先進光學加工技術發展及現狀分析

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      如今我們不難發現,軍用武器系統中幾乎都裝備有各種各樣的光電傳感器件,而在這些光電傳感器件中,或多或少都采用了各種樣式的光學零件。從美國陸軍所作的一項調查報告的材料中我們知道,1980~1990年美國軍用激光和紅外熱成像產品所需要的各種光學零件就有114.77萬塊,其中球面光學零件為63.59萬塊,非球面光學零件為23.46萬塊,平面光學零件為18.1萬塊,多面體掃瞄鏡為9.62萬塊。拿M1坦克為例,其大約使用了90塊透鏡、30塊棱鏡以及各種反射鏡、窗口和激光元件。又如一具小小的AN/AVS-6飛行員夜視眼鏡就采用了9塊非球面光學零件和2塊球面光學零件。
  從70年代開始,以紅外熱成像和高能激光為代表的軍用光學技術迅速發展。軍用光學系統不但要求成像質量好,而且要求體積小、重量輕、結構簡單。這對光學加工行業是一個嚴峻考驗。為了跟上時代發展的步伐,設計和制作出質地優良的光學成像系統,光學零件加工行業于70年代開展了大規模技術革命和創新活動,研究開發出許多新的光學零件加工方法,如非球面光學零件的加工法。近10多年來,新的光學零件加工技術得到進一步地推廣和普及。目前,國外較為普遍采用的光學零件加工技術主要有:
  計算機數控單點金剛石車削技術、光學玻璃透鏡模壓成型技術、光學塑料成型技術、計算機數控研磨和拋光技術、環氧樹脂復制技術、電鑄成型技術……以及傳統的研磨拋光技術等。

2 計算機數控單點金剛石車削技術
 
  計算機數控單點金剛石車削技術,是由美國國防科研機構于60年代率先開發、80年代得以推廣應用的非球面光學零件加工技術。它是在超精密數控車床上,采用天然單晶金剛石刀具,在對機床和加工環境進行精確控制條件下,直接利用金剛石刀具單點車削加工出符合光學質量要求的非球面光學零件。該技術主要用于加工中小尺寸、中等批量的紅外晶體和金屬材料的光學零件,其特點是生產效率高、加工精度高、重復性好、適合批量生產、加工成本比傳統的加工技術明顯降低。采用該項金剛石車削技術加工出來的直徑120mm以下的光學零件,面形精度達l/2~1l,表面粗糙度的均方根值為0.02~0.06mm。
目前,采用金剛石車削技術可以加工的材料有:有色金屬、鍺、塑料、紅外光學晶體(碲鎘汞、銻化鎘、多晶硅、硫化鋅、硒化鋅、氯化納、氯化鉀、氯化鍶、氟化鎂、氟化鈣、鈮酸鋰、KDK晶體)無電鎳、鈹銅、鍺基硫族化合物玻璃等。上述材料均可直接達到光學表面質量要求。此技術還可加工玻璃、鈦、鎢等材料,但是目前還不能直接達到光學表面質量要求,需要進一部研磨拋光。 
 計算機數控單點金剛石車削技術除了可以用來直接加工球面、非球面光學零件外,還可以用來加工各種光學零件的成型模具和光學零件機體,例如加工玻璃模壓成型模具、復制模具、光學塑料注射成型模具和加工復制環氧樹脂光學零件用的機體等。該技術與離子束拋光技術相結合,可以加工高精度非球面光學零件;與鍍硬碳膜工藝和環氧樹脂復制技術相結合,可生產較為便宜的精密非球面反射鏡和透鏡。假若在金剛石車床上增加磨削附件或采用陶瓷刀具、安裝精密夾具和采用在-100℃低溫進行金剛石切削等措施,此項技術的應用范圍將可進一步擴大。目前,美國亞里桑那大學光學中心已經使用該技術取代了傳統的手工加工工藝,但加工玻璃光學零件時,還不能直接磨削成符合質量要求的光學鏡面,仍然需要進行柔性拋光。
  單點金剛石車削光學零件技術經濟效果非常明顯,例如加工一個直徑100mm的90°離軸拋物面鏡,若用傳統的研磨拋光工藝方法加工,面形精度最高達到3mm(5l),加工時間需要12個月,每一個拋物面鏡的加工成本為5萬美元。
     而采用金剛石車削方法,3個星期就能完成,加工成本只有0.4萬美元,面形精度可達0.6μm(1λ)。美國霍尼韋爾公司就用這種技術加工AN/AAD-5紅外偵察裝置的4面體掃描轉鏡。轉鏡的每一面尺寸為88.9\’’203.2mm,每面的平直度要求為l/2,角精度為90°±42。用一臺車床,15個月就加工出了124個掃描旋轉反射鏡,質量均達到了設計技術要求。每個旋轉反射鏡比用傳統的加工方法加工節約費用2770美元?;裟崳ざ居謎庵止ひ丈?00個4面體旋轉鏡,共計節約近90萬美元。而且還為AN/AAD-5紅外偵察裝置加工了10萬個平面反射鏡,節約費用1千多萬美元。在1980~1990年這10年間,平面(50\’’50mm)、多面體(直徑90mm)、球面(直徑100mm)、非球面(直徑125mm)等4種軍用光學零件的加工費用,按保守的經濟效果計算,美國防部就總計節省約4億美元。
  金剛石車削機床是金剛石車削工藝的關鍵技術,沒有金剛石車削機床,就不可能實現金剛石車削加工光學零件新工藝。金剛石車削機床屬于高精密機床,機床的主軸精度和溜板運動精度比一般的機床要高出幾個數量級,主軸軸承和溜板導軌通常采用空氣軸承和油壓靜力支承結構,機床運動部件的相對位置采用激光位移測量裝置測定。在工件加工的整個過程中,采用激光干涉儀測量工件的面形誤差。車床上裝有反饋裝置,可以補償運動誤差。金剛石車床的主要生產廠家是美國的莫爾精密機床公司和普奈莫精密公司。進入90年代后,日本東芝機械公司也開始生產這種車床。莫爾精密機床公司生產銷售的主要產品是Moore M-18、-40非球面加工機,Moore T型床身機床,Moore光學平面加工機,Moore M-18油淋非球面加工機等。普奈莫精密公司生產出售的產品主要有MSG-325型、ASG-2500型、Nanoform600型、Ultra 2000型等金剛石車床。日本東芝機械公司生產出售產品是ULG-100A(H)金剛石車床。
  金剛石車床的價格十分昂貴,而且還不斷提高。以MSG325型車床為例,在80年代初每臺價為30~40萬美元,而到了90年代初每臺價已升高到將近100萬美元。這個價格對用戶來說是一個不小的經濟負擔,推廣普及應用有一定難度。因此,目前各國正在積極研究開發低成本的金剛石車削機床。下面介紹幾種目前正在推廣應用的金剛石車削機床。
(1)莫爾M-18非球面加工機
  莫爾M-18非球面加工機是一種3軸計算機數控超精密加工系統,可以使用單點金剛石刀具車削,也可以使用磨輪磨削,既能加工各種高精度平面、球面和非球面光學零件,又能加工模具表面和其它表面。金剛石車削和磨輪磨削相結合,擴大了機床的加工能力。例如加工精密模具,在一臺這樣的金剛石車床就能將其加工完成。首先使用磨輪在模具基體上加工出公差一致的面形,然后鍍制無電鎳,最后使用單點金剛石刀具,車削無電鎳表面,完成模具的精加工。該加工機床采用了Allen-Bradley7320型、8200型或通用電器公司2000型計算機數控系統,車床的位置控制采用了Newlett-Packard5501A型激光傳感器系統。莫爾M-18機床的主要技術性能指標如下:
  X軸行程410mm;Z軸行程230mm;空氣軸承主軸中心到工作臺面的距離為292mm,到旋轉工作臺面的距離為178mm;X軸和Z軸在全部行程上的直線性為0.5mm;X軸和Z軸在全部行程上的垂直度為1μrad;X軸Z軸在全部行程上的偏向角為0.5μrads;X軸Z軸全部行程上的定位精度1.5mm;X軸和Z軸每25.4mm行程的定位精度為0.5mm;B軸旋轉360°時的角度偏差為±3μrads;X軸和Z軸的讀數精度為5mm;B軸的讀數精度為1.3μrads;主軸的軸向誤差為0.05mm,徑向誤差為0.2mrad;機床的體積(高\’’長\’’寬)為1778\’’2032\’’1800mm。
 ?。?)普奈莫MSG-325型金剛石車床
  普奈莫MSG-325型金剛石車床是計算機數控型雙軸金剛石車床?;膊捎靡桓鮒?t的花崗巖底座,花崗巖底座裝在壓縮空氣墊上用于隔離振動,使振動減小到2Hz。X和Z溜板都安裝在花崗巖底座上,兩個溜板相互垂直安裝,在整個行程上的垂直精度在0.76mm以內。X溜板上裝有一個可以互換的刀架,Z溜板上裝有一個空氣軸承主軸。兩個溜板的運動的精確位置用一個激光傳感器系統測定,精度為0.025mm。
  該機床可以加工紅外和可見光波段應用的各種球面和非球面透鏡、菲涅耳透鏡、反射鏡、偏軸圓錐截面鏡、多面體反射鏡以及精密錄像鏡頭等光學零件。在光學零件加工過程中,可采用激光干涉儀對加工件進行面形非接觸測量?;駁鬧饕際跣閱苤副耆縵攏?
  機床的主軸采用空氣軸承,在1000轉/min時,在前端測量,其徑向和軸向跳動均為0.1mm;驅動馬達為1/3HP100~2400轉/min直流伺伏服馬達;采用空氣軸承的X溜板的名義尺寸為609\’’762mm,最大行程為304mm,最大移動速度20cm/min,水平方向運動誤差0.5mm,垂直方向運動誤差1.27mm,精密絲杠驅動馬達1HP0~2500轉/min;Z溜板最大行程為203mm,其它性能指標均與X溜板的相同;加工工件的直徑,正?;步峁溝奈?56mm,大孔徑機床結構的為560mm;加工工件的最大加工深度204mm;工件直徑為150mm時,加工工件的面形精度可達l/2。
 ?。?)ULG-100A(H)型超精密非球面金剛石車床
  該機床是日本東芝機械公司90年代產品,從1992年6月開始,每月生產2臺,每臺機床售價5000萬日元?;倉髦岵捎酶吒招猿蕓掌倉岢?,機床數控裝置具有反饋功能。它可加工各種光學零件和非球面透鏡模壓成型用金屬模具。加工精度可達0.01mm。模壓成型金屬模具利用金剛石刀具和磨輪進行車削和研磨加工,能達到鏡面質量?;駁鬧饕際跣閱苤副耆縵攏?nbsp;
  機床的X軸(研磨輪軸)最大行程為150mm;Z軸(工件軸)最大行程為100mm;研磨輪軸最高轉速為40000轉/min;研磨輪馬達1kW/40000轉/min;工件軸轉速20~1500轉/min;工件軸馬達0.25kW/3000轉/min;研磨輪主軸軸向和徑向跳動0.05mm;工件主軸軸向和徑向跳動0.05mm;X軸移動直線性0.1mm/150mm;Z軸移動直線性0.1mm/100mm。
 
3 光學玻璃透鏡模壓成型技術
 
  光學玻璃透鏡模壓成型技術是一種高精度光學元件加工技術,它是把軟化的玻璃放入高精度的模具中,在加溫加壓和無氧的條件下,一次性直接模壓成型出達到使用要求的光學零件。這項技術自80年代中期開發成功至今已有十幾年的歷史了,現在已成為國際上最先進的光學零件制造技術方法之一,在許多國家已進入生產實用階段。這項技術的普及推廣應用是光學行業在光學玻璃零件加工方面的重大革命。由于此項技術能夠直接壓制成型精密的非球面光學零件,從此便開創了光學儀器可以廣泛采用非球面玻璃光學零件的時代。因此,也給光電儀器的光學系統設計帶來了新的變化和發展,不僅使光學儀器縮小了體積、減少了重量、節省了材料、減少了光學零件鍍膜和工件裝配的工作量、降低了成本,而且還改善了光學儀器的性能,提高了光學成像的質量。
  光學玻璃模壓成型法制造光學零件有如下優點:①不需要傳統的粗磨、精磨、拋光、磨邊定中心等工序,就能使零件達到較高的尺寸精度、面形精度和表面粗糙度;②能夠節省大量的生產設備、工裝輔料、廠房面積和熟練的技術工人,使一個小型車間就可具備很高的生產力;③可很容易經濟地實現精密非球面光學零件的批量生產;④只要精確地控制模壓成型過程中的溫度和壓力等工藝參數,就能保證模壓成型光學零件的尺寸精度和重復精度;⑤可以模壓小型非球面透鏡陣列;⑥光學零件和安裝基準件可以制成一個整體。
  目前批量生產的模壓成型非球面光學零件的直徑為2~50mm,直徑公差為±0.01mm;厚度為0.4~25mm,厚度公差為±0.01mm;曲率半徑可達5mm;面形精度為1.5λ,表面粗糙度符合美國軍標為80-50;折射率可控制到±5×10-4mm,折射均勻性可以控制到<5×10-6mm;雙折射小于0.01λ/cm。
  現在,世界上已掌握這項先進玻璃光學零件制造技術的著名公司和廠家有美國的柯達、康寧公司,日本的大原、保谷、歐林巴斯、松下公司,德國的蔡司公司和荷蘭的菲利浦公司等。
  玻璃光學零件模壓成型技術是一項綜合技術,需要設計專用的模壓機床,采用高質量的模具和選用合理的工藝參數。成型的方法,玻璃的種類和毛坯,模具材料與模具制作,都是玻璃模壓成型中的關鍵技術。
  3.1 成型方法
  玻璃之所以能夠精密模壓成型,主要是因為開發了與軟化的玻璃不發生粘連的模具材料。
  原來的玻璃透鏡模壓成型法,是將熔融狀態的光學玻璃毛坯倒入高于玻璃轉化點50℃以上的低溫模具中加壓成形。這種方法不僅容易發生玻璃粘連在模具的模面上,而且產品還容易產生氣孔和冷模痕跡(皺紋),不易獲得理想的形狀和面形精度。后來,采用特殊材料精密加工成的壓型模具,在無氧化氣氛的環境中,將玻璃和模具一起加熱升溫至玻璃的軟化點附近,在玻璃和模具大致處于相同溫度條件下,利用模具對玻璃施壓。接下來,在保持所施壓力的狀態下,一邊冷卻模具,使其溫度降至玻璃的轉化點以下(玻璃的軟化點時的玻璃粘度約為107。6泊,玻璃的轉化點時的玻璃粘度約為1013。4泊)。這種將玻璃與模具一起實施等溫加壓的辦法叫等溫加壓法,是一種比較容易獲得高精度,即容易精密地將模具形狀表面復制下來的方法。這種玻璃光學零件的制造方法缺點是:加熱升溫、冷卻降溫都需要很長的時間,因此生產速度很慢。為了解決這個問題,于是對此方法進行了卓有成效的改進,即在一個模壓裝置中使用數個模具,以提高生產效率。然而非球面模具的造價很高,采用多個模具勢必造成成本過高。針對這種情況,進一步研究開發出與原來的透鏡毛坯成型條件比較相近一點的非等溫加壓法,借以提高每一個模具的生產速度和模具的使用壽命。另外,還有人正在研究開發把由熔融爐中流出來的玻璃直接精密成型的方法。
  3.2 玻璃的種類和毛坯 
  玻璃毛坯與模壓成型品的質量有直接的關系。按道理,大部分的光學玻璃都可用來模壓成成型品。但是,軟化點高的玻璃,由于成型溫度高,與模具稍微有些反應,致使模具的使用壽命很短。所以,從模具材料容易選擇、模具的使用壽命能夠延長的觀點出發,應開發適合低溫(600℃左右)條件下模壓成型的玻璃。然而,開發的適合低溫模壓成型的玻璃必需符合能夠廉價地制造毛坯和不含有污染環境的物質(如PbO、As2O3)的要求。對模壓成型使用的玻璃毛坯是有要求的:①壓型前毛坯的表面一定要保持十分光滑和清潔;②呈適當的幾何形狀;③有所需要的容量。毛坯一般都選用球形、圓餅形或球面形狀,采用冷研磨成型或熱壓成型。
  3.3 模具材料與模具加工
  模具材料需要具備如下特征:①表面無疵病,能夠研磨成無氣孔、光滑的光學鏡面;②在高溫環境條件下具有很高的耐氧化性能,而且結構等不發生變化,表面質量穩定,面形精度和光潔度保持不變;③不與玻璃起反應、發生粘連現象,脫模性能好;④在高溫條件下具有很高的硬度和強度等。
  現在已有不少有關開發模具材料的專利,最有代表性的模具材料是:以超硬合金做基體,表面鍍有貴金屬合金和氮化鈦等薄膜;以碳化硅和超硬合金做基體,表面鍍有硬質碳、金剛石狀碳等碳系薄膜;以及Cr2O-ZrO2-TiO2系新型陶瓷。
  玻璃透鏡壓型用的模具材料,一般都是硬脆材料,要想把這些模具材料精密加工成模具,必需使用高剛性的、分辨率能達到0.01μm以下的高分辨率超精密計算機數字控制加工機床,用金剛石磨輪進行磨削加工。磨削加工可獲得所期盼的形狀精度,但然后還需再稍加拋光精加工成光學鏡面才行。在進行高精度的非球面加工中,非球面面形的測試與評價技術是非常重要的。對微型透鏡壓型用模的加工,要求更加嚴格,必需進一步提高精度和減輕磨削的痕跡。 
  3.4 玻璃模壓成型技術的應用
  目前,光學玻璃透鏡模壓成型技術,已經用來批量生產精密的球面和非球面透鏡。平時,除了一般生產制造直徑為15mm左右的透鏡外,還能生產制造直徑為50mm的大口徑透鏡、微型透鏡陣列等。現已能制造每個透鏡的直徑為100μm的微型透鏡陣列。
 ?。?)制造軍用和民用光學儀器中使用的球面和非球面光學零件,如各透鏡、棱鏡、以及濾光片等; 
 ?。?)制造光通信用的光纖耦合器用非球面透鏡;
 ?。?)制造光盤用的聚光非球面透鏡。使用一塊模壓成型法制造的非球面透鏡,可代替光盤讀出器光學鏡頭內使用的三塊球面透鏡。由于模壓成型非球面透鏡的精度很高,不僅能夠控制和校正大數值孔徑的軸向像差,而且還使原來的光學鏡頭的重量減輕、成本降低30~50%。
 ?。?)制造照相機取景器非球面透鏡、電影放映機和照相機鏡頭的非球面透鏡等。美國僅柯達公司每年就需要壓型幾百萬個非球面光學零件。
 
4 光學塑料成型技術
 
  光學塑料成型技術是當前制造塑料非球面光學零件的先進技術,包括注射成型、鑄造成型和壓制成型等技術。光學塑料注射成型技術主要用來大量生產直徑100mm以下的非球面光學零件,也可制造微型透鏡陣列。而鑄造和壓制成型主要用于制造直徑為100mm以上的非球面透鏡光學零件。
    塑料非球面光學零件具有重量輕、成本低;光學零件和安裝部件可以注塑成為一個整體,節省裝配工作量;耐沖擊性能好等優點。因此,在軍事、攝影、醫學、工業等領域有著非常好的應用前景。美國在AN/AVS-6型飛行員微光夜視眼鏡中就采用了9塊非球面塑料透鏡。此外,在AN/PVS-7步兵微光夜視眼鏡、HOT夜視眼鏡、"銅斑蛇"激光制導炮彈導引頭和其他光電制導導引頭、激光測距機、軍用望遠鏡以及各種照相機的取景器中也都采用了非球面塑料透鏡。美國TBE公司在制造某種末制導自動導引頭用非球面光學零件時,曾對幾種光學塑料透鏡成型法作過經濟分析對比,認為采用注射成型法制造非球面光學塑料透鏡最為合算。
  4.1 注射成型法
    注射成型是將加熱成流體的定量的光學塑料注入到不銹鋼模具中,在加熱加壓條件下成型,冷卻固化后打開模具,便可獲得所需要的光學塑料零件。光學塑料注射成型的關鍵環節是模具,由于光學塑料模壓成型的工作溫度較低,所以對模具的要求要比對玻璃模壓成型模具的要求低一些。非球面模具的超精密加工相當困難,通常的加工都是首先在數控機床上將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,最后用拋光法加工成所要求的面形精度和表面粗糙度??墑?,由于數控機床的加工精度比較低,在模具加工過程中需要對模具進行反復檢測和修改,逐步地提高模具精度,從而使模具的成本變得很高。因而現在的模具,是用剛性好、分辨率高的計算機數控超精密非球面加工機床和非球面均勻拋光機超精密加工而成的。首先用計算機數控超精密非球面機床將模坯加工出面形精度達±0.1μμm的非球面,然后用拋光機在保持非球面面形精度不變的條件下均勻地輕拋光,大約拋去0.01μm,使模具表面的粗糙度得到提高。
  注射成型的光學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,長度公差達0.0076mm,厚度公差達0.012mm。
  介紹一種日本人發明的高精度塑料光學零件注射成型法--澆口密封成型法。
  澆口密封成型法,是一種向加熱至樹脂轉化溫度(Tg)以上的金屬模中注射熔融的樹脂(注射量應是:冷卻結束打開模具時樹脂的壓力剛好是大氣的壓力的量),迅速密封澆口,等溫度、壓力均勻后,在相對容積一定、溫度-壓力均勻條件下,徐徐冷卻至樹脂的熱變形溫度以下后,打開模具取出壓形品的成型方法。 
  首先,以大約130MP2的高壓,將高溫的熔融樹脂注射到模具中,在高溫(T1)下將澆口密封。密封在模具中的樹脂,其壓力在均勻化的過程中降至30MPa左右(此時的溫度為:比樹脂轉化溫度Tg高一些的某一溫度T2)。從注射開始經過一定時間后,就可由壓型機的合模裝置上將模具單體取下。單體模具經過緩緩冷卻后才可開模,取出壓型成品。
  澆口密封成型法的關鍵問題在于,注射到模具中的300℃左右高溫的熔融樹脂,如何以130MPa的壓力將澆口密封死。其做法是:在成型注射之前,先將一個小球放入金屬模具的澆口部,當向模具中注射熔融樹脂時,小球受到樹脂的擠壓就會從澆口處向靠近模穴一側移動。這時,在澆口部通往模穴的地方就會出現間隙,熔融樹脂從此間隙能夠流入到模穴中。而當注射成型機停止向模具內高壓注射樹脂時,由于壓差的原因,瞬間發生樹脂逆流現象,小球則被這種逆流的樹脂又從靠近模穴的一側推向模具的澆口處。此時,小球依靠高壓的樹脂所發生的擠壓力將模具澆口堵死,完成澆口密封工作。 
  該澆口密封成型法由于是樹脂注射后用小球進行澆口密封的,因而不需要保壓和壓縮機構及其工作。所以注射了樹脂后的金屬模具很容易從成型機上取下來,以金屬模具單體脫離成型機身的形式進行長時間的冷卻。這不但大大提高了成型機的工作效率,同時也提高了單位時間的生產效率。這種成型法可將一部分功能分配到機外的裝置中去完成,改變了過去那種功能只能在成型機裝置內進行的做法。 
  澆口密封成型工序分4步工序進行。
 ?。?)加熱工序。由金屬模具的外部進行傳導加熱。從成型品的取出溫度加熱到Tg(樹脂的轉化溫度-即模具加溫需要達到的溫度)以上的一定溫度為止,用很短的時間進行升溫,使熱度做到均勻化。
 ?。?)成型工序。向模具內注射熔融的樹脂,使小球將模具澆口密封后,為使溫度、壓力做到均勻化,對金屬模進行保溫。
 ?。?)緩冷工序。利用自行保持合模力的機構,一邊維持合模狀態,一邊從壓型機上取下壓型模。取下的單體壓型模具,采用自然空氣冷卻或是強制空氣冷卻的方式,以每分鐘1~2℃的速度逐漸降溫。
 ?。?)取出工序。從壓型模中取出成形品。由于壓型模具已從壓型機上取下,這時只要取下自行保持合模力的機構,就能打開型模取出成形品。在成形品取出過程中,由于樹脂的壓力相當于大氣的壓力,所以不需要推出裝置,只要打開突出分型面的部分,成形品就能離模。
  澆口密封成型法的關鍵要素,是金屬模具的溫度條件和注射充填條件(緩慢冷卻結束時樹脂壓力為大氣壓力的條件)。因此,既使是模壓成型形狀和體積不同的成型品,也不用改變注射時和冷卻結束時的金屬模具的溫度,只要有充裕的時間使溫度-壓力達到均勻化,并保持緩慢冷卻的速度,根據模穴的容積注射充填樹脂,就能進行高精度地復制。
  4.2 壓制成型法
  所謂壓制成型法就是將光學塑料毛坯放入金屬模具中模壓成光學塑料零件的一種方法。下面介紹其中一種壓制成型方法--再熔融成型法。
  再熔成型法,是將近似于成形品形狀的毛坯,插入具有復制面形、又使樹脂不能流出的金屬模具中,在模穴容積一定條件下,將模穴中的樹脂加熱至樹脂轉化溫度Tg以上,利用因樹脂的膨脹和軟化-熔融所發生的均勻的樹脂壓力,使樹脂緊密附著到模子的復制面上,等溫度-壓力均勻后,在相對容積一定、溫度-壓力均勻條件下,徐徐冷卻至樹脂的熱變形溫度以下,然后打開型模取出壓型成形品的一種光學塑料零件成形方法。
    再熔成型法,通過利用不同的工序確保壓形品的形狀創成和面形精度,緩和了成形品內的殘留應力和密度分布,實現了成形品的精度優良制作。再熔成型法工藝由下述2道工序組成。
 ?。?)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狀的毛坯成形品。
  毛坯成形工序,由于采用的是通常的注射成形法,在將熔融的樹脂向低于樹脂熱變形溫度的模具中注射充填過程中,表層部就會驟冷固化,毛坯會有收縮。若出現面形不能復制的話,則是殘留應力比較大的緣故。
 ?。?)面形復制工序。將毛坯插入具有復制面形、而又使樹脂不能流出外部的不同模具中,加熱-冷卻,進行面形復制。
  面形復制工序是將低精度的毛坯高精度化的一個工序。具有面形的模具,通過加熱至樹脂的Tg(樹脂轉化溫度)以上,殘留應力可以得到緩和。進而,由于加熱時樹脂的軟化-熱膨脹能使模穴內發生均勻的樹脂壓力,所以,能夠實現高精度的面形復制。
  為了防止發生溫度分布和壓力分布,冷卻需要緩慢進行,而且必需冷卻至樹脂熱變形溫度以下。這樣,開模取壓形品時,成形品才不會變形。另外,由于開模時的樹脂壓力必需大致相當于大氣壓力,因此,模穴容積一定條件下的毛坯的重量誤差也是應該引起重視的一個要點。 
  通過實施各自具有特征的毛坯工序和面形復制工序,可以構成能生產性能優良的塑料光學零件的制造系統。
  再熔成形法的面形復制工序的設備,除了能夠開、合型模的沖壓機外,還有不需要有澆口和噴嘴之類的部分金屬模具,制作起來很便宜。因此,設備增設起來很容易??梢愿萆康那榭?,適宜地進行設備投資,建立起一個相對應的柔性生產系統。 
  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藝,所以具有成形周期短、適合批量生產之優點。但是,面形復制工程必需實施加熱、冷卻工程,因此又存在著與澆口密封成型法一樣周期長的缺陷。然而,因為不需要像通常注射成形工藝那樣的注射、充填工序,所以也就不用考慮樹脂流路的問題。又因成形時產生的壓力小于30MPa(通常的注射成形為100MPa左右),故并不要求模具有很高的剛性。模具因為體積小而可使用多個,因此,可以采用多個模具彌補生產效率低的不足。由于加熱、冷卻容易控制,成形周期縮短,所以生產效率可以提高。
  另外,由于毛坯成型工序和面形復制工序能夠獨立操作,面形復制工序的沖壓機可以對每一個壓形品的成形條件進行設計,所以可以進行不同樹脂、不同形狀的成形品的混合生產。
  利用該成型法制作的非球面反射鏡經過形狀測量,結果是:在±100mm范圍內,反射面的彎曲(起伏)度在4μm以下,成形品的精度很高。
 
5 計算機數控研磨和拋光技術
 
  技算機數控研磨和拋光技術是一種由計算機控制的精密機床將工件表面磨削成所需要的面形,然后用柔性拋光模拋光,使工件在不改變精磨面形精度的條件下達到鏡面光潔度的光學零件制造技術。該技術主要用來加工中、大尺寸的非球面光學零件。加工零件時,磨削工具受計算機控制,在工件表面進行磨削去除加工。磨削工具根據工件的不同加工余量,在工件表面停留不同的時間來實現非球面加工。工件加工精度主要取決于測量精度和所采用的誤差校正方法。
  非球面光學零件的精密研磨拋光比較普遍采用的一種技術是:小型磨床修正研磨拋光法。
  小型磨床研磨拋光法分為縱向掃描和光柵掃描兩種方式。縱向掃描方式是:被加工的工件以一定的速度旋轉,拋光器則沿著貫穿工件軸心的斷面進行搖動。縱向掃描方式對工件軸心附近的形狀控制和非旋轉對稱部分的形狀誤差的修正研磨拋光比較困難,但是研磨時間可望縮短,設備比較簡單。光柵掃描方式則是:被加工的工件不旋轉,拋光器在工件的表面移動研磨拋光。這種方式不僅容易進行非旋轉對稱部分的修正研磨拋光,而且還可以進行離軸光學零件的研磨拋光加工。但是,此種方式的設備組成較為復雜,成本比較高。
  為了提高加工精度,小型磨床加工系統必需具備很高的精度和反復再現性、研磨去除量不隨時間變化而變化、高精度的模擬計算、和與實際研磨的一致性等條件。小型磨床研磨拋光加工的工藝流程大致如下:首先由三維測試機、激光干涉儀測出加工面的形狀精度,求出面形誤差。工作站根據面形誤差計算出需要研磨拋光的軌跡,并將該研磨拋光軌跡轉換成數控編碼傳送給磨床進行加工。加工完了后進行面形精度測試。面形精度若是沒有達到要求,再反復地進行計算、加工。通過這樣反復地進行面形測試、計算、修正研磨拋光,即可達到提高面形精度的目的。
  小型磨床最早是由美國研究開發的,其磨頭直徑不超過工件的1/3,由計算機計算去除量,加工精度比較高??梢愿呔鵲丶庸ぶ本?500~1800mm的大口徑非球面。目前,美國亞里桑那大學的光學中心,已基本上用計算機數控研磨拋光加工技術取代了傳統的手工研磨拋光加工非球面光學零件。另外美國羅徹斯特大學光學制造中心也已獲得了300多萬美元的國防基金和幾家大公司的資助,實現了非球面透鏡生產的自動化。
  80年代末,日本研制出了的超精密數控范成法研磨機,使用該研磨機加工出的光學零件,其面形精度達到了0.08μm,表面粗糙度的均方根值為0.2nm。若用瀝青拋光模進行加工,表面粗糙度的均方根值能達到0.035nm。最近,日本采用門型機械加工中心,使用4000#~8000#鑄鐵絲結合金剛石砂輪,利用ELID(在線電解修正法)磨削法,磨削BK-7光學玻璃,所獲得的非球面的面形精度為1μm,表面粗糙度為43nmRmax。
  德國的計算機數控研磨拋光技術很快。Loh公司生產的CNCSPM50和120研磨拋光機,不僅可以粗、精磨球面光學零件,而且還可以粗、精磨非球面光學零件。施耐德(SCHEIDER)光學機械公司90年代末制造的ALG100型計算機數控非球面磨床和ALP100型計算機數控非球面拋光機,可以高效率地進行非球面光學零件的生產。
  ALG100型計算機數控非球面磨床,可在對話框中直接輸入非球面加工參數,自動計算非球面磨削加工量;采用先進的導向裝置與旋轉加工技術,各軸與旋轉軸的傳動使用了高性能數字AC伺服傳動裝置;采用干涉測量系統加強加工過程中的工件的測量,能對工件的非球面加工進行優化調整;非球面加工中心能夠直接進行非球面或棱形的組合加工,具有綜合預加工的2、3維混合加工技術功能;旋轉軸采用高頻空氣軸承,可利用環形工具進行高速的球面預加工,能夠獲得最佳透鏡半徑等特性。
    ALG100非球面磨床的主要技術規格如下:加工工件尺寸:最大直徑為150mm,半徑為10mm的平面;軸數3軸(X,Z,B)X、Z;軸的推進(進刀)速度為0.01~5000mm/min;X、Z軸的位置往返精度為±0.001mm;B軸的推進(進刀)速度為0.01~4300°/min;B軸位置往返精度為±4";連接機構旋轉軸(H×D)25×42mm;主軸轉速度為5000~15000轉/min;工件軸轉速為25~1500轉/min;磨床外形尺寸1150×1900×1220mm;質量為1000kg。
  ALP100型計算機數控非球面拋光機,可以在對話框中直接輸入非球面加工參數;自動計算非球面拋光加工量;使用特殊加工的非球面磨具拋光;拋光參數可進行計算機數控、調節與觀察;可以優化計算機數控的拋光軌跡,制作出高表面質量的復雜的非球面幾何形狀;采用了先進的導向與轉軸技術,可高速地進行連續的軌跡拋光;各軸和旋轉軸都采用了高性能的數字式AC伺服傳動裝置;可基于圖形模式進行優化拋光的調整等特性。
該拋光機的主要技術規格如下:可加工工件的尺寸:最大直徑為150mm,半徑為10mm的平面;軸數3軸(X,Z,B);X、Z軸的推進(進刀)速度為0.01~5000mm/min;X、Z軸位置往返精度為±0.001mm;B軸的推進(進刀)速度)0.01~430°/min;B軸的位置往返精度為±4";連接機構旋轉軸25×42mm;主軸轉速度為50~2500轉/min;工件軸轉速為25~1500轉/min;拋光機外形尺寸1150×1900×1220mm;車床質量1000kg。
 
6 光學零件加工的柔性自動化技術
 
  近10多年來,計算機數控技術發展很快,已迅速被大多數工業加工行業所采用。目前,計算機數控的加工方法,特別是計算機數控加工中心已經被認為是增大加工的靈活性、提高工件加工的速度和質量的最基本的方法。在過去的年代里計算機數控技術在光學加工行業中的應用比較少,這幾年已經引起了行業專家們的重視。
  自1990年起,為滿足軍用光學系統目前和未來的需求,美國"陸軍制造技術計劃"支持發展新的技術。美陸軍材料司令部投資700萬美元在羅徹斯特大學建立起一個面積達1670m2的光學制造中心。該中心得到了美國精密光學制造協會和美國國防部的支持,其成員目前已有100來個。
  建立光學制造中心的目的,是想通過引進以定型加工為基礎的計算機數控加工機床,使勞動力密集型的光學加工技術迅速實現柔性自動化,從而改善美國在光學零件制造方面的能力,使美國工業的光學基礎恢復元氣。光學制造中心,通過和其成員之間的緊密聯系,加快了新技術的開發步伐,不久便開發出了稱之為光學自動化和管理(Opticam)的新光學加工技術。這種Opticam技術,以定型加工為基礎,通過計算機數控機床和柔性工具,實現光學零件加工的柔性自動化。
  1992年光學制造中心研制出了第1臺型號為Opticam SM的加工系統,實現了光學零件在計算機數控機床上加工的夢想。該機床的工具軸為具有空氣軸承的高速旋轉軸,其線速達50m/s。工具為金屬結合劑的金剛石環形磨輪,其粒度分別為20~10μm、12~6μm、4~2μm。在零件加工過程中,計算機控制進給,機械手更換夾具。該加工機床加工的光學零件其表面粗糙度(RMS)可達20nm以下,次表面的破壞層深度小于2μm。5分鐘內面形精度可達1λ(PV值)。1993年該中心又推出了第2代設計產品Opticam SX加工系統。這是一種非常靈活的運動精度為亞微米級的5軸計算機數控精密加工中心。使用的工具為由燒結金剛石磨料制成的環形磨輪。磨輪的轉速為10000轉/min,工件軸的轉速為200轉/min?;駁畝ㄎ瘓任?μm,轉角精度為1"。該系統能完成所有球面零件的粗磨、精磨、超精磨、定中心、磨邊、倒角等加工工序。能加工直徑為10~150mm的凹凸半球零件。加工出的光學零件的面形精度好于λ/3(P-V值),表面粗糙度的均方根值為3~10nm。目前這種Opticam機床已被12家光學零件制造廠使用,已生產出了可供標槍導彈、F-16飛機、目標捕獲指示瞄準具/駕駛員夜視傳感器和導彈尋的改進計劃等用的光學元件。
  Opticam技術的開發應用,極大的提高了光學加工的適應性和生產率,收益巨大。首先是,使光學零件加工擺脫了對熟練技術工人的依賴,工人不再需要進行長時間的培訓。只要利用給與的工件加工參數,任何計算機數控機床操作員均能生產出符合要求的光學零件,而且可以100%的提高產量。因此,它完全能夠應付因戰爭動員所造成的生產量驟增。其次是,不再為每種透鏡配備專用的工具與夾具,從而使光學零件的加工費用得以降低。羅徹斯特大學光學制造中心,曾利用初步得到的數據將這種新技術與傳統的光學加工方法作了比較,按保守估計得出的結論是,用新技術比用傳統的技術要平均節省20%的費用。其三是,由于Opticam技術提供的柔性加工能力使在同一臺機床上可以生產不同的光學零件,且很快就能拿出樣品,所以可使光學元件加工的總周期縮短30~60%。
 為了進一步完善Opticam技術在光學加工領域的應用,在"陸軍制作技術計劃"的支持下,羅徹斯特大學的光學制造中心正潛心作如下方面的工作:①針對Opticam SX加工系統加工出的玻璃透鏡仍需通過一次拋光工序的加工,才能去除次表面的損傷和使表面粗糙度的均方根值小于2μm,正在研究原蘇聯人Belarus發明的磁流體精加工技術。現已研制出利用磁流體拋光技術的Opticam磁流體拋光樣機和定型方法,下一步工作是研究確定磁流體拋光過程的特性和將其工作最佳化;②研制價格便宜的、加工直徑為2~50mm的透鏡用的Opticam micro SX機床,將Opticam技術擴展到微型透鏡加工領域。③進行金剛石磨料刀具最佳化和改進冷卻劑的研究。打算利用日本人發明的加工中電解整修技術,通過計算機控制電解去除研磨工具的粘結材料,在研磨中不斷地進行金剛石研磨工具的整修。④1996年,美國國防高級研究計劃局啟動新的600萬美元的技術再投資計劃,預將Opticam技術擴展到玻璃和易碎材料的非球面透鏡的制造領域。光學制造中心正在進行這項工作的研究,打算通過將定型微研磨技術與磁流體拋光技術相結合的做法來實現這一計劃。按計劃1999年實現制作設備商品化。
    另外,羅徹斯特大學光學制作中心還開始了有關制造非軸對稱和共形光學元件方法的研究,預將Opticam技術延伸到非徑向對稱元件的成形加工領域。
                                     

作者:戈良輝  時間:2013-08-07  點擊數:3354 【打印

 

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