大口径超半球蓝宝石整流罩的加工技术

大口径超半球蓝宝石整流罩的加工技术摘要：整流罩是空空导弹关键部件之一，起改善导弹气动特性与保护内部光学系统不受侵蚀的双重作用。蓝宝石材料硬度仅次于金刚石，所以尺寸越大，加工更加困难。分别从材料选择、产品铣磨、产品精磨、产品抛光等方面介绍了一种加工大口径超半球蓝宝石整流罩的工艺方法。

关键词：大口径；超半球；蓝宝石；整流罩；铣磨；精磨；抛光

0引言

单晶蓝宝石是一种物理特性、机械特性和化学特性三者独特组合的优良材料。因此,它在各种应用上具有不可估量的优点。由于蓝宝石表面特别硬，材料的硬度高(莫氏硬度为9),具有良好的光学性能和抗腐蚀性,光谱范围为0.3～6μm,所以常被用来作为红外空空导弹的整流罩和窗口材料。[1]

蓝宝石材料硬度高、脆性大,采用机械加工的方法加工蓝宝石材料是非常困难的。由于加工工艺和设备的限制，早期的红外空空导弹的整流罩大多采用球形整流罩,性能指标和技术水平相对较低,导弹的攻角较小，因而整流罩的口径和包角都比较小。目前国内对蓝宝石球罩的加工尺寸均在φ140mm以下,但对大尺寸蓝宝石整流罩的加工仍处于研究阶段。尤其是对大口径、超半球、大张角的蓝宝石整流罩的加工更是难上加难。

本文研究的大口径超半球蓝宝石整流罩主要指标是,表面质量B=IV,光圈数N=5,光圈误差ΔN=1,同心度0.02等。本文通过实际加工得出的经验，提出一套新型、行之有效的大口径超半球蓝宝石整流罩的加工工艺,并按照工艺流程论述了产品加工的主要方法。

1工艺流程

1.1晶体材料选择

如图1所示，整流罩的有效外径约为φ300mm，高度为200mm,厚度为8mm,要求材料气泡度为A0级，国内主要生长蓝宝石晶体的技术包括泡生法（KY）、热交换法（HEM）、提拉法（CZ）及坩埚下降法，通过各种方法对比，应用于光学级的蓝宝石还是泡生法（KY）及提拉法（CZ）品质较好，但因提拉法（CZ）生长的晶体尺寸相对较小，无法加工Φ300这种大尺寸整流罩，因此，100KG级泡生法（KY）生长的蓝宝石晶锭是应用于该整流罩的最佳选择。

图1晶体示意图

1.2产品铣磨

1.2.1铣磨成型

铣磨成形主要有三个难点：第一，宝石毛坯材料很重，粘接的牢固性要求很高。第二，宝石为超半球球罩，对铣磨刀具尺寸的精度要求高。第三，宝石球罩的同心度要求高。针对这三个难题，对工艺进行优化设计：设计精密的取料钻筒，控制毛坯的外径尺寸，减少宝石自重；采用特制粘接胶，使零件粘接牢固，能够有效承受铣磨压力；设计专用工装，有效的控制球罩同心度0.02mm。

1.3产品精磨

光学完工的几何面形要求—般很高，往往是在微米级精度，要达到这样高的精度，只能通过精磨这道工序逐级提高，从而为最后的抛光工序作好准备。下面主要从影响精磨质量的三个关键因素来分析。

1.3.1设备

蓝宝石材料硬度较高，各项光学技术指标要求高，对设备的精度、稳定性都具有很高的要求，传统的研磨设备主要有三大缺陷：速度较低且可调性差、设备压力可调性差（采用重锤或压铁）、加工空间小。如果采用传统的精磨设备来加工不仅生产效率很低、加工产品的尺寸范围也很小，达不到球罩的技术要求。

通过设备优化设计后,其主轴转速可以在0～500r/min任意调节,摆轴转速可达0-100r/min,压力的大小采用的是气动加压的方法,便于调节,可调范围为0-2Mpa.设备空间达到600×600mm，便于产品加工时摆幅的调节，提高产品磨削的均匀性。

1.3.2精磨模具及磨料

精磨模具材料常选用铸铁，但由于本产品尺寸较大，在精磨最后阶段时采用铸铁材料容易产生划痕,所以我们采用铜作为模具材料，经过多次精磨试验，产品的表面粗糙度较好。

磨料的选取磨料的选取也至关重要，根据蓝宝石材料特性选用碳化硼磨料。根据零件的大小选用不同粒度的磨料，可以保证精磨后的零件砂面均匀一致。

产品在精磨过程中由于零件的特殊结构特性，精磨模具的摆幅受限，我们设计了可调摆幅的专用设备，配置一套磨料循环装置，使磨料能够通过摆幅的调整随时添加到产品的各个位置，保证产品磨削时各个位置都有磨料覆盖，提高磨削效率。

1.3.3精磨工艺

精磨后的表面几何形状要比抛光完工零件差4～8个牛顿干涉圈，大约2微米左右，所以模具与零件的尺寸要恰当，光圈匹配，同时及时修正精磨模，使精磨磨具的光圈与零件的光圈匹配。

1.4产品抛光

抛光的目的：一是除去精磨后的凹凸层及裂纹层，使表面透明光滑，达到规定的表面疵病等级；二是精确地修正表面的几何形状，达到规定的面形精度N和ΔN。

通过对抛光方法、抛光模、抛光液等方面进行大量的实验，经过试验验证：当相关参数匹配如表1时，光圈比较稳定

表1

参数匹配表

本参数主要针对本文中介绍的产品，不同产品应根据不同环境进行相应的修正。

1.4.1抛光方法

利用CMP抛光的方式，结合传统抛光的修圈方法，实现了产品的抛光，不仅保证了产品的质量，也提高了加工效率。抛光过程中，面形精度使用光学样板检验其光圈数决定。

1.4.2抛光模和抛光液

抛光模的选择

采用的抛光模为金属机体附着抛光垫，抛光垫是一种微孔型聚氨酯发泡材料，聚氨酯抛光垫有着耐磨性好、抛光效率高、形变小的特点。其表面微观结构主要有微孔及微凸峰，微孔尺寸在数百纳米左右，微孔有封闭和敞开的，这些微孔能起到储存抛光液、收集加工去除物、以及保证化学腐蚀等作用。

抛光液的选择

选用A1203为主要的抛光液，其优点是粒径均匀、软硬度适中、粒度分布集中，没有特别大的颗粒，分散性好、乳液均一，极大提高了抛光效率和精度。但是该抛光液在不使用时易沉淀，所以需配置一台搅拌机，使用前将抛光液搅拌均匀方可进行抛光。

2结论

从宝石材料的选取、铣磨、精磨、抛光等工艺流程的试验得出：通过铣磨刀具、精磨设备和工艺、抛光辅料、工艺等方面的优化设计，加工出来的整流罩产品质量达到了设计要求。

光学零件表面质量的好坏是有诸多因素决定