CN111890522B - 球罩光学元件的加工方法 - Google Patents

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Abstract

一种球罩光学元件的制造方法，该方法包括：原材料定比混合、热等静压成型、素坯精细处理、高温烧结、铣磨成型、细磨、化学机械抛光、清洗并存储等工序。本发明将元件坯料烧结与精密制造融合在一起，实现了球罩元件的高精度加工，解决了目前球罩元件加工硬度大、加工效率低、容易变形、面形极难控制的难点，具有加工精度高、加工效率高的特点。

Description

球罩光学元件的加工方法
技术领域
本发明涉及光学元件加工，特别是一种球罩光学元件的加工方法。
背景技术
随着红外制导空空导弹的不断升级创新，要求空空导弹在高速飞行的过程中，不仅要保证高清晰成像质量，还要能够承受高温、高压以及恶劣天气等环境因素的不利影响，因此红外球罩材料必须同时具有良好的光学、机械、耐热、耐腐蚀等材料性能。目前新兴的红外陶瓷球罩元件是其中的首选材料。但是该类材料具有极高的硬度和较低的断裂韧性，在采用传统切削方法加工时，一方面刀具磨损严重，加工效率很低，另一方面容易出现材料断裂破坏和损伤等问题，是目前学界公认的难加工材料，也是阻碍其大规模工程应用的主要问题。本发明综合考虑该类元件从坯料制作到精密抛光的整个流程线，主要包括原材料定比混合、热等静压成型、高温烧结、铣磨成型、细磨、化学机械抛光、清洗并存储等工序。从该流程线发现：球罩材料高温烧结前后的硬度变化很大，而该类材料的高硬度也是影响其加工效率的主要因素。因此，本专利在高温烧结前增加素坯精细处理工序，在球罩硬度增加之前采用精密数控车床进行适当的减薄处理，减轻后期铣磨成型的压力，极大提高了该类元件的加工效率。
该发明从球罩元件的整个生产流程线出发，通过增加精细处理工序，大大提高了加工效率，可以在后期推广使用。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种球罩光学元件的加工方法，本发明将元件坯料烧结与精密制造融合在一起，实现了球罩元件的高精度加工，解决了目前球罩元件加工硬度大、加工效率低、容易变形、面形极难控制的难点，具有加工精度高、加工效率高的特点。
本发明的技术解决方案如下：
一种球罩光学元件的加工方法，其特点在于，包括以下步骤：
1)原材料定比混合：首先根据球罩元件最终性能指标、重量及设定尺寸进行球罩粉体材料比例及重量计算(一般包括球罩主材、辅材和粘合剂)，并按照计算结果进行称重、混合，最终得到均匀的粉体；
2)热等静压成型：把均匀的粉体放入热等静压成型设备中，设定温度、升温速率以及压力参数，然后启动设备进行热等静压成型；成型后取出球罩素坯，并利用千分尺进行尺寸测量，并查看有无裂纹等缺陷，满足要求后移交下一工序；
3)素坯精细处理：素坯成型后厚度较大，但硬度较低；而经过高温烧结后其硬度会增加很大，为了减轻后期铣磨成型压力，需要对素坯进行精细减薄处理。首先将素坯固定在精密数控车床工件架上，选择合适的刀具，然后将热等静压成型后的球罩素坯形状及尺寸参数在数控机床电脑上构图，并设定去除量、去除速度、去除路径参数，然后启动精密数控机床，按照精密数控车床设定参数对球罩素坯进行减薄处理；该工序完成后进行测量，满足要求后进入下一工序，如不满足则继续进行精密车床减薄工序。素坯精细处理工序减薄的厚度应略大于后期铣磨成型尺寸的2-3mm。素坯精细处理完成后采用千分尺测量外形尺寸。
4)高温烧结：将减薄处理后的素坯放入高温马弗炉中，设定烧结温度、升温速率、保温时间、降温速率参数，然后启动高温马弗炉进行高温烧结，高温烧结完成后取出球罩元件，并采用千分尺测量外形尺寸；满足公差要求后进入下一工序，如不满足则样品报废。
5)铣磨成型：球罩元件高温烧结后，硬度、强度很大，需要进行铣磨成型处理。首先根据图纸要求设定需要铣磨的公差范围，然后将高温烧结后的球罩元件固定在在数控光学铣磨加工中心工作台上，然后使用固着金刚石砂轮铣磨工件，铣磨完成后采用千分尺、触针式轮廓仪进行外型尺寸及面形检验，使用球径仪测量球罩半径并判断铣磨误差是否达到转工序要求，若达到要求则进入下一步，否则重新进行铣磨加工；
6)细磨(凸面)：球罩元件铣磨成型后，表面会留有刀纹，需要进一步进行散粒磨料处理以去除刀纹，并调整尺寸、平行度和面形参数。首先根据图纸要求设定需要细磨的公差范围并根据球罩元件口径和厚度制定相应的凹凸面细磨盘和上盘模。第一步进行凸面的细磨加工。首先根据球罩元件的口径和厚度选择合适的凸面上盘模并采用沥青点胶方式将球罩元件点胶上盘；然后将带有球罩元件(凸面朝上)的上盘模固定放置在二轴机的细磨位置；接着将球罩元件凸面细磨盘(细磨盘凹面与球罩凸面紧密接触)倒放在所述的球罩元件凸面上；将铁笔插入凸面细磨盘背部的固定孔中，并施加一定压力，使细磨盘凹面与球罩元件凸面之间紧密贴合；然后选择初始位置和进给量，启动二轴机同时施加散粒碳化硼磨料开始研磨；研磨一段时间约0.5h-1h后，停止机床，取下细磨盘并采用千分尺、触针式轮廓仪、球面样板等进行尺寸、面形以及等厚指标检测，如此反复，直到球罩元件凸面磨到公差范围时进行下盘；
7)细磨(凹面)：球罩元件凸面细磨完成后即进行凹面的细磨加工。首先将凹面细磨盘固定放置在二轴机的细磨位置；然后根据球罩元件的口径和厚度选择合适的凹面上盘模并采用沥青点胶方式将球罩元件点胶上盘；然后将带有球罩元件(凹面朝上)的上盘模倒扣在球罩元件凹面细磨盘(细磨盘凸面与球罩凹面紧密接触)；将铁笔插入凹面细磨盘背部的固定孔中，并施加一定压力，使细磨盘凸面与球罩元件凹面之间紧密贴合；然后选择初始位置和进给量，启动二轴机同时施加散粒碳化硼磨料开始研磨；研磨一段时间约0.5h-1h后，停止机床，取下细磨盘并采用千分尺、触针式轮廓仪、球面样板等进行尺寸、面形以及等厚指标检测，如此反复，直到球罩元件凹面磨到公差范围时进行下盘；
8)化学机械抛光：化学机械抛光的操作与细磨一致，主要采用散粒金刚石微粉进行抛光工序；抛光过程每0.5h-1h即检测一次，如果球罩元件的面形精度收敛到进入干涉仪量程后，即采用激光干涉仪对所述的球罩工件的面形进行测量，得到工件所需要的凹凸两个面的面形误差；在抛光过程中不断观察球罩光学元件表面形态，保证球罩光学元件完全抛亮且表面质量完好，直到球罩元件面形精度达到相应的技术要求；
9)面形精度终检检测：上述加工流程完成后，采用数字化激光干涉仪和表面疵病检测仪对球罩光学元件的面形和表面质量进行检测，当球罩光学元件面形精度和表面质量未满足要求根据反馈情况，则返回步骤8)，当所述的球罩光学元件面形精度和表面质量满足要求，则结束加工。
所述的球罩元件工装夹具和磨具需要根据球罩元件的尺寸和性能进行专门设计加工，且口径比元件大5-10mm。
本发明的优点是：
1)本发明充分考虑了球罩元件生产线的现状，从其薄弱点从出发，利用球罩元件在高温烧结前硬度低的特点，增加素坯精细处理工序，采用精密数控车床进行适当的减薄处理，减轻后期铣磨成型的压力，大幅度提高该类元件的加工效率，同时降低了加工成本，为未来批量稳定供货提供了新的思路。
附图说明
图1是本发明球罩光学元件加工方法的流程图
具体实施方式
下面参考附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
一种高精度高效率球罩光学元件的加工方法，流程图参见图1。本实施例以氧化锆陶瓷球罩元件(口径Ф131，厚度3.2mm，内径r＝62.72mm，外径R＝65.92mm，球冠58.5mm)为加工对象，该加工方法包括以下步骤：
1)原材料定比混合：该球罩材料主要为氧化锆材料，同时还有辅材氧化铈以及粘合剂；首先根据设定的球罩性能指标和重量、尺寸指标进行计算，其中氧化锆材料含量在70％，辅材氧化铈含量在25％，粘合剂含量在5％；然后分别按照计算结果进行材料称重并混合均匀；
2)热等静压成型：把混合均匀的粉体材料放入热等静压成型设备中，设定温度1000-1200℃，升温速度3-4℃/min，压力150-160兆帕，然后启动设备进行热等静压成型约3-4个小时；成型后取出球罩素坯，并利用千分尺进行尺寸测量约10-12mm，并查看有无裂纹等缺陷，满足设定要求后移交下一工序；
3)素坯精细处理：首先将氧化锆素坯固定在数控车床工件架上，选择点接触刀具，然后将素坯形状及尺寸参数在数控机床电脑上构图，并设定去除量0.1-0.2mm/min、去除速度400-500r/min、螺旋形路径，然后启动数控机床，按照既定参数对素坯进行减薄处理。素坯精细处理完成后采用千分尺测量外形尺寸，减薄后的厚度为4.5-5.5mm。
4)高温烧结：将减薄处理完成后的素坯放入高温马弗炉中，设定烧结温度1400-1500℃、升温速率4-5℃/min，压力180-200兆帕等参数，然后启动高温马弗炉进行素坯的高温烧结约4-5个小时以增加素坯球罩元件的强度和硬度。高温烧结完成后取出球罩元件，并采用千分尺测量外形尺寸。
5)铣磨成型：首先根据图纸要求设定需要铣磨的公差范围0.5-1mm，然后将高温烧结后的球罩元件固定在在数控光学铣磨加工中心工作台上，使用固着金刚石砂轮铣磨工件，铣磨完成后采用千分尺、触针式轮廓仪进行外型尺寸及面形检验，使用球径仪测量球罩半径冰判断铣磨误差是否达到转工序要求，若达到要求则进入下一步，否则重新进行铣磨加工；
6)细磨(凸面)：首先根据图纸要求设定需要细磨的公差范围0.3-0.5mm并根据尺寸制定相应的凹凸面细磨盘和上盘模。第一步进行凸面的细磨加工。首先根据球罩元件的口径和厚度选择合适的凸面上盘模(上盘模呈凸半球状，半径r与球罩内径r相等为62.72mm，口径比球罩口径大5-10mm)并采用沥青点胶方式将球罩元件点胶上盘；然后将带有球罩元件(凸面朝上)的上盘模固定放置在二轴机的细磨位置；接着将球罩元件凸面细磨盘(细磨盘呈凹半球状，半径R与球罩外径R相等为65.92mm，口径比球罩口径大5-10mm)倒放在所述的球罩元件凸面上；将铁笔插入凸面细磨盘背部的固定孔中，并施加一定压力，使细磨盘凹面与球罩元件凸面之间紧密贴合；然后选择初始位置和进给量，启动二轴机同时施加散粒碳化硼磨料开始研磨；研磨一段时间约0.5h-1h后，停止机床，取下细磨盘并采用千分尺、触针式轮廓仪、球面样板等进行尺寸、面形以及等厚指标检测，如此反复，直到球罩元件凸面磨到公差范围时进行下盘；
7)细磨(凹面)：球罩元件凸面细磨完成后即进行凹面的细磨加工，凹面细磨公差范围0.3-0.5mm。首先将凹面细磨盘固定放置在二轴机的细磨位置；然后根据球罩元件的口径和厚度选择合适的凹面上盘模(上盘模呈凹半球状，半径R与球罩外径R相等为65.92mm，口径比球罩口径大5-10mm)并采用沥青点胶方式将球罩元件点胶上盘；然后将带有球罩元件(凹面朝上)的上盘模倒扣在球罩元件凹面细磨盘(细磨盘呈凸半球状，半径r与球罩内径r相等为62.72mm，口径比球罩口径大5-10mm)；将铁笔插入凹面细磨盘背部的固定孔中，并施加一定压力，使细磨盘凸面与球罩元件凹面之间紧密贴合；然后选择初始位置和进给量，启动二轴机同时施加散粒碳化硼磨料开始研磨；研磨一段时间约0.5h-1h后，停止机床，取下细磨盘并采用千分尺、触针式轮廓仪、球面样板等进行尺寸、面形以及等厚指标检测，如此反复，直到球罩元件凹面磨到公差范围时进行下盘；
8)化学机械抛光：化学机械抛光的操作与细磨一致，主要采用散粒金刚石微粉进行抛光工序；抛光速度选取20-50r/min，抛光过程每0.5h-1h即检测一次，如果球罩元件的面形精度收敛到进入干涉仪量程后，即采用激光干涉仪对所述的球罩工件的面形进行测量，得到工件所需要的凹凸两个面的面形误差；在抛光过程中不断观察球罩光学元件表面形态，保证球罩光学元件完全抛亮且表面质量完好，直到球罩元件面形精度达到相应的技术要求；
9)面形精度终检检测：上述加工流程完成后，采用数字化激光干涉仪和表面疵病检测仪对球罩光学元件的面形和表面质量进行检测，当球罩光学元件面形精度和表面质量未满足要求根据反馈情况，则返回步骤8)，当所述的球罩光学元件面形精度和表面质量满足要求，则结束加工。

Claims (1)

1.一种球罩光学元件的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）原材料定比混合：首先根据球罩元件最终性能指标、重量及设定尺寸进行球罩粉体材料比例及重量计算，并按照计算结果进行称重、混合，最终得到均匀的粉体；
2）热等静压成型：把均匀的粉体放入热等静压成型设备中，设定温度、升温速率以及压力参数，然后启动设备进行热等静压成型；成型后取出球罩素坯，并利用千分尺进行尺寸测量，并查看有无裂纹缺陷，满足要求后移交下一工序；
3）素坯减薄处理：首先将素坯固定在精密数控车床工件架上，选择合适的刀具，然后将热等静压成型后的球罩素坯形状及尺寸参数在数控机床电脑上构图，并设定去除量、去除速度、去除路径参数，然后启动精密数控机床，按照精密数控车床设定参数对球罩素坯进行减薄处理；该工序完成后进行测量，满足要求后进入下一工序，如不满足则继续进行精密车床减薄工序；
4）高温烧结：将减薄处理后的素坯放入高温马弗炉中，设定烧结温度、升温速率、保温时间、降温速率参数，然后启动高温马弗炉进行高温烧结，高温烧结完成后取出球罩元件，并采用千分尺测量外形尺寸；满足公差要求后进入下一工序，如不满足则样品报废；
5）铣磨成型：首先根据图纸要求设定需要铣磨的公差范围，然后将高温烧结后的球罩元件固定在数控光学铣磨加工中心工作台上，然后使用固着金刚石砂轮铣磨工件，铣磨完成后采用千分尺、触针式轮廓仪进行外型尺寸及面形检验，使用球径仪测量球罩半径并判断铣磨误差是否达到转工序要求，若达到要求则进入下一步，否则重新进行铣磨加工；
6）凸面细磨：首先根据球罩元件的口径和厚度尺寸选择凸面上盘模并采用沥青点胶方式将球罩元件点胶上盘；然后将带有凸面朝上的球罩元件的上盘模固定放置在二轴机的细磨位置；接着将球罩元件凸面细磨盘倒放在所述的球罩元件凸面上；将铁笔插入凸面细磨盘背部的固定孔中，并施加一定压力，使细磨盘凹面与球罩元件凸面之间紧密贴合；然后选择初始位置和进给量，启动二轴机同时施加散粒碳化硼磨料开始研磨；
研磨一段时间约0.5h-1h后，停止机床，取下细磨盘并进行尺寸、面形以及等厚指标检测，如此反复，直到球罩元件凸面磨到公差范围时进行下盘；
7）凹面细磨：首先将凹面细磨盘固定放置在二轴机的细磨位置；然后根据球罩元件的尺寸选择合适的凹面上盘模并采用沥青点胶方式将球罩元件点胶上盘；然后将带有凹面朝上的球罩元件的上盘模倒扣在球罩元件凹面细磨盘；将铁笔插入凹面细磨盘背部的固定孔中，并施加一定压力，使细磨盘凸面与球罩元件凹面之间紧密贴合；然后选择初始位置和进给量，启动二轴机同时施加散粒碳化硼磨料开始研磨；
研磨一段时间约0.5h-1h后，停止机床，取下细磨盘并进行尺寸、面形以及等厚指标检测，如此反复，直到球罩元件凹面磨到公差范围时进行下盘；
8）化学机械抛光：化学机械抛光的操作与细磨一致，采用散粒金刚石微粉进行抛光工序；抛光过程每0.5h-1h即检测一次，如果球罩元件的面形精度收敛到进入干涉仪量程后，即采用激光干涉仪对所述的球罩元件的面形进行测量，得到工件所需要的凹凸两个面的面形误差；在抛光过程中不断观察球罩光学元件表面形态，保证球罩光学元件完全抛亮且表面质量完好，直到球罩元件面形精度达到相应的技术要求；
9）面形精度终检检测：上述加工流程完成后，采用数字化激光干涉仪和表面疵病检测仪对球罩光学元件的面形和表面质量进行检测，当球罩光学元件面形精度和表面质量未满足要求根据反馈情况，则返回步骤8），当所述的球罩光学元件面形精度和表面质量满足要求，则结束加工；
所述的球罩元件工装夹具和磨具需要根据球罩元件的尺寸和性能进行专门设计加工，且口径比元件大5-10mm。
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