1. 引 言
K~Hp%. ` O|PP3S 如今我們不難發(fā)現(xiàn)，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，或多或少都采用了各種樣式的光學(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用了9塊非球面光學(xué)零件和2塊球面光學(xué)零件。
m\xE8D(, +MP`iuD O 從70年代開(kāi)始，以紅外熱成像和高能激光為代表的軍用光學(xué)技術(shù)迅速發(fā)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)單。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)代發(fā)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年代開(kāi)展了大規(guī)模技術(shù)革命和創(chuàng)新活動(dòng)，研究開(kāi)發(fā)出許多新的光學(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)外較為普遍采用的光學(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(shù)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。
y% x2 3xGk@ 3 33 2.計(jì)算機(jī)數(shù)控單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)
N_"mC^Vx 5//.q; z 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年代率先開(kāi)發(fā)、80年代得以推廣應(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，采用天然單晶金剛石刀具，在對(duì)機(jī)床和加工環(huán)境進(jìn)行精確控制條件下，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。采用該項(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。
! FVXNl F82_#|kpS 目前，采用金剛石車削技術(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。
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&E |0$wRl+kN 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(shù)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(shù)脂復(fù)制技術(shù)相結(jié)合，可生產(chǎn)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°C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)亞里桑那大學(xué)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，仍然需要進(jìn)行柔性拋光。
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W{2(f b 單點(diǎn)金剛石車削光學(xué)零件技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果非常明顯，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。而采用金剛石車削方法，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)約費(fèi)用2770美元。霍尼韋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)約近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)約費(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)省約4億美元。
Lg[_9 `\ Z6I^HG{: 金剛石車削機(jī)床是金剛石車削工藝的關(guān)鍵技術(shù)，沒(méi)有金剛石車削機(jī)床，就不可能實(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)軌通常采用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)位置采用激光位移測(cè)量裝置測(cè)定。在工件加工的整個(gè)過(guò)程中，采用激光干涉儀測(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年代后，日本東芝機(jī)械公司也開(kāi)始生產(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Moore M－18、－40非球面加工機(jī)，Moore T型床身機(jī)床，Moore光學(xué)平面加工機(jī)，Moore M -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、Nanoform 600型、Ultra 2000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。
+iYy^oXxw #(G #O1+ 金剛石車床的價(jià)格十分昂貴，而且還不斷提高。以MSG 325型車床為例，在80年代初每臺(tái)價(jià)為30~40萬(wàn)美元，而到了90年代初每臺(tái)價(jià)已升高到將近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)用有一定難度。因此，目前各國(guó)正在積極研究開(kāi)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.
Q(Dp116 ]Kb3'je (1) 莫爾M-18非球面加工機(jī)
Cp 2$I<T jP9)utEm6 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)床的加工能力。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一致的面形，然后鍍制無(wú)電鎳，最后使用單點(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)床采用了Allen-Bradley 7320 型、8200型或通用電器公司2000型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，車床的位置控制采用了Newlett-Packard 5501A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:
n/fMq,<8 [LJ1wBMw 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0.5µrad s ；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±3µrad s ；X軸和Z軸的讀數(shù)精度為5mm ；B軸的讀數(shù)精度為1.3µrad s ；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 。
{]w @s7E jI(}CT`g (2) 普奈莫MSG-325型金剛石車床
n-7|{1U ^gpswhp
5 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)床采用一個(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。
O67.DEu^ Gmi$Nl!~ 該機(jī)床可以加工紅外和可見(jiàn)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(guò)程中，可采用激光干涉儀對(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:
45;{tS.z,B ?Rj)x%fN 機(jī)床的主軸采用空氣軸承,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1/3HP 100~2400轉(zhuǎn)/min直流伺伏服馬達(dá)；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(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)1HP 0~2500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 。
*VF UC: i|5
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