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0431-81702023
光学工程
国外光学加工技术的发展现状

      如今我们不难发现,军用武器系统中几乎都装备有各种各样的光电传感器件,而在这些光电传感器件中,或多或少都采用了各种样式的光学零件。
     从美国陆军所作的一项调查报告的材料中我们知道,1980~1990年美国军用激光和红外热成像产品所需要的各种光学零件就有114.77万块,其中球面光学零件为63.59万块,非球面光学零件为23.46万块,平面光学零件为18.1万块,多面体扫瞄镜为9.62万块。拿M1坦克为例,其大约使用了90块透镜、30块棱镜以及各种反射镜、窗口和激光元件。又如一具小小的AN/AVS-6飞行员夜视眼镜就采用了9块非球面光学零件和2块球面光学零件。  
      从70年代 开始,以红外热成像和高能激光为代表的军用光学技术迅速发展。军用光学系统不但要求成像质量好,而且要求体积小、重量轻、结构简单。这对光学加工行业是一个严峻考验。为了跟上时代发展的步伐,设计和制作出质地优良的光学成像系统,光学零件加工行业于70年代 开展了大规模技术革命和创新活动,研究开发出许多新的光学零件加工方法,如非球面光学零件的加工法。近10多年来,新的光学零件加工技术得到进一步地推广和普及。
      目前,国外较为普遍采用的光学零件加工技术主要有:
      计算机数控单点金刚石车削技术、光学玻璃透镜模压成型技术、光学塑料成型技术、计算机数控研磨和抛光技术、环氧树脂复制技术、电铸成型技术……以及传统的研磨抛光技术等。 <br>
      计算机数控单点金刚石车削技术,是由美国国防科研机构于60年代率先开发、80年代得以推广应用的非球面光学零件加工技术。它是在超精密数控车床上,采用天然单晶金刚石刀具,在对机床和加工环境进行精确控制条件下,直接利用金刚石刀具单点车削加工出符合光学质量要求的非球面光学零件。该技术主要用于加工中小尺寸、中等批量的红外晶体和金属材料的光学零件,其特点是生产效率高、加工精度高、重复性好、适合批量生产、加工成本比传统的加工技术明显降低。采用该项金刚石车削技术加工出来的直径120mm以下的光学零件,面形精度达l/2~1l,表面粗糙度的均方根值为0.02~0.06mm。  
      目前,采用金刚石车削技术可以加工的材料有:有色金属、锗、塑料、红外光学晶体(碲镉汞、锑化镉、多晶硅、硫化锌、硒化锌、氯化纳、氯化钾、氯化锶、氟化镁、氟化钙、铌酸锂、KDK晶体)无电镍、铍铜、锗基硫族化合物玻璃等。上述材料均可直接达到光学表面质量要求。此技术还可加工玻璃、钛、钨等材料,但是目前还不能直接达到光学表面质量要求,需要进一部研磨抛光。
      计算机数控单点金刚石车削技术除了可以用来直接加工球面、非球面光学零件外,还可以用来加工各种光学零件的成型模具和光学零件机体,例如加工玻璃模压成型模具、复制模具、光学塑料注射成型模具和加工复制环氧树脂光学零件用的机体等。该技术与离子束抛光技术相结合,可以加工高精度非球面光学零件;与镀硬碳膜工艺和环氧树脂复制技术相结合,可生产较为便宜的精密非球面反射镜和透镜。假若在金刚石车床上增加磨削附件或采用陶瓷刀具、安装精密夹具和采用在-100℃低温进行金刚石切削等措施,此项技术的应用范围将可进一步扩大。
      目前,美国亚里桑那大学光学中心已经使用该技术取代了传统的手工加工工艺,但加工玻璃光学零件时,还不能直接磨削成符合质量要求的光学镜面,仍然需要进行柔性抛光。单点金刚石车削光学零件技术经济效果非常明显,例如加工一个直径100mm的90°离轴抛物面镜,若用传统的研磨抛光工艺方法加工,面形精度最高达到3mm(5l),加工时间需要12个月,每一个抛物面镜的加工成本为5万美元。而采用金刚石车削方法,3个星期就能完成,加工成本只有0.4万美元,面形精度可达0.6μm(1λ)。美国霍尼韦尔公司就用这种技术加工AN/AAD-5红外侦察装置的4面体扫描转镜。转镜的每一面尺寸为88.9’’203.2mm,每面的平直度要求为l/2,角精度为90°±42。用一台车床,15个月就加工出了124个扫描旋转反射镜,质量均达到了设计技术要求。每个旋转反射镜比用传统的加工方法加工节约费用2770美元。霍尼韦尔公司用这种工艺生产了200个4面体旋转镜,共计节约近90万美元。而且还为AN/AAD-5红外侦察装置加工了10万个平面反射镜,节约费用1千多万美元。在1980~1990年这10年间,平面(50’’50mm)、多面体(直径90mm)、球面(直径100mm)、非球面(直径125mm)等4种军用光学零件的加工费用,按保守的经济效果计算,美国防部就总计节省约4亿美元。  
       金刚石车削机床是金刚石车削工艺的关键技术,没有金刚石车削机床,就不可能实现金刚石车削加工光学零件新工艺。金刚石车削机床属于高精密机床,机床的主轴精度和溜板运动精度比一般的机床要高出几个数量级,主轴轴承和溜板导轨通常采用空气轴承和油压静力支承结构,机床运动部件的相对位置采用激光位移测量装置测定。在工件加工的整个过程中,采用激光干涉仪测量工件的面形误差。车床上装有反馈装置,可以补偿运动误差。金刚石车床的主要生产厂家是美国的莫尔精密机床公司和普奈莫精密公司。进入90年代后,日本东芝机械公司也开始生产这种车床。莫尔精密机床公司生产销售的主要产品是Moore M-18、-40非球面加工机,Moore T型床身机床,Moore光学平面加工机,Moore M-18油淋非球面加工机等。普奈莫精密公司生产出售的产品主要有MSG-325型、ASG-2500型、Nanoform600型、Ultra 2000型等金刚石车床。日本东芝机械公司生产出售产品是ULG-100A(H)金刚石车床。

      金刚石车床的价格十分昂贵,而且还不断提高。以MSG325型车床为例,在80年代初每台价为30~40万美元,而到了90年代初每台价已升高到将近100万美元。这个价格对用户来说是一个不小的经济负担,推广普及应用有一定难度。因此,目前各国正在积极研究开发低成本的金刚石车削机床。下面介绍几种目前正在推广应用的金刚石车削机床。
(1)莫尔M-18非球面加工机
      莫尔M-18非球面加工机是一种3轴计算机数控超精密加工系统,可以使用单点金刚石刀具车削,也可以使用磨轮磨削,既能加工各种高精度平面、球面和非球面光学零件,又能加工模具表面和其它表面。金刚石车削和磨轮磨削相结合,扩大了机床的加工能力。例如加工精密模具,在一台这样的金刚石车床就能将其加工完成。首先使用磨轮在模具基体上加工出公差一致的面形,然后镀制无电镍,最后使用单点金刚石刀具,车削无电镍表面,完成模具的精加工。该加工机床采用了Allen-Bradley7320型、8200型或通用电器公司2000型计算机数控系统,车床的位置控制采用了Newlett-Packard5501A型激光传感器系统。
莫尔M-18机床的主要技术性能指标如下:
     X轴行程410mm;Z轴行程230mm;空气轴承主轴中心到工作台面的距离为292mm,到旋转工作台面的距离为178mm;X轴和Z轴在全部行程上的直线性为0.5mm;X轴和Z轴在全部行程上的垂直度为1μrad;X轴Z轴在全部行程上的偏向角为0.5μrads;X轴Z轴全部行程上的定位精度1.5mm;X轴和Z轴每25.4mm行程的定位精度为0.5mm;B轴旋转360°时的角度偏差为±3μrads;X轴和Z轴的读数精度为5mm;B轴的读数精度为1.3μrads;主轴的轴向误差为0.05mm,径向误差为0.2mrad;机床的体积:高’’长’’宽1778’’2032’’1800mm。
(2)普奈莫MSG-325型金刚石车床
      普奈莫MSG-325型金刚石车床是计算机数控型双轴金刚石车床。机床采用一个重6t的花岗岩底座,花岗岩底座装在压缩空气垫上用于隔离振动,使振动减小到2Hz。X和Z溜板都安装在花岗岩底座上,两个溜板相互垂直安装,在整个行程上的垂直精度在0.76mm以内。X溜板上装有一个可以互换的刀架,Z溜板上装有一个空气轴承主轴。两个溜板的运动的精确位置用一个激光传感器系统测定,精度为0.025mm。
       该机床可以加工红外和可见光波段应用的各种球面和非球面透镜、菲涅耳透镜、反射镜、偏轴圆锥截面镜、多面体反射镜以及精密录像镜头等光学零件。在光学零件加工过程中,可采用激光干涉仪对加工件进行面形非接触测量。
机床的主要技术性能指标如下:
      机床的主轴采用空气轴承,在1000转/min时,在前端测量,其径向和轴向跳动均为0.1mm;驱动马达为1/3HP100~2400转/min直流伺伏服马达;采用空气轴承的X溜板的名义尺寸为609’’762mm,最大行程为304mm,最大移动速度20cm/min,水平方向运动误差0.5mm,垂直方向运动误差1.27mm,精密丝杠驱动马达1HP0~2500转/min;Z溜板最大行程203mm,其它性能指标均与X溜板的相同;加工工件的直径,正常机床结构的为356mm,大孔径机床结构的为560mm;加工工件的最大加工深度204mm;工件直径为150mm时,加工工件的面形精度可达l/2。
(3)ULG-100A(H)型超精密非球面金刚石车床
      该机床是日本东芝机械公司90年代产品,从1992年6月开始,每月生产2台,每台机床售价5000万日元。机床主轴采用高刚性超精密空气静轴承,机床数控装置具有反馈功能。它可加工各种光学零件和非球面透镜模压成型用金属模具。加工精度可达0.01mm。模压成型金属模具利用金刚石刀具和磨轮进行车削和研磨加工,能达到镜面质量。
机床的主要技术性能指标如下:
      机床的X轴(研磨轮轴)最大行程为150mm;Z轴(工件轴)最大行程为100mm;研磨轮轴最高转速为40000转/min;研磨轮马达1kW/40000转/min;工件轴转速20~1500转/min;工件轴马达0.25kW/3000转/min;研磨轮主轴轴向和径向跳动0.05mm;工件主轴轴向和径向跳动0.05mm;X轴移动直线性0.1mm/150mm;Z轴移动直线性0.1mm/100mm。

 


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