2022年行業(yè)分析國(guó)外光學(xué)加工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外光學(xué)加工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀如今我們不難發(fā)覺，軍用武器系統(tǒng)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，或多或少都采納了各種樣式的光學(xué)零件。

從美國(guó)陸軍所作的一項(xiàng)調(diào)查報(bào)告的材料中我們知道，1980～1990年美國(guó)軍用激光和紅外熱成像產(chǎn)品所需要的各種光學(xué)零件就有114.77萬(wàn)塊，其中球面光學(xué)零件為63.59萬(wàn)塊，非球面光學(xué)零件為23.46萬(wàn)塊，平面光學(xué)零件為18.1萬(wàn)塊，多面體掃瞄鏡為9.62萬(wàn)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納了9塊非球面光學(xué)零件和2塊球面光學(xué)零件。

從70年月開頭，以紅外熱成像和高能激光為代表的軍用光學(xué)技術(shù)快速進(jìn)展。軍用光學(xué)系統(tǒng)不但要求成像質(zhì)量好，而且要求體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔。這對(duì)光學(xué)加工行業(yè)是一個(gè)嚴(yán)峻考驗(yàn)。為了跟上時(shí)代進(jìn)展的步伐，設(shè)計(jì)和制作出質(zhì)地優(yōu)良的光學(xué)成像系統(tǒng)，光學(xué)零件加工行業(yè)于70年月開展了大規(guī)模技術(shù)革命和創(chuàng)新活動(dòng)，討論開發(fā)出很多新的光學(xué)零件加工方法，如非球面光學(xué)零件的加工法。近10多年來(lái)，新的光學(xué)零件加工技術(shù)得到進(jìn)一步地推廣和普及。目前，國(guó)外較為普遍采納的光學(xué)零件加工技術(shù)主要有：計(jì)算機(jī)數(shù)控單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)、光學(xué)玻璃透鏡模壓成型技術(shù)、光學(xué)塑料成型技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控研磨和拋光技術(shù)、環(huán)氧樹脂復(fù)制技術(shù)、電鑄成型技術(shù)……以及傳統(tǒng)的研磨拋光技術(shù)等。一.計(jì)算機(jī)數(shù)控單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)計(jì)算機(jī)數(shù)控單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)，是由美國(guó)國(guó)防科研機(jī)構(gòu)于60年月領(lǐng)先開發(fā)、80年月得以推廣應(yīng)用的非球面光學(xué)零件加工技術(shù)。它是在超精密數(shù)控車床上，采納自然?單晶金剛石刀具，在對(duì)機(jī)床和加工環(huán)境進(jìn)行精確掌握條件下，直接利用金剛石刀具單點(diǎn)車削加工出符合光學(xué)質(zhì)量要求的非球面光學(xué)零件。該技術(shù)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(xué)零件，其特點(diǎn)是生產(chǎn)效率高、加工精度高、重復(fù)性好、適合批量生產(chǎn)、加工成本比傳統(tǒng)的加工技術(shù)明顯降低。采納該項(xiàng)金剛石車削技術(shù)加工出來(lái)的直徑120mm以下的光學(xué)零件，面形精度達(dá)l/2～1l，表面粗糙度的均方根值為0.02～0.06mm。

目前，采納金剛石車削技術(shù)可以加工的材料有：有色金屬、鍺、塑料、紅外光學(xué)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(wú)電鎳、鈹銅、鍺基硫族化合物玻璃等。上述材料均可直接達(dá)到光學(xué)表面質(zhì)量要求。此技術(shù)還可加工玻璃、鈦、鎢等材料，但是目前還不能直接達(dá)到光學(xué)表面質(zhì)量要求，需要進(jìn)一部研磨拋光。計(jì)算機(jī)數(shù)控單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)除了可以用來(lái)直接加工球面、非球面光學(xué)零件外，還可以用來(lái)加工各種光學(xué)零件的成型模具和光學(xué)零件機(jī)體，例如加工玻璃模壓成型模具、復(fù)制模具、光學(xué)塑料注射成型模具和加工復(fù)制環(huán)氧樹脂光學(xué)零件用的機(jī)體等。該技術(shù)與離子束拋光技術(shù)相結(jié)合，可以加工高精度非球面光學(xué)零件；與鍍硬碳膜工藝和環(huán)氧樹脂復(fù)制技術(shù)相結(jié)合，可生產(chǎn)較為廉價(jià)的精密非球面反射鏡和透鏡。假如在金剛石車床上增加磨削附件或采納陶瓷刀具、安裝精密夾具和采納在-100℃低溫進(jìn)行金剛石切削等措施，此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用范圍將可進(jìn)一步擴(kuò)大。

目前，美國(guó)亞里桑那高校光學(xué)中心已經(jīng)使用該技術(shù)取代了傳統(tǒng)的手工加工工藝，但加工玻璃光學(xué)零件時(shí)，還不能直接磨削成符合質(zhì)量要求的光學(xué)鏡面，仍舊需要進(jìn)行柔性拋光。單點(diǎn)金剛石車削光學(xué)零件技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果特別明顯，例如加工一個(gè)直徑100mm的90°離軸拋物面鏡，若用傳統(tǒng)的研磨拋光工藝方法加工，面形精度最高達(dá)到3mm(5l)，加工時(shí)間需要12個(gè)月，每一個(gè)拋物面鏡的加工成本為5萬(wàn)美元。而采納金剛石車削方法，3個(gè)星期就能完成，加工成本只有0.4萬(wàn)美元，面形精度可達(dá)0.6μm(1λ)。美國(guó)霍尼韋爾公司就用這種技術(shù)加工AN/AAD-5紅外偵察裝置的4面體掃描轉(zhuǎn)鏡。轉(zhuǎn)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(tái)車床，15個(gè)月就加工出了124個(gè)掃描旋轉(zhuǎn)反射鏡，質(zhì)量均達(dá)到了設(shè)計(jì)技術(shù)要求。每個(gè)旋轉(zhuǎn)反射鏡比用傳統(tǒng)的加工方法加工節(jié)省費(fèi)用2770美元?；裟犴f爾公司用這種工藝生產(chǎn)了200個(gè)4面體旋轉(zhuǎn)鏡，共計(jì)節(jié)省近90萬(wàn)美元。而且還為AN/AAD-5紅外偵察裝置加工了10萬(wàn)個(gè)平面反射鏡，節(jié)省費(fèi)用1千多萬(wàn)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(xué)零件的加工費(fèi)用，按保守的經(jīng)濟(jì)效果計(jì)算，美國(guó)防部就總計(jì)節(jié)約約4億美元。

金剛石車削機(jī)床是金剛石車削工藝的關(guān)鍵技術(shù)，沒有金剛石車削機(jī)床，就不行能實(shí)現(xiàn)金剛石車削加工光學(xué)零件新工藝。金剛石車削機(jī)床屬于高精密機(jī)床，機(jī)床的主軸精度和溜板運(yùn)動(dòng)精度比一般的機(jī)床要高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，主軸軸承和溜板導(dǎo)軌通常采納空氣軸承和油壓靜力支承結(jié)構(gòu)，機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的相對(duì)位置采納激光位移測(cè)量裝置測(cè)定。在工件加工的整個(gè)過程中，采納激光干涉儀測(cè)量工件的面形誤差。車床上裝有反饋裝置，可以補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)誤差。金剛石車床的主要生產(chǎn)廠家是美國(guó)的莫爾精密機(jī)床公司和普奈莫精密公司。進(jìn)入90年月后，日本東芝機(jī)械公司也開頭生產(chǎn)這種車床。莫爾精密機(jī)床公司生產(chǎn)銷售的主要產(chǎn)品是MooreM-18、-40非球面加工機(jī)，MooreT型床身機(jī)床，Moore光學(xué)平面加工機(jī)，MooreM-18油淋非球面加工機(jī)等。普奈莫精密公司生產(chǎn)出售的產(chǎn)品主要有MSG-325型、ASG-2500型、Nanoform600型、Ultra2000型等金剛石車床。日本東芝機(jī)械公司生產(chǎn)出售產(chǎn)品是ULG-100A(H)金剛石車床。

金剛石車床的價(jià)格非常昂貴，而且還不斷提高。以MSG325型車床為例，在80年月初每臺(tái)價(jià)為30～40萬(wàn)美元，而到了90年月初每臺(tái)價(jià)已上升到將近100萬(wàn)美元。這個(gè)價(jià)格對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是一個(gè)不小的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，推廣普及應(yīng)用有肯定難度。因此，目前各國(guó)正在樂觀討論開發(fā)低成本的金剛石車削機(jī)床。下面介紹幾種目前正在推廣應(yīng)用的金剛石車削機(jī)床。

(1)莫爾M-18非球面加工機(jī)莫爾M-18非球面加工機(jī)是一種3軸計(jì)算機(jī)數(shù)控超精密加工系統(tǒng)，可以使用單點(diǎn)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(xué)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(jié)合，擴(kuò)大了機(jī)床的加工力量。例如加工精密模具，在一臺(tái)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全都的面形，然后鍍制無(wú)電鎳，最終使用單點(diǎn)金剛石刀具，車削無(wú)電鎳表面，完成模具的精加工。該加工機(jī)床采納了Allen-Bradley7320型、8200型或通用電器公司2000型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，車床的位置掌握采納了Newlett-Packard5501A型激光傳感器系統(tǒng)。莫爾M-18機(jī)床的主要技術(shù)性能指標(biāo)如下：X軸行程410mm；Z軸行程230mm；空氣軸承主軸中心到工作臺(tái)面的距離為292mm，到旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)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(zhuǎn)360°時(shí)的角度偏差為±3μrads；X軸和Z軸的讀數(shù)精度為5mm；B軸的讀數(shù)精度為1.3μrads；主軸的軸向誤差為0.05mm，徑向誤差為0.2mrad；機(jī)床的體積(高’長(zhǎng)’寬)為1778’2032’1800mm。

(2)普奈莫MSG-325型金剛石車床普奈莫MSG-325型金剛石車床是計(jì)算機(jī)數(shù)控型雙軸金剛石車床。機(jī)床采納一個(gè)重6t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(dòng)，使振動(dòng)減小到2Hz。X和Z溜板都安裝在花崗巖底座上，兩個(gè)溜板相互垂直安裝，在整個(gè)行程上的垂直精度在0.76mm以內(nèi)。X溜板上裝有一個(gè)可以互換的刀架，Z溜板上裝有一個(gè)空氣軸承主軸。兩個(gè)溜板的運(yùn)動(dòng)的精確位置用一個(gè)激光傳感器系統(tǒng)測(cè)定，精度為0.025mm。該機(jī)床可以加工紅外和可見光波段應(yīng)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(xué)零件。在光學(xué)零件加工過程中，可采納激光干涉儀對(duì)加工件進(jìn)行面形非接觸測(cè)量。機(jī)床的主要技術(shù)性能指標(biāo)如下：機(jī)床的主軸采納空氣軸承，在1000轉(zhuǎn)/min時(shí)，在前端測(cè)量，其徑向和軸向跳動(dòng)均為0.1mm；驅(qū)動(dòng)馬達(dá)為1/3HP100～2400轉(zhuǎn)/min直流伺伏服馬達(dá)；采納空氣軸承的X溜板的名義尺寸為609’762mm，最大行程為304mm，最大移動(dòng)速度20cm/min，水平方向運(yùn)動(dòng)誤差0.5mm，垂直方向運(yùn)動(dòng)誤差1.27mm，精密絲杠驅(qū)動(dòng)馬達(dá)1HP0～2500轉(zhuǎn)/min；Z溜板最大行程為203mm，其它性能指標(biāo)均與X溜板的相同；加工工件的直徑，正常機(jī)床結(jié)構(gòu)的為356mm，大孔徑機(jī)床結(jié)構(gòu)的為560mm；加工工件的最大加工深度204mm；工件直徑為150mm時(shí)，加工工件的面形精度可達(dá)l/2。

(3)ULG-100A(H)型超精密非球面金剛石車床該機(jī)床是日本東芝機(jī)械公司90年月產(chǎn)品，從1992年6月開頭，每月生產(chǎn)2臺(tái)，每臺(tái)機(jī)床售價(jià)5000萬(wàn)日元。機(jī)床主軸采納高剛性超精密空氣靜軸承，機(jī)床數(shù)控裝置具有反饋功能。它可加工各種光學(xué)零件和非球面透鏡模壓成型用金屬模具。加工精度可達(dá)0.01mm。模壓成型金屬模具利用金剛石刀具和磨輪進(jìn)行車削和研磨加工，能達(dá)到鏡面質(zhì)量。機(jī)床的主