λ，其中λ为平面度检测用波长且λ＝632nm，该平面重量块的直径比游星圈的内径小1～2mm，厚度为10～15mm。
(3)先将塑料薄膜分别与上述抛光后的平凸柱面镜初样的弧面和平面薄膜密封胶合，再采用端面磨削模具将平凸柱面镜初样轴向垂直固定于平面磨床工作台上，先磨削平凸柱面镜初样的一端面，去除2～3.5mm，再将平凸柱面镜初样翻转并固定后，磨削另一端面，同时用长度测量器具测量平凸柱面镜的长度，直至长度达到50±0.020mm，即得到平凸柱面镜成品。
上述端面磨削模具的结构如图7和图8所示，该端面磨削模具由第一模具(如图7所示)和第二模具(如图8所示)组成，该第一模具和第二模具将置于第一模具和第二模具之间的平凸柱面镜初样夹持；该第一模具的夹持面上设有从上至下的V型通槽，该V型通槽的开槽方向与第一模具的下表面垂直且V型通槽的开槽底角从上之下均相等，开槽底角角度可为90°-120°；第二模具的夹持面与第二模具的下表面垂直；上述第一模具和第二模具的材质均为铸铁，上述第一模具和第二模具的夹持面高度均为平凸柱面镜所要求的长度的3/4-9/10，上述V型通槽的开槽深度根据平凸柱面镜所要求的弧高而定，保证平凸柱面镜初样的弧面放进槽内时，平凸柱面镜的平面突出槽开口面1～2mm。
采用上述端面磨削模具将平凸柱面镜初样固定时，先将第一模具放置在平面磨床的工作台上，再将平凸柱面镜初样轴向垂直放置在平面磨床的工作台上，且将平凸柱面镜初样的弧面放入第一模具的V型通槽内，使平凸柱面镜初样的弧面与V型通槽的两个槽面线性贴合，然后将第二模具放置在平面磨床的工作台上，使第二模具的夹持面与平凸柱面镜初样的平面贴合，最后打开平面磨床工作台的磁力开关，使第一模具和第二模具被平面磨床工作台牢固吸住，从而将平凸柱面镜初样固定在平面磨床工作台上。
本发明实施例通过先将玻璃毛坯料加工成圆柱，再将圆柱浇铸成盘后加工平凸柱面镜的平面同时形成要求尺寸的弧面，最后再磨削端面，不仅可以提高加工的精度，而且可进行批量加工，大大提高了加工效率，通用性强。
本发明实施例将玻璃毛坯料加工成圆柱时，先将玻璃毛坯料粗磨成圆柱，粗磨得到的圆柱的半径比平凸柱面镜所要求的半径大0.1-0.5mm，以便于后续精磨和抛光后能得到平凸柱面镜所要求的半径，粗磨得到的圆柱的长度比平凸柱面镜所要求的长度大4-7mm，以便于后续端面磨削时能去除合适的尺寸以达到平凸柱面镜所要求的长度，避免因磨削去除尺寸小而不能使平凸柱面镜的端面与平面垂直，或因磨削去除尺寸大而降低加工效率；本发明实施例将粗磨得到的圆柱再依次进行精磨和抛光，精磨后的半径比平凸柱面镜所要求的半径大0.01～0.03mm，以保证抛光后的半径能达到平凸柱面镜所要求的半径。上述抛光后的圆柱的部分柱面即为后续加工成平凸柱面镜的弧面，本发明实施例加工柱面时不采用常规的弧面模具，而直接采用树脂烧结金刚石砂轮和羊毛毡抛光轮，保证了平凸柱面镜弧面半径和弧度的加工精度，同时批量加工时一致性高，加工出的圆柱对进一步加工成少半圆、半圆或多半圆平凸柱面镜均适用，而且加工效率高。本发明实施例在对玻璃毛坯料粗磨时，优选#80～#150树脂烧结金刚石砂轮；对圆柱的柱面精磨时，优选#300～#400树脂烧结金刚石砂轮；磨削平凸柱面镜的平面时，优选#80～#150树脂烧结金刚石砂轮。本发明实施例在对圆柱的柱面抛光时，采用的抛光浆料优选氧化铈抛光粉与纯水按体积比1:2-1:4组成的混合物，采用该抛光浆料可达到平凸柱面镜所要的精度。
本发明实施例在磨削平凸柱面镜的平面时，通过将圆柱轴向水平放置在平面模具上进行浇铸成盘，再磨削去除圆柱上多余的柱面，可避免常规方法中因使用熔融的松香石蜡将平凸柱面镜的平面粘在模具上，而影响平凸柱面镜两端厚度的一致性，而且本发明实施例的加工方法可同时将多个圆柱并排摆在平面模具上浇铸成盘，并进行批量磨削，可实现对平凸柱面镜的批量加工，提高了平凸柱面镜的加工效率。本发明实施例浇铸成盘所采用的平面模具的上表面和下表面之间的平行度小于10″，且平面模具的上表面的平面度和下表面的平面度均小于0.5λ，其中λ为平面度检测用波长且λ＝632nm，以使圆柱通过平面模具平稳固定在平面磨床的工作台上，且使圆柱两端在平面磨床工作台上的高度一致，从而使加工出的平凸柱面镜初样的两端厚度一致。上述平面模具的材质为铸铁，可实现通过电磁吸附将平面模具固定在平面磨床的工作台上，操作简单。本发明实施例在浇铸成盘时，将圆柱轴向水平摆放在平面模具上后，采用加热熔化的石蜡进行浇铸，石蜡冷却后即将圆柱固定在平面模具上，既能实现圆柱加工件的固定，又方便脱模；其中石蜡的液面高度不超过平凸柱面镜所要求的弧高，以避免遮挡要磨削掉的圆柱面。本发明实施例通过测量平面模具与圆柱余留部分的总厚度，再减去已知的平面模具的厚度，即可得到平凸柱面镜的余留弧高，由于平面模具上下表面之间的平行度小于10″，加工过程中只需保证圆柱余留部分两端与平面模具的总厚度一致，即可保证平凸柱面镜两端弧高的一致性，该平凸柱面镜的余留弧高的测量和计算方法操作简单，易于控制平凸柱面镜弧高的加工精度。本发明实施例中圆柱经磨削得到的平凸柱面镜初样的弧高比平凸柱面镜所要求的弧高大0.1～0.5mm，以使后续的平凸柱面镜初样的平面研磨和抛光将弧高控制在所要求的尺寸精度范围内。
本发明实施例分别采用双面研磨机和抛光机对平凸柱面镜初样的平面进行研磨和抛光，可将平凸柱面镜的弧高控制在所要求的尺寸精度范围内；本发明实施例在研磨和抛光前，将塑料薄膜与平凸柱面镜初样的柱面密封胶合，是为了防止研磨和抛光过程中，对平凸柱面镜初样的柱面造成损坏；本发明实施例将平凸柱面镜初样嵌放入游星片的卡槽内进行研磨和抛光，可使平凸柱面镜初样的平面研磨和抛光均匀，从而使平凸柱面镜的两端弧高保持一致。上述游星片上的卡槽为长方形，且卡槽的长度比平凸柱面镜初样的长度大0.5-1mm，卡槽的宽度比平凸柱面镜初样的直径大0.5-1mm，以使平凸柱面镜初样在游星片的卡槽内与游星片的相对位置保持固定，防止研磨和抛光不均匀；卡槽的长度方向与游星片的径向垂直，以保证平凸柱面镜初样两端的磨削去除厚度一致。上述游星圈用于将游星片固定在双面研磨机或抛光机的齿圈内，防止游星片在齿圈内发生位移。上述平面重量块为重量分布均匀的圆盘，且平面重量块的下表面的平面度不大于0.5λ，其中λ为平面度检测用波长且λ＝632nm，使游星片内的平凸柱面镜初样受到的压力一致，保证批量加工的一致性。本发明实施例提供的平凸柱面镜的平面研磨和抛光方法可实现平凸柱面镜的批量加工，提高了加工效率。
本发明实施例在对抛光后的平凸柱面镜的初样进行端面磨削时，采用上述端面磨削模具将平凸柱面镜初样轴向垂直固定于平面磨床工作台上，可保证磨削后的端面与平凸柱面镜的平面垂直。上述第一模具夹持面上的V型通槽的开槽方向与第一模具的下表面垂直，且V型通槽的开槽底角从上之下均相等，可使被夹持的平凸柱面镜初样与平面磨床工作台垂直，优选V型通槽的开槽底角为90°-120°，可使端面磨削模具将平凸柱面镜初样牢固夹持；上述第二模具的夹持面与第二模具的下表面垂直，可使第二模具在夹持时夹持面与平凸柱面镜初样的平面贴合，从而使夹持更加牢固；本发明实施例优选第一模具和第二模具的夹持面高度均为平凸柱面镜所要求的长度的3/4-9/10，既可保证第一模具和第二模具将平凸柱面镜初样夹持牢固，又可避免因高度过高而影响对平凸柱面镜端面的磨削。第一模具和第二模具的材质均为铸铁，可实现通过电磁吸附将端面磨削模具固定在平面磨床的工作台上，操作简单。
本发明实施例在加工过程中，优选塑料薄膜的厚度为0.01～0.05mm，是由于太厚的塑料薄膜具有弹性，会导致加工过程中平凸柱面镜的弧高不一致以及平凸柱面镜的端面与平面不垂直，太薄的塑料薄膜不能起到对平凸柱面镜的保护作用，优选塑料薄膜的厚度允许偏差为±0.003mm，可避免因塑料薄膜厚度的不一致影响平凸柱面镜的加工精度。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。