玻璃螺旋面的制作及面型检测

第ｌ３卷第４期　西安文理学院学报：自然科学版　Ｖｏｌ＿１３　Ｎｏ．４　２０１０年１０月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｘｉ’ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｒｔｓ＆Ｓｃｉｅｎｃｅ（Ｎａｔ　Ｓｃｉ　Ｅｄ）　Ｏｃｔ．２０１０　文章编号：１００８－５５６４（２０１０）０４－００５８－０３　玻璃螺旋面的制作及面型检测　赵小侠　（西安文理学院物理学与光电工程系，陕西西安７１００６５）　摘要：用Ｂ２７０玻璃烧制出满足需要的螺旋基底，并对其进行检测．利用智能式烘箱设置合适的程　序来控制玻璃的升温、恒温和降温，得到了合乎要求的玻璃螺旋面基底，并利用三坐标测量系统进行了　检测．经三坐标检测后得到的结果与理论值误差很小，满足使用要求．研究结果表明用高温软化Ｂ２７０玻　璃制作螺旋面工艺的可行性与可靠性．　关键词：螺旋面；Ｂ２７０玻璃；三坐标测量机　中图分类号：ＴＧ　６２　文献标识码：Ａ　螺旋面是机械加工领域常见的曲面，它被广泛应用于螺纹、蜗杆、螺杆泵、金属切削刀具、输料器螺　旋叶片等领域　Ｉ２］．由于现代数控机床的使用，我们现在可以设计合适的程序来加工以往简单车床难以　实现的螺旋面．而对于玻璃螺旋面因为无法在数控机床上通过切削工艺来得到，它的制作目前国内外还　没有好的实现方法．本文采用高温软化玻璃的手段，利用智能式烘箱设置合适的程序来控制玻璃的升　温、恒温以及降温来制作玻璃基底的螺旋面．制作出来了以Ｂ２７０玻璃为基底的螺旋面实物，并利用三　坐标测量系统进行了检测分析．　１螺旋面的设计　实验中需要制作的是带有一小圆柱轴芯的正螺旋面，即母线的一端沿圆柱螺旋线（曲导线），另一　端沿圆柱轴线（直导线）且始终平行于水平面（导平面）运动．螺旋面与　小圆柱相交，在小圆柱面上形成了一条与曲导线同导程的螺旋线．根据　实验需求所需要的螺旋面的具体尺寸如图１所示．　母　２螺旋基底的加工Ｂ２７０玻璃螺旋面的制作　为了得到满足设计要求的玻璃螺旋面面型，我们首先在数控机床上　利用车削工艺在铜质材料上得到了精确度符合设计要求的螺旋面基底．　在分析玻璃的光学性能、热学性能、机械性能以及热涨系数的前提下，经　过仔细筛选最后选择了满足各方面要求的肖特Ｂ２７０光学玻璃．然后以　此铜质螺旋面为模板，采用高温软化玻璃的手段，得到了所需要的螺旋　面玻璃基底．螺旋面的具体制作过程如下．　图１设计的螺旋面图　１）Ｂ２７０玻璃的蜡封：　收稿日期：２０１０－０４－２６　基金项目：国家自然科学基金项目（６０８７８０３４）；中科院创新基金资助项目（０６５１２０１ＺＺ０）；西安文理学院中青年科研　基金项目资助（ｋｙｅ２０１０２３）　作者简介：赵小侠（１９７０一），女，河南济源人，西安文理学院物理学与光电工程系讲师，博士．研究方向：扦亍射光学．　第４期　赵小侠：玻璃螺旋面的制作及面型检测　５９　将Ｂ２７０玻璃薄片用清洁剂洗净，用丙酮擦拭干净．将干净Ｂ２７０玻璃薄片放在加热基板上加热到　６０￣Ｃ左右，然后在玻璃板上加上黄蜡．黄蜡溶于汽油、氯仿、二硫化碳、二甲苯和乙醇等溶剂，微溶于醇　类，不溶于水．实验中我们所使用的黄腊的熔点为６５ｑＣ，含油量小于１．２％，色度号小于８，无臭味，无机　械杂物，无水分，特别适用于精密器件的粘合．等黄蜡完全熔化，轻轻地将另一块玻璃加上并使其来回活　动这样两块玻璃会完全粘牢，然后慢慢冷却．　２）内圆环的掏制、外圆的磨制以及玻璃的开线　将用黄蜡粘合好的玻璃薄片磨制成外径４０ｒａｍ的圆，再在玻璃的中心掏制一个直径２．３８　ｍｍ的内　圆．内圆环的掏制是在台式转床上用金刚石转头转动玻璃薄片得到的．接着用金刚石转头沿内圆至外开　线．掏制好内圆的玻璃片然后用旋转式切刀在玻璃上开线将玻璃圆环切开，最后将切好的玻璃片用汽油　浸泡除去黄蜡，得到一个个的玻璃薄片．最后将玻璃薄片用酒精和丙酮擦拭干净留备下面实验．　３）螺旋面玻璃基底的烧制　将转孔、开线并清洁好的Ｂ２７０玻璃放置在清洁的铜质螺旋基底上并放人烘箱中．使用智能式烘箱　设置合适的程序来控制玻璃的升温、恒温以及降温以得到合乎要求的玻璃螺旋面基底．经过多次实验找　到Ｂ２７０玻璃烧制的最佳程序控制，这样就可以得到面形良好的玻璃螺旋面基底．图２是我们烧制过程　中得到的最佳烧制温度曲线．在玻璃烧制过程中升温和降温均必须非常缓慢，否则一方面可能升温或降　温过快导致玻璃基片与铜基底热涨差异太大使玻璃炸裂，另一方面可能因升温或降温过快使玻璃基片　未来得及完全铜基底吻合，这样烧制的螺旋面基底与设计值的误差差别太大．实验中需多次烧制实验，　根据具体烧制情况适当调整烧制的程序控制．　图３的上面是按上述工艺制作出来的Ｂ２７０玻璃螺旋面基底，下面底座是烧制所使用的铜螺旋面基　底实物．　廷　磊　烧制时问／ｍｉｎ　图２　Ｂ２７０玻璃烧制螺旋面的温度变化曲线　图３　放于铜底座的玻璃基片　３螺旋面的检测　由于螺旋面基底不是普通的平面，而是一个立体面，传统的测量方法很难完成．因此我们选用了三　坐标测量方法，三坐标测量机是以点的坐标位置为基础的，是一种几何量测量仪器，三坐标测量机的基　本原理是将被测零件放入它的测量空间，精密地测出被测零件在　、】，、ｚ三个坐标位置的数值，根据这　些点的数值经过计算机数据处理，拟合形成测量元素，如圆、球、圆柱、圆锥、曲面等，经过数学计算得出　形状、位置公差及其他几何量数据．实验使用青岛海克斯康公司生产的Ｇｌｏｂａｌ　７１０７型三坐标测量机对　上述烧制好的螺旋面基底进行了面型检测．　羹　＿｜　ｌ　￥　。　臻　ｊ　｜　§　》≯。　强誊ｌ　０罄　、　．　一　｜　ｊ　ｌ　－－－一．　。　图４检测螺旋面的拟合图　西安文理学院学报：自然科学版　第１３卷　测量中对按螺旋面的极半径分四组，分别对应选取了２３８个点进行测量，对每个点均给出它的ｚ轴　值，极半径和极角值．由于所给的数据只是一个个单一的点无法进行形象的比较，利用ＭＡＴＬＡＢ通过插　值法将测量所得到的数值先由点连接成线，再通过插值法由线到面，进行了模拟分析，得到所检测的螺　旋面的面型图见图４．　最后将所设计螺旋面的理论值和经测量拟合的面型图进行了比较，具体见图５．　图５检测图与理论图　图６检测图与理论图的组合图　由图６所示，可以很明显的看出，制作出的Ｂ２７０玻璃螺旋面和所设计的螺旋面非常吻合，如同一个　图形，没有较大的误差，完全在要求的误差范围之内．　４结论　实验结果表明，利用智能式烘箱通过多次试验烧制Ｂ２７０玻璃螺旋面，找到合适的烧制程序来控制　玻璃的升温、恒温以及降温可以得到合乎光学实验要求的Ｂ２７０玻璃螺旋面．对制作出来的Ｂ２７０玻璃　螺旋面面型通过三坐标测量方法检测，误差较小，并较好的和理论值吻合，为下一步的工作奠定了良好　的实验基础．　５致谢　本论文是在中科院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室谢永军老师的指　导下完成的，在此表示感谢．　［参考文献］　［１］陈芳．螺旋面设计加工及关键技术ＣＡＤ［Ｄ］．郑州：郑州大学，２００２．　［２］吴金星，朱登亮，魏新利．螺旋面的加工方法分析及工程应用［Ｊ］．机床工具技术，２００６（６）：６６—６８　［３］　赵然杭，刘健，王兴菊．螺旋面及其ＣＡＤ［Ｊ］．山东建筑工程学院学报，２００１（１）：８７—９０．　［责任编辑王新奇］　Ｔｈｅ　Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｂ２７０　Ｇｌａｓｓ　Ｈｅｌｉｃｏｉｄ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ｆａｃｅ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ＺＨＡ０　Ｘｉａｏ．ｘｉａ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｏｐｔｏ—Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｒｔｓ　ａｎｄ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｘｉ’ａｌｌ　７１００６５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｓｔｕｄｙ　ａｉｍｓ　ｔｏ　ｐｒｏｄｕｃｅ　ａｎｄ　ｄｅｔｅｃｔ　ｔｈｅ　Ｂ２７０　ｇｌａｓｓ　ｈｅｌｉｃｏｉｄ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅ．Ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ　ｗｅｒｅ　ｓｅｔ　ｂｙ　ｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌ　ｏｖｅｎ　ｔｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅ　ｈｅａｔｉｎｇ，ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｏｂｔａｉｎ　ｔｈｅ　ｒｅ—　ｑｕｉｒｅｄ　ｇｌａｓｓ　ｈｅｌｉｃｏｉｄ　ｂａｓｅｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈ　ｗａｓ　ｔｈｅｎ　ｄｅｔｅｃｔｅｄ　ｂｙ　Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｂｙ　Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ　Ｉｎｓｔｕｒｍｅｎｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｈ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｄｅａｌ　ｖａｌｕｅ　ｗａｓ　ｖｅｒｙ　ｓｍａｌ１．Ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｍｅｅｔｓ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｕｓａｇｅ．Ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｃｏｎｃｌｕｄｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ　ｈｅｌｉｃｏｉｄ　ｂｙ　ｓｏｆｔｅｎｉｎｇ　Ｂ２７０　ｇｌａｓｓ　ａｔ　ｈｉｇｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｓ　ｆｅａｓｉｂｌｅ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｌｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｅｌｉｃｏｉｄ；Ｂ２７０　ｇｌａｓｓ；ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ