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0431-81702023
光學工程
國外光學加工技術的發展現狀

      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。 <br>
      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。霍尼韋爾公司用這種工藝生產了200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型金剛石車床是計算機數控型雙軸金剛石車床。機床采用一個重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,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。
機床的主要技術性能指標如下:
      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203mm,其它性能指標均與X溜板的相同;加工工件的直徑,正常機床結構的為356mm,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。
(3)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。機床主軸采用高剛性超精密空氣靜軸承,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。
機床的主要技術性能指標如下:
      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。

 


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