先进光学加工技术发展及现状分析

时间:2016-03-01 10:50来源:互联网作者:yeyan 点击:
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摘要: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

关键字:光学,光学加工,光学技术

  1 引 言
 
  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。
 
  2 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。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)为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溜板最大行程为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。
 
  3 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。
 
  目前批量生产的模压成型非球面光学零件的直径为2~50mm,直径公差为±0.01mm;厚度为0.4~25mm,厚度公差为±0.01mm;曲率半径可达5mm;面形精度为1.5λ,表面粗糙度符合美国军标为80-50;折射率可控制到±5×10-4mm,折射均匀性可以控制到<5×10-6mm;双折射小于0.01λ/cm。
 
  现在,世界上已掌握这项先进玻璃光学零件制造技术的著名公司和厂家有美国的柯达、康宁公司,日本的大原、保谷、欧林巴斯、松下公司,德国的蔡司公司和荷兰的菲利浦公司等。
 
  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。
 
  3.1 成型方法
 
  玻璃之所以能够精密模压成型,主要是因为开发了与软化的玻璃不发生粘连的模具材料。
 
  原来的玻璃透镜模压成型法,是将熔融状态的光学玻璃毛坯倒入高于玻璃转化点50℃以上的低温模具中加压成形。这种方法不仅容易发生玻璃粘连在模具的模面上,而且产品还容易产生气孔和冷模痕迹(皱纹),不易获得理想的形状和面形精度。后来,采用特殊材料精密加工成的压型模具,在无氧化气氛的环境中,将玻璃和模具一起加热升温至玻璃的软化点附近,在玻璃和模具大致处于相同温度条件下,利用模具对玻璃施压。接下来,在保持所施压力的状态下,一边冷却模具,使其温度降至玻璃的转化点以下(玻璃的软化点时的玻璃粘度约为107。6泊,玻璃的转化点时的玻璃粘度约为1013。4泊)。这种将玻璃与模具一起实施等温加压的办法叫等温加压法,是一种比较容易获得高精度,即容易精密地将模具形状表面复制下来的方法。这种玻璃光学零件的制造方法缺点是:加热升温、冷却降温都需要很长的时间,因此生产速度很慢。为了解决这个问题,于是对此方法进行了卓有成效的改进,即在一个模压装置中使用数个模具,以提高生产效率。然而非球面模具的造价很高,采用多个模具势必造成成本过高。针对这种情况,进一步研究开发出与原来的透镜毛坯成型条件比较相近一点的非等温加压法,借以提高每一个模具的生产速度和模具的使用寿命。另外,还有人正在研究开发把由熔融炉中流出来的玻璃直接精密成型的方法。
 
  3.2 玻璃的种类和毛坯
 
  玻璃毛坯与模压成型品的质量有直接的关系。按道理,大部分的光学玻璃都可用来模压成成型品。但是,软化点高的玻璃,由于成型温度高,与模具稍微有些反应,致使模具的使用寿命很短。所以,从模具材料容易选择、模具的使用寿命能够延长的观点出发,应开发适合低温(600℃左右)条件下模压成型的玻璃。然而,开发的适合低温模压成型的玻璃必需符合能够廉价地制造毛坯和不含有污染环境的物质(如PbO、As2O3)的要求。对模压成型使用的玻璃毛坯是有要求的:①压型前毛坯的表面一定要保持十分光滑和清洁;②呈适当的几何形状;③有所需要的容量。毛坯一般都选用球形、圆饼形或球面形状,采用冷研磨成型或热压成型。
 
  3.3 模具材料与模具加工
 
  模具材料需要具备如下特征:①表面无疵病,能够研磨成无气孔、光滑的光学镜面;②在高温环境条件下具有很高的耐氧化性能,而且结构等不发生变化,表面质量稳定,面形精度和光洁度保持不变;③不与玻璃起反应、发生粘连现象,脱模性能好;④在高温条件下具有很高的硬度和强度等。
 
  现在已有不少有关开发模具材料的专利,最有代表性的模具材料是:以超硬合金做基体,表面镀有贵金属合金和氮化钛等薄膜;以碳化硅和超硬合金做基体,表面镀有硬质碳、金刚石状碳等碳系薄膜;以及Cr2O-ZrO2-TiO2系新型陶瓷。
 
  玻璃透镜压型用的模具材料,一般都是硬脆材料,要想把这些模具材料精密加工成模具,必需使用高刚性的、分辨率能达到0.01μm以下的高分辨率超精密计算机数字控制加工机床,用金刚石磨轮进行磨削加工。磨削加工可获得所期盼的形状精度,但然后还需再稍加抛光精加工成光学镜面才行。在进行高精度的非球面加工中,非球面面形的测试与评价技术是非常重要的。对微型透镜压型用模的加工,要求更加严格,必需进一步提高精度和减轻磨削的痕迹。
 
  3.4 玻璃模压成型技术的应用
 
  目前,光学玻璃透镜模压成型技术,已经用来批量生产精密的球面和非球面透镜。平时,除了一般生产制造直径为15mm左右的透镜外,还能生产制造直径为50mm的大口径透镜、微型透镜阵列等。现已能制造每个透镜的直径为100μm的微型透镜阵列。
 
  (1)制造军用和民用光学仪器中使用的球面和非球面光学零件,如各透镜、棱镜、以及滤光片等;
 
  (2)制造光通信用的光纤耦合器用非球面透镜;
 
  (3)制造光盘用的聚光非球面透镜。使用一块模压成型法制造的非球面透镜,可代替光盘读出器光学镜头内使用的三块球面透镜。由于模压成型非球面透镜的精度很高,不仅能够控制和校正大数值孔径的轴向像差,而且还使原来的光学镜头的重量减轻、成本降低30~50%。
 
  (4)制造照相机取景器非球面透镜、电影放映机和照相机镜头的非球面透镜等。美国仅柯达公司每年就需要压型几百万个非球面光学零件。
 
  4 光学塑料成型技术
 
  光学塑料成型技术是当前制造塑料非球面光学零件的先进技术,包括注射成型、铸造成型和压制成型等技术。光学塑料注射成型技术主要用来大量生产直径100mm以下的非球面光学零件,也可制造微型透镜阵列。而铸造和压制成型主要用于制造直径为100mm以上的非球面透镜光学零件。
 
  塑料非球面光学零件具有重量轻、成本低;光学零件和安装部件可以注塑成为一个整体,节省装配工作量;耐冲击性能好等优点。因此,在军事、摄影、医学、工业等领域有着非常好的应用前景。美国在AN/AVS-6型飞行员微光夜视眼镜中就采用了9块非球面塑料透镜。此外,在AN/PVS-7步兵微光夜视眼镜、HOT夜视眼镜、"铜斑蛇"激光制导炮弹导引头和其他光电制导导引头、激光测距机、军用望远镜以及各种照相机的取景器中也都采用了非球面塑料透镜。美国TBE公司在制造某种末制导自动导引头用非球面光学零件时,曾对几种光学塑料透镜成型法作过经济分析对比,认为采用注射成型法制造非球面光学塑料透镜最为合算。
 
  4.1 注射成型法
 
  注射成型是将加热成流体的定量的光学塑料注入到不锈钢模具中,在加热加压条件下成型,冷却固化后打开模具,便可获得所需要的光学塑料零件。光学塑料注射成型的关键环节是模具,由于光学塑料模压成型的工作温度较低,所以对模具的要求要比对玻璃模压成型模具的要求低一些。非球面模具的超精密加工相当困难,通常的加工都是首先在数控机床上将模具的坯件磨削成近似非球面,然后用范成精磨法逐步提高非球面的面形精度和表面粗糙度,最后用抛光法加工成所要求的面形精度和表面粗糙度。可是,由于数控机床的加工精度比较低,在模具加工过程中需要对模具进行反复检测和修改,逐步地提高模具精度,从而使模具的成本变得很高。因而现在的模具,是用刚性好、分辨率高的计算机数控超精密非球面加工机床和非球面均匀抛光机超精密加工而成的。首先用计算机数控超精密非球面机床将模坯加工出面形精度达±0.1μμm的非球面,然后用抛光机在保持非球面面形精度不变的条件下均匀地轻抛光,大约抛去0.01μm,使模具表面的粗糙度得到提高。
 
  注射成型的光学塑料零件的焦距精度可以控制到0.5~1%,面形精度高于λ/4,长度公差达0.0076mm,厚度公差达0.012mm。
 
  介绍一种日本人发明的高精度塑料光学零件注射成型法--浇口密封成型法。
 
  浇口密封成型法,是一种向加热至树脂转化温度(Tg)以上的金属模中注射熔融的树脂(注射量应是:冷却结束打开模具时树脂的压力刚好是大气的压力的量),迅速密封浇口,等温度、压力均匀后,在相对容积一定、温度-压力均匀条件下,徐徐冷却至树脂的热变形温度以下后,打开模具取出压形品的成型方法。
 
  首先,以大约130MP2的高压,将高温的熔融树脂注射到模具中,在高温(T1)下将浇口密封。密封在模具中的树脂,其压力在均匀化的过程中降至30MPa左右(此时的温度为:比树脂转化温度Tg高一些的某一温度T2)。从注射开始经过一定时间后,就可由压型机的合模装置上将模具单体取下。单体模具经过缓缓冷却后才可开模,取出压型成品。
 
  浇口密封成型法的关键问题在于,注射到模具中的300℃左右高温的熔融树脂,如何以130MPa的压力将浇口密封死。其做法是:在成型注射之前,先将一个小球放入金属模具的浇口部,当向模具中注射熔融树脂时,小球受到树脂的挤压就会从浇口处向靠近模穴一侧移动。这时,在浇口部通往模穴的地方就会出现间隙,熔融树脂从此间隙能够流入到模穴中。而当注射成型机停止向模具内高压注射树脂时,由于压差的原因,瞬间发生树脂逆流现象,小球则被这种逆流的树脂又从靠近模穴的一侧推向模具的浇口处。此时,小球依靠高压的树脂所发生的挤压力将模具浇口堵死,完成浇口密封工作。
 
  该浇口密封成型法由于是树脂注射后用小球进行浇口密封的,因而不需要保压和压缩机构及其工作。所以注射了树脂后的金属模具很容易从成型机上取下来,以金属模具单体脱离成型机身的形式进行长时间的冷却。这不但大大提高了成型机的工作效率,同时也提高了单位时间的生产效率。这种成型法可将一部分功能分配到机外的装置中去完成,改变了过去那种功能只能在成型机装置内进行的做法。
 
  浇口密封成型工序分4步工序进行。
 
  (1)加热工序。由金属模具的外部进行传导加热。从成型品的取出温度加热到Tg(树脂的转化温度-即模具加温需要达到的温度)以上的一定温度为止,用很短的时间进行升温,使热度做到均匀化。
 
  (2)成型工序。向模具内注射熔融的树脂,使小球将模具浇口密封后,为使温度、压力做到均匀化,对金属模进行保温。
 
  (3)缓冷工序。利用自行保持合模力的机构,一边维持合模状态,一边从压型机上取下压型模。取下的单体压型模具,采用自然空气冷却或是强制空气冷却的方式,以每分钟1~2℃的速度逐渐降温。
 
  (4)取出工序。从压型模中取出成形品。由于压型模具已从压型机上取下,这时只要取下自行保持合模力的机构,就能打开型模取出成形品。在成形品取出过程中,由于树脂的压力相当于大气的压力,所以不需要推出装置,只要打开突出分型面的部分,成形品就能离模。
 
  浇口密封成型法的关键要素,是金属模具的温度条件和注射充填条件(缓慢冷却结束时树脂压力为大气压力的条件)。因此,既使是模压成型形状和体积不同的成型品,也不用改变注射时和冷却结束时的金属模具的温度,只要有充裕的时间使温度-压力达到均匀化,并保持缓慢冷却的速度,根据模穴的容积注射充填树脂,就能进行高精度地复制。
 
  4.2 压制成型法
 
  所谓压制成型法就是将光学塑料毛坯放入金属模具中模压成光学塑料零件的一种方法。下面介绍其中一种压制成型方法--再熔融成型法。
 
  再熔成型法,是将近似于成形品形状的毛坯,插入具有复制面形、又使树脂不能流出的金属模具中,在模穴容积一定条件下,将模穴中的树脂加热至树脂转化温度Tg以上,利用因树脂的膨胀和软化-熔融所发生的均匀的树脂压力,使树脂紧密附着到模子的复制面上,等温度-压力均匀后,在相对容积一定、温度-压力均匀条件下,徐徐冷却至树脂的热变形温度以下,然后打开型模取出压型成形品的一种光学塑料零件成形方法。
 
  再熔成型法,通过利用不同的工序确保压形品的形状创成和面形精度,缓和了成形品内的残留应力和密度分布,实现了成形品的精度优良制作。再熔成型法工艺由下述2道工序组成。
 
  (1)毛坯成形工序。使用普通的注射成形法,制作近似于最后成形品形状的毛坯成形品。
 
  毛坯成形工序,由于采用的是通常的注射成形法,在将熔融的树脂向低于树脂热变形温度的模具中注射充填过程中,表层部就会骤冷固化,毛坯会有收缩。若出现面形不能复制的话,则是残留应力比较大的缘故。
 
  (2)面形复制工序。将毛坯插入具有复制面形、而又使树脂不能流出外部的不同模具中,加热-冷却,进行面形复制。
 
  面形复制工序是将低精度的毛坯高精度化的一个工序。具有面形的模具,通过加热至树脂的Tg(树脂转化温度)以上,残留应力可以得到缓和。进而,由于加热时树脂的软化-热膨胀能使模穴内发生均匀的树脂压力,所以,能够实现高精度的面形复制。
 
  为了防止发生温度分布和压力分布,冷却需要缓慢进行,而且必需冷却至树脂热变形温度以下。这样,开模取压形品时,成形品才不会变形。另外,由于开模时的树脂压力必需大致相当于大气压力,因此,模穴容积一定条件下的毛坯的重量误差也是应该引起重视的一个要点。
 
  通过实施各自具有特征的毛坯工序和面形复制工序,可以构成能生产性能优良的塑料光学零件的制造系统。
 
  再熔成形法的面形复制工序的设备,除了能够开、合型模的冲压机外,还有不需要有浇口和喷嘴之类的部分金属模具,制作起来很便宜。因此,设备增设起来很容易。可以根据生产量的情况,适宜地进行设备投资,建立起一个相对应的柔性生产系统。
 
  再熔成形法的特征是:由于再熔成形法的毛坯成形工程采用了普通的注射成形工艺,所以具有成形周期短、适合批量生产之优点。但是,面形复制工程必需实施加热、冷却工程,因此又存在着与浇口密封成型法一样周期长的缺陷。然而,因为不需要像通常注射成形工艺那样的注射、充填工序,所以也就不用考虑树脂流路的问题。又因成形时产生的压力小于30MPa(通常的注射成形为100MPa左右),故并不要求模具有很高的刚性。模具因为体积小而可使用多个,因此,可以采用多个模具弥补生产效率低的不足。由于加热、冷却容易控制,成形周期缩短,所以生产效率可以提高。
 
  另外,由于毛坯成型工序和面形复制工序能够独立操作,面形复制工序的冲压机可以对每一个压形品的成形条件进行设计,所以可以进行不同树脂、不同形状的成形品的混合生产。
 
  利用该成型法制作的非球面反射镜经过形状测量,结果是:在±100mm范围内,反射面的弯曲(起伏)度在4μm以下,成形品的精度很高。
 
  5 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。
 
  为了提高加工精度,小型磨床加工系统必需具备很高的精度和反复再现性、研磨去除量不随时间变化而变化、高精度的模拟计算、和与实际研磨的一致性等条件。小型磨床研磨抛光加工的工艺流程大致如下:首先由三维测试机、激光干涉仪测出加工面的形状精度,求出面形误差。工作站根据面形误差计算出需要研磨抛光的轨迹,并将该研磨抛光轨迹转换成数控编码传送给磨床进行加工。加工完了后进行面形精度测试。面形精度若是没有达到要求,再反复地进行计算、加工。通过这样反复地进行面形测试、计算、修正研磨抛光,即可达到提高面形精度的目的。
 
  小型磨床最早是由美国研究开发的,其磨头直径不超过工件的1/3,由计算机计算去除量,加工精度比较高。可以高精度地加工直径1500~1800mm的大口径非球面。目前,美国亚里桑那大学的光学中心,已基本上用计算机数控研磨抛光加工技术取代了传统的手工研磨抛光加工非球面光学零件。另外美国罗彻斯特大学光学制造中心也已获得了300多万美元的国防基金和几家大公司的资助,实现了非球面透镜生产的自动化。
 
  80年代末,日本研制出了的超精密数控范成法研磨机,使用该研磨机加工出的光学零件,其面形精度达到了0.08μm,表面粗糙度的均方根值为0.2nm。若用沥青抛光模进行加工,表面粗糙度的均方根值能达到0.035nm。最近,日本采用门型机械加工中心,使用4000#~8000#铸铁丝结合金刚石砂轮,利用ELID(在线电解修正法)磨削法,磨削BK-7光学玻璃,所获得的非球面的面形精度为1μm,表面粗糙度为43nmRmax。
 
  德国的计算机数控研磨抛光技术很快。Loh公司生产的CNCSPM50和120研磨抛光机,不仅可以粗、精磨球面光学零件,而且还可以粗、精磨非球面光学零件。施耐德(SCHEIDER)光学机械公司90年代末制造的ALG100型计算机数控非球面磨床和ALP100型计算机数控非球面抛光机,可以高效率地进行非球面光学零件的生产。
 
  ALG100型计算机数控非球面磨床,可在对话框中直接输入非球面加工参数,自动计算非球面磨削加工量;采用先进的导向装置与旋转加工技术,各轴与旋转轴的传动使用了高性能数字AC伺服传动装置;采用干涉测量系统加强加工过程中的工件的测量,能对工件的非球面加工进行优化调整;非球面加工中心能够直接进行非球面或棱形的组合加工,具有综合预加工的2、3维混合加工技术功能;旋转轴采用高频空气轴承,可利用环形工具进行高速的球面预加工,能够获得最佳透镜半径等特性。
 
  ALG100非球面磨床的主要技术规格如下:加工工件尺寸:最大直径为150mm,半径为10mm的平面;轴数3轴(X,Z,B)X、Z;轴的推进(进刀)速度为0.01~5000mm/min;X、Z轴的位置往返精度为±0.001mm;B轴的推进(进刀)速度为0.01~4300°/min;B轴位置往返精度为±4";连接机构旋转轴(H×D)25×42mm;主轴转速度为5000~15000转/min;工件轴转速为25~1500转/min;磨床外形尺寸1150×1900×1220mm;质量为1000kg。
 
  ALP100型计算机数控非球面抛光机,可以在对话框中直接输入非球面加工参数;自动计算非球面抛光加工量;使用特殊加工的非球面磨具抛光;抛光参数可进行计算机数控、调节与观察;可以优化计算机数控的抛光轨迹,制作出高表面质量的复杂的非球面几何形状;采用了先进的导向与转轴技术,可高速地进行连续的轨迹抛光;各轴和旋转轴都采用了高性能的数字式AC伺服传动装置;可基于图形模式进行优化抛光的调整等特性。
 
  该抛光机的主要技术规格如下:可加工工件的尺寸:最大直径为150mm,半径为10mm的平面;轴数3轴(X,Z,B);X、Z轴的推进(进刀)速度为0.01~5000mm/min;X、Z轴位置往返精度为±0.001mm;B轴的推进(进刀)速度)0.01~430°/min;B轴的位置往返精度为±4";连接机构旋转轴25×42mm;主轴转速度为50~2500转/min;工件轴转速为25~1500转/min;抛光机外形尺寸1150×1900×1220mm;车床质量1000kg。
 
  6 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。
 
  1992年光学制造中心研制出了第1台型号为Opticam SM的加工系统,实现了光学零件在计算机数控机床上加工的梦想。该机床的工具轴为具有空气轴承的高速旋转轴,其线速达50m/s。工具为金属结合剂的金刚石环形磨轮,其粒度分别为20~10μm、12~6μm、4~2μm。在零件加工过程中,计算机控制进给,机械手更换夹具。该加工机床加工的光学零件其表面粗糙度(RMS)可达20nm以下,次表面的破坏层深度小于2μm。5分钟内面形精度可达1λ(PV值)。1993年该中心又推出了第2代设计产品Opticam SX加工系统。这是一种非常灵活的运动精度为亚微米级的5轴计算机数控精密加工中心。使用的工具为由烧结金刚石磨料制成的环形磨轮。磨轮的转速为10000转/min,工件轴的转速为200转/min。机床的定位精度为1μm,转角精度为1"。该系统能完成所有球面零件的粗磨、精磨、超精磨、定中心、磨边、倒角等加工工序。能加工直径为10~150mm的凹凸半球零件。加工出的光学零件的面形精度好于λ/3(P-V值),表面粗糙度的均方根值为3~10nm。目前这种Opticam机床已被12家光学零件制造厂使用,已生产出了可供标枪导弹、F-16飞机、目标捕获指示瞄准具/驾驶员夜视传感器和导弹寻的改进计划等用的光学元件。
 
  Opticam技术的开发应用,极大的提高了光学加工的适应性和生产率,收益巨大。首先是,使光学零件加工摆脱了对熟练技术工人的依赖,工人不再需要进行长时间的培训。只要利用给与的工件加工参数,任何计算机数控机床操作员均能生产出符合要求的光学零件,而且可以100%的提高产量。因此,它完全能够应付因战争动员所造成的生产量骤增。其次是,不再为每种透镜配备专用的工具与夹具,从而使光学零件的加工费用得以降低。罗彻斯特大学光学制造中心,曾利用初步得到的数据将这种新技术与传统的光学加工方法作了比较,按保守估计得出的结论是,用新技术比用传统的技术要平均节省20%的费用。其三是,由于Opticam技术提供的柔性加工能力使在同一台机床上可以生产不同的光学零件,且很快就能拿出样品,所以可使光学元件加工的总周期缩短30~60%。
 
  为了进一步完善Opticam技术在光学加工领域的应用,在"陆军制作技术计划"的支持下,罗彻斯特大学的光学制造中心正潜心作如下方面的工作:①针对Opticam SX加工系统加工出的玻璃透镜仍需通过一次抛光工序的加工,才能去除次表面的损伤和使表面粗糙度的均方根值小于2μm,正在研究原苏联人Belarus发明的磁流体精加工技术。现已研制出利用磁流体抛光技术的Opticam磁流体抛光样机和定型方法,下一步工作是研究确定磁流体抛光过程的特性和将其工作最佳化;②研制价格便宜的、加工直径为2~50mm的透镜用的Opticam micro SX机床,将Opticam技术扩展到微型透镜加工领域。③进行金刚石磨料刀具最佳化和改进冷却剂的研究。打算利用日本人发明的加工中电解整修技术,通过计算机控制电解去除研磨工具的粘结材料,在研磨中不断地进行金刚石研磨工具的整修。④1996年,美国国防高级研究计划局启动新的600万美元的技术再投资计划,预将Opticam技术扩展到玻璃和易碎材料的非球面透镜的制造领域。光学制造中心正在进行这项工作的研究,打算通过将定型微研磨技术与磁流体抛光技术相结合的做法来实现这一计划。按计划1999年实现制作设备商品化。
 
  另外,罗彻斯特大学光学制作中心还开始了有关制造非轴对称和共形光学元件方法的研究,预将Opticam技术延伸到非径向对称元件的成形加工领域。
 
【光粒网综合报道】( 责任编辑:yeyan )
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