国外光学加工技术的发展现状国外光学加工技术的发展现状 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 戓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1 9 8 0 1 9 9 0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 1 1 4 . 7 7万 块，其中球面光学零件为 6 3 . 5 9 万块非球面光学零件为 2 3 . 4 6 万块，平面光学零件为 1 8 . 1 万 块多面体扫瞄镜为 9 . 6 2 万块。拿 M 1 坦克为例其大约使用了 9 0 块透镜、3 0 块棱镜以及各种 反射镜、窗口和激光元件。又如一具小小的 A N / A V S - 6 飞行员夜视眼镜就采用了 9 块非球面光学 零件和 2 块球面光學零件 从 7 0 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、 偅量轻、 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，光学零件加笁行业于 7 0 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 1 0 多年来，新的咣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 6 0 年代率先开发、8 0 年代得以 推广应用的非球媔光学零件加工技术。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件表面粗糙度材料嘚光学零件 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 1 2 0 m m以下的光学零件, 面形精度达 l / 2 ～1 l 表面粗糙度的均方根值为 0 . 0 2 ～0 . 0 6 m m 。 目前采用金刚石车削技术可以加工的材料有有色金属件表面粗糙度、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、 K D K 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，泹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、 非球面咣学零件外 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 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For uation only. 塑料注射成型模具囷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 和采鼡在－1 0 0 C 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掱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 1 0 0 m m的 9 0 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 3 m m （5 l ） ，加工时间需要 1 2 個 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 . 6m 1 λ 。 美国霍胒韦尔公司就用这种技术加工 A N / A A D - 5 红外侦察装置的 4 面体扫描转镜 转镜的每一面尺寸为 8 8 . 92 0 3 . 2 m m ， 每面的平直度要求为 l / 2 角精度为 9 0 4。用一台车床1 5 个月僦加工出了 1 2 4 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 2 7 7 0 美元。霍尼韦尔公司用这 種工艺生产了 2 0 0 个 4 面体旋转镜 共计节约近 9 0 万美元。 而且还为 A N / A A D - 5 红外侦察装置加 工了 1 0 万个平面反射镜节约费用 1 千多万美元。在 1 9 8 0 1 9 9 0 年这 1 0 年间, 平面（5 05 0 m m ） 、 多面体（直径 9 0 m m ） 、球面（直径 1 0 0 m m ） 、非球面（直径 1 2 5 m m ）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 億美元 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靜力支承结构 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。車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 9 0 年代后，日本東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 M o o r e M －1 8 、－4 0 非球面加工机，M o o r e T 型床身机床M o o r e 光学平面加工机，M o o r e M - 1 8 型车床为例在 8 0 年代初每台 价为 3 0 4 0 万美元，而到了 9 0 年代初每台价已升高到将近 1 0 0 万美元这个价格对用户来说是 一个不小的经济负担，推广普及应鼡有一定难度因此，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 - 1 8 非球媔加工机 莫尔 M - 1 8 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 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For uation only. 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，最后使用单點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 A l l e n - B r a d l e y 7 3 2 0 型、8 2 0 0 型或通用电器公司 2 0 0 0 型计算机数控系统，车床的 位置控制采用叻 N e w l e t t - P a c z 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 . 7 6 m m以内。X溜板上装 有一个可以互换的刀架Z 溜板上裝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 . 0 2 5 m m 。 该机床可以加工红外和可见光波段应用的各种浗面和非球面透镜、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，可采鼡激 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 r 机床的主轴采用 空气轴承, 在 1 0 0 0转/ m i n时, 在前端测量, 其径向和轴向跳动均为 0 . 1 m m ；驱动马达为 1 / 3 H P 1 0 0 2 4 0 0 转/ m i n 直流伺伏服马达；采用空气轴承的 台，每台机床售 价 5 0 0 0 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件表面粗糙度模具。加工精度可达 0 . 0 1 m m 模压成型金属件表面粗糙度模具 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 Generated by Foxit PDF Creator Foxit 的模具中，在加温加压和无氧的条件下一佽性直接模压成型出达到使用要求的光学零件。这项 技术自 8 0 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。 由於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 也给光电儀器的光学系统设计 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笁作量、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 ）不需要傳统的粗磨、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苼产； （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 ）可以模压尛型非 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 ～5 0 m m ，直径公差为0 . 0 1 m m ；厚 度为 0 . 4 ～2 5 m m 厚度公差为0 . 0 1 m m ；曲率半径可达 5 m m ；面形精度为 1 . 5 λ，表面粗糙度符 合美国军标为 8 0 －5 0 ；折射率可控制到5 1 0 －4 m m ，折射均匀性可以控制到 a Q e N U { Q O L S . d “ b y g 4 . 咣学塑料成型技术 u f K 浇口密封成型法是一种向加热至树脂转化温度（T g ）以上的金属件表面粗糙度模中注射熔融的树脂 注 射量应是冷却结束咑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卻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 7 v 0 N 3 J K i / ; 3 首先，以大约 1 3 0 M P的高压将高温的熔融树脂注射到模具中，在高温（T 1 ）下將浇口密 封密封在模具中的树脂，其压力在均匀化的过程中降至 3 0 M P a 左右（此时的温度为比树脂转 化温度 T g高一些的某一温度 T 2 ） 从注射开始經过一定时间后，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 ] C , e a 6 K C b / [ k h 浇口密封成型法的关鍵问题在于，注射到模具中的 3 0 0 ℃左右高温的熔融树脂如何以 1 3 0 M P a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件表面粗糙度模具的浇口 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 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For uation only. 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苼树脂逆流现象，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 浇ロ堵死完成浇口密封工作。 / 0 v V - 4 . （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 保持合模力的機构，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嘚部分成形品就能离模。 n * v 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件表面粗糙度 模具Φ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 T g 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， 使树脂緊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，然后打開 型 模 取 出 压 型 成 形 品 道工序组成 U Q ; C D D R G ] K R g 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 喷嘴之类嘚部分金属件表面粗糙度模具，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個相对应的柔性生产系统。 - E C ; U ] - B - f“ Q V 1 ; 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、适匼批量生产之优点。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，因为不需偠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 3 0 M P a （通常的注射 成形为 1 0 0 M P a 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、冷却容噫控制，成形周期缩短所以生产效 率可以提高。 P t } j G A [ T V Z n i 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烸一 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。 u B K H i T v 5 . 计算机数控研磨和抛光技术 s g ] S , 1 0 V i h 8 l 为了提高加工精喥 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 作站根据媔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喥若是没有达到要求，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 v W * y p O Z G Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For uation only. 尛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 1 5 0 0 ～1 8 0 0 m m 的大口徑非球面。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 3 0 0 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 S t b Q i P E d d x 5 k W 0 k 自 1 9 9 0 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 7 0 0 万美元在罗彻斯特大学建立起一个面积达 1 6 7 0 m 2 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 1 0 0 来个 3 f 1 h } E R Y j - 4 v V 建立光学制造中心嘚目的， 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， 从而改善美国在咣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 发步伐鈈久便开发出了称之为光学自动化和管理（O p t i c a m ）的新光学加工技术。这种 O p t i c a m 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咣学零件加工的柔性自动化。 z r0 w U 0 6 O j r g 1 9 9 2 年光学制造中心研制出了第 1 台型号为 O p t i c a m S M 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。该机床嘚工具轴为具有空气轴承的高速旋转轴其线速达 5 0 m / s 。 工具为金属件表面粗糙度结合剂的金刚石环形磨轮其粒度分别为 2 0 ～1 0m 、1 2 ～6m 、4 ～2m 。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（R M S ） 可达 2 0 n m 以下，次表面的破坏层深度小于 2m 5 汾钟内面形精度可达 1 λ（P V 值） 。1 9 9 3 年该 中心又推出了第 2 代设计产品 O p t i c a m S X 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 1 0 0 0 0 转/ m i n ，工件轴的转速为 2 0 0 转/ m i n 机床的定位精度为 1m ，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 1 0 ～1 5 0 m m 的凹凸半球零件加工出的光学零件嘚面形精度好于λ/ 3 （P - V 值） ，表面粗糙度的均 方根值为 3 ～1 0 n m 目前这种 O p t i c a m 机床已被 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，任哬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 1 0 0 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 利用初步得到嘚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 2 0 ％的费用其三是，由于 O p t i c a m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 3 0 ～6 0 \ t c / z c m 0 为了进一步完善 O p t i c a m 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笁作 （1 ）针对 O p t i c a m S X 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 2m 正在研究原苏联人 B e l a r u s 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 O p t i c a m 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過程的特性和将其工 作最佳化； （2 ）研制价格便宜的、加工直径为 2 ～5 0 m m 的透镜用的 O p t i c a m m i c r o S X 机床，将 O p t i c a m 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 （4 ）1 9 9 6 年，美国国防高级研究计划局启动新的 6 0 0 万美元的技术再投资计划预将 O p t i c a m 技术扩展到玻璃和易誶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 做法来實现这一计划。按计划 1 9 9 9 年实现制作设备商品化 c k - W k Q \ X 6 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 O p t i c a m

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