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