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

國外光學加工技術(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零件。

從美國陸軍所作的一項調(diào)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(chǎn)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納了9塊非球面光學零件和2塊球面光學零件。

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技術(shù)快速進展。軍用光學系統(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)簡潔。這對光學加工行業(yè)是一個嚴峻考驗。為了跟上時代進展的步伐，設計和制作出質(zhì)地優(yōu)良的光學成像系統(tǒng)，光學零件加工行業(yè)于70年月開展了大規(guī)模技術(shù)革命和創(chuàng)新活動，討論開發(fā)出很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(shù)得到進一步地推廣和普及。目前，國外較為普遍采納的光學零件加工技術(shù)主要有：計算機數(shù)控單點金剛石車削技術(shù)、光學玻璃透鏡模壓成型技術(shù)、光學塑料成型技術(shù)、計算機數(shù)控研磨和拋光技術(shù)、環(huán)氧樹脂復制技術(shù)、電鑄成型技術(shù)……以及傳統(tǒng)的研磨拋光技術(shù)等。一.計算機數(shù)控單點金剛石車削技術(shù)計算機數(shù)控單點金剛石車削技術(shù)，是由美國國防科研機構(gòu)于60年月領先開發(fā)、80年月得以推廣應用的非球面光學零件加工技術(shù)。它是在超精密數(shù)控車床上，采納自然?單晶金剛石刀具，在對機床和加工環(huán)境進行精確掌握條件下，直接利用金剛石刀具單點車削加工出符合光學質(zhì)量要求的非球面光學零件。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零件，其特點是生產(chǎn)效率高、加工精度高、重復性好、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。采納該項金剛石車削技術(shù)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(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到光學表面質(zhì)量要求，需要進一部研磨拋光。計算機數(shù)控單點金剛石車削技術(shù)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(huán)氧樹脂光學零件用的機體等。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零件；與鍍硬碳膜工藝和環(huán)氧樹脂復制技術(shù)相結(jié)合，可生產(chǎn)較為廉價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℃低溫進行金剛石切削等措施，此項技術(shù)的應用范圍將可進一步擴大。

目前，美國亞里桑那高校光學中心已經(jīng)使用該技術(shù)取代了傳統(tǒng)的手工加工工藝，但加工玻璃光學零件時，還不能直接磨削成符合質(zhì)量要求的光學鏡面，仍舊需要進行柔性拋光。單點金剛石車削光學零件技術(shù)經(jīng)濟效果特別明顯，例如加工一個直徑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。而采納金剛石車削方法，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(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。用一臺車床，15個月就加工出了124個掃描旋轉(zhuǎn)反射鏡，質(zhì)量均達到了設計技術(shù)要求。每個旋轉(zhuǎn)反射鏡比用傳統(tǒng)的加工方法加工節(jié)省費用2770美元?；裟犴f爾公司用這種工藝生產(chǎn)了200個4面體旋轉(zhuǎn)鏡，共計節(jié)省近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(jié)省費用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(jīng)濟效果計算，美國防部就總計節(jié)約約4億美元。

金剛石車削機床是金剛石車削工藝的關(guān)鍵技術(shù)，沒有金剛石車削機床，就不行能實現(xiàn)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(shù)量級，主軸軸承和溜板導軌通常采納空氣軸承和油壓靜力支承結(jié)構(gòu)，機床運動部件的相對位置采納激光位移測量裝置測定。在工件加工的整個過程中，采納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(chǎn)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年月后，日本東芝機械公司也開頭生產(chǎn)這種車床。莫爾精密機床公司生產(chǎn)銷售的主要產(chǎn)品是MooreM-18、-40非球面加工機，MooreT型床身機床，Moore光學平面加工機，MooreM-18油淋非球面加工機等。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年月初每臺價為30～40萬美元，而到了90年月初每臺價已上升到將近100萬美元。這個價格對用戶來說是一個不小的經(jīng)濟負擔，推廣普及應用有肯定難度。因此，目前各國正在樂觀討論開發(fā)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(shù)控超精密加工系統(tǒng)，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(jié)合，擴大了機床的加工力量。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全都的面形，然后鍍制無電鎳，最終使用單點金剛石刀具，車削無電鎳表面，完成模具的精加工。該加工機床采納了Allen-Bradley7320型、8200型或通用電器公司2000型計算機數(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機床的主要技術(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)360°時的角度偏差為±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；機床的體積(高’長’寬)為1778’2032’1800mm。

(2)普奈莫MSG-325型金剛石車床普奈莫MSG-325型金剛石車床是計算機數(shù)控型雙軸金剛石車床。機床采納一個重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(nèi)。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(tǒng)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，可采納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(shù)性能指標如下：機床的主軸采納空氣軸承，在1000轉(zhuǎn)/min時，在前端測量，其徑向和軸向跳動均為0.1mm；驅(qū)動馬達為1/3HP100～2400轉(zhuǎn)/min直流伺伏服馬達；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(qū)動馬達1HP0～2500轉(zhuǎn)/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，正常機床結(jié)構(gòu)的為356mm，大孔徑機床結(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，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年月產(chǎn)品，從1992年6月開頭，每月生產(chǎn)2臺，每臺機床售價5000萬日元。機床主軸采納高剛性超精密空氣靜軸承，機床數(shù)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(zhì)量。機床的主