光学加工技术在国内外发展现状

超精密钻石刀具 2019-01-10 11:46:59

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。


1、计算机数控单点金刚石车削技术 

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。


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。

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。

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)。

金刚石刀具和金刚石车削机床是金刚石车削工艺的关键技术,缺少其一,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。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。


2、光学玻璃透镜模压成型技术 

光学玻璃透镜模压成型技术是一种高精度光学元件加工技术,它是把软化的玻璃放入高精度的模具中,在加温加压和无氧的条件下,一次性直接模压成型出达到使用要求的光学零件。这项技术自80年代中期开发成功至今已有十几年的历史了,现在已成为国际上最先进的光学零件制造技术方法之一,在许多国家已进入生产实用阶段。这项技术的普及推广应用是光学行业在光学玻璃零件加工方面的重大革命。由于此项技术能够直接压制成型精密的非球面光学零件,从此便开创了光学仪器可以广泛采用非球面玻璃光学零件的时代。因此,也给光电仪器的光学系统设计带来了新的变化和发展,不仅使光学仪器缩小了体积、减少了重量、节省了材料、减少了光学零件镀膜和工件装配的工作量、降低了成本,而且还改善了光学仪器的性能,提高了光学成像的质量。 

光学玻璃模压成型法制造光学零件有如下优点:①不需要传统的粗磨、精磨、抛光、磨边定中心等工序,就能使零件达到较高的尺寸精度、面形精度和表面粗糙度;②能够节省大量的生产设备、工装辅料、厂房面积和熟练的技术工人,使一个小型车间就可具备很高的生产力;③可很容易经济地实现精密非球面光学零件的批量生产;④只要精确地控制模压成型过程中的温度和压力等工艺参数,就能保证模压成型光学零件的尺寸精度和重复精度;⑤可以模压小型非球面透镜阵列;⑥光学零件和安装基准件可以制成一个整体。

玻璃光学零件模压成型技术是一项综合技术,需要设计专用的模压机床,采用高质量的模具和选用合理的工艺参数。成型的方法,玻璃的种类和毛坯,模具材料与模具制作,都是玻璃模压成型中的关键技术。 


3、计算机数控研磨和抛光技术 

技算机数控研磨和抛光技术是一种由计算机控制的精密机床将工件表面磨削成所需要的面形,然后用柔性抛光模抛光,使工件在不改变精磨面形精度的条件下达到镜面光洁度的光学零件制造技术。该技术主要用来加工中、大尺寸的非球面光学零件。加工零件时,磨削工具受计算机控制,在工件表面进行磨削去除加工。磨削工具根据工件的不同加工余量,在工件表面停留不同的时间来实现非球面加工。工件加工精度主要取决于测量精度和所采用的误差校正方法。 

非球面光学零件的精密研磨抛光比较普遍采用的一种技术是:小型磨床修正研磨抛光法。 

小型磨床研磨抛光法分为纵向扫描和光栅扫描两种方式。纵向扫描方式是:被加工的工件以一定的速度旋转,抛光器则沿着贯穿工件轴心的断面进行摇动。纵向扫描方式对工件轴心附近的形状控制和非旋转对称部分的形状误差的修正研磨抛光比较困难,但是研磨时间可望缩短,设备比较简单。光栅扫描方式则是:被加工的工件不旋转,抛光器在工件的表面移动研磨抛光。这种方式不仅容易进行非旋转对称部分的修正研磨抛光,而且还可以进行离轴光学零件的研磨抛光加工。但是,此种方式的设备组成较为复杂,成本比较高。 


4、光学零件加工的柔性自动化技术 

近10多年来,计算机数控技术发展很快,已迅速被大多数工业加工行业所采用。目前,计算机数控的加工方法,特别是计算机数控加工中心已经被认为是增大加工的灵活性、提高工件加工的速度和质量的最基本的方法。在过去的年代里计算机数控技术在光学加工行业中的应用比较少,这几年已经引起了行业专家们的重视。 

自1990年起,为满足军用光学系统目前和未来的需求,美国"陆军制造技术计划"支持发展新的技术。美陆军材料司令部投资700万美元在罗彻斯特大学建立起一个面积达1670m2的光学制造中心。该中心得到了美国精密光学制造协会和美国国防部的支持,其成员目前已有100来个。 

建立光学制造中心的目的,是想通过引进以定型加工为基础的计算机数控加工机床,使劳动力密集型的光学加工技术迅速实现柔性自动化,从而改善美国在光学零件制造方面的能力,使美国工业的光学基础恢复元气。光学制造中心,通过和其成员之间的紧密联系,加快了新技术的开发步伐,不久便开发出了称之为光学自动化和管理(Opticam)的新光学加工技术。这种Opticam技术,以定型加工为基础,通过计算机数控机床和柔性工具,实现光学零件加工的柔性自动化。 


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