高硬脆保形紅外整流罩的加工范文

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摘要:

高硬脆保形紅外整流罩是一類(lèi)基于高硬脆紅外材料而研制的保形結(jié)構(gòu)整流罩，具有優(yōu)良的機(jī)械及氣動(dòng)性能，因此有廣泛的應(yīng)用前景。本文首先系統(tǒng)分析了空空導(dǎo)彈整流罩結(jié)構(gòu)及其材料的發(fā)展趨勢(shì)，即由傳統(tǒng)整流罩轉(zhuǎn)向高硬脆性保形紅外整流罩;然后介紹了保形紅外整流罩的加工研究現(xiàn)狀;最后對(duì)高硬脆性保形紅外整流罩加工工藝研究方面所面臨的困難及未來(lái)研究前景進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞:

保形;整流罩;紅外;高硬脆;加工

0引言

近三十年局部戰(zhàn)爭(zhēng)的經(jīng)驗(yàn)表明空空導(dǎo)彈已成為空中對(duì)抗的主要武器，其性能的好壞成為決定戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的重要因素，因此，空空導(dǎo)彈成為各軍事強(qiáng)國(guó)優(yōu)先發(fā)展的重要武器裝備。隨著紅外制導(dǎo)空空導(dǎo)彈的不斷升級(jí)革新，其飛行高速化、射程遠(yuǎn)距化的發(fā)展趨勢(shì)對(duì)降低飛行過(guò)程中的空氣阻力提出了很高要求，即導(dǎo)彈最前端位置的紅外整流罩須具有良好的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)。此外，由于導(dǎo)彈處于高速飛行的環(huán)境下，紅外整流罩在保證成像質(zhì)量的同時(shí)還要能夠承受高溫、高壓以及雨水和冰雹等環(huán)境因素的不利影響，因此紅外整流罩材料必須同時(shí)具有優(yōu)秀的光學(xué)、機(jī)械、耐熱、耐腐蝕等材料性能［1－2］。基于此，許多機(jī)構(gòu)都開(kāi)展了針對(duì)紅外空空導(dǎo)彈整流罩結(jié)構(gòu)和材料的設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究，先后研制出了多種類(lèi)型的保形紅外整流罩，以不斷適應(yīng)導(dǎo)彈更新?lián)Q代的發(fā)展需要。

1紅外整流罩的發(fā)展方向

1．1保形紅外整流罩

目前應(yīng)用前景廣泛的保形紅外光學(xué)整流罩［3］如圖1所示。與傳統(tǒng)的半球形整流罩相比，新型保形紅外整流罩能夠明顯降低導(dǎo)彈在高速飛行過(guò)程中的空氣阻力。空氣阻力系數(shù)與長(zhǎng)徑比的關(guān)系［4］(Ma=z)如圖2所示，從圖中可以看出，對(duì)整流罩進(jìn)行保形設(shè)計(jì)后，其長(zhǎng)徑比由半球形的0．5增加至1．5，導(dǎo)彈頭部整流罩飛行過(guò)程中的空氣阻力減少了大約50%(導(dǎo)彈頭部的阻力約占整個(gè)彈體所受阻力的一半)。此外，保形紅外光學(xué)整流罩還可以改善飛行器周?chē)目諝饬鲌?chǎng)，減少因高速摩擦而產(chǎn)生的熱量，減小氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)對(duì)成像質(zhì)量的影響，從而提高飛行速度、減小命中目標(biāo)所需的飛行時(shí)間、增大導(dǎo)彈射程或增加有效載荷，從而大幅提高導(dǎo)彈的作戰(zhàn)效能。因此，保形紅外光學(xué)整流罩在高性能精確制導(dǎo)武器中的作用越來(lái)越突出，其已經(jīng)成為世界各軍事強(qiáng)國(guó)的一個(gè)重要戰(zhàn)略研究方向。

1．2新型高硬脆紅外整流罩材料

隨著材料制備及加工領(lǐng)域的不斷發(fā)展，具有優(yōu)良性能的紅外材料被陸續(xù)應(yīng)用于導(dǎo)彈頭部整流罩。然而，新型高速導(dǎo)彈的紅外整流罩材料不僅要求具有優(yōu)良的光學(xué)性能，其硬度、耐磨、耐熱、抗沖擊性及耐腐蝕性等方面也必須達(dá)到相應(yīng)的要求。而諸如ZnS和MgF2等傳統(tǒng)的紅外整流罩材料雖具有良好的光學(xué)性能，但其機(jī)械性能已經(jīng)無(wú)法滿足紅外整流罩的發(fā)展要求［5－7］。因此，傳統(tǒng)的紅外材料正在逐漸被性能更好的新型紅外材料所取代。目前，新型紅外整流罩材料主要有藍(lán)寶石、鎂鋁尖晶石(MgAl2O4)以及氮氧化鋁(ALON)，其性能參數(shù)如表1所示［8］。可以看出，三種材料同時(shí)具有優(yōu)異的光學(xué)及機(jī)械性能。三種材料是目前國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的可用于新型紅外空空導(dǎo)彈整流罩的理想候選材料［9－13］。藍(lán)寶石的主要成分為Al2O3。相較于其他兩種材料，具有更好的機(jī)械性能、更高的硬度以及較強(qiáng)的耐磨損能力，所以用藍(lán)寶石制造的整流罩可以更薄，但是由于單晶藍(lán)寶石材料的制備及加工難度較大，導(dǎo)致其制作成保形光學(xué)元件更為困難［7］。目前，美國(guó)、以色列及俄羅斯等國(guó)家已經(jīng)分別將藍(lán)寶石作為整流罩材料應(yīng)用于軍用導(dǎo)彈［14－15］，并進(jìn)行大量相關(guān)的研究，但由于藍(lán)寶石晶體的各向異性以及晶體生長(zhǎng)難度較大，目前應(yīng)用于大尺寸保形紅外空空導(dǎo)彈的研究還比較少。因此，世界各國(guó)都對(duì)藍(lán)寶石整流罩毛坯晶體的生長(zhǎng)技術(shù)產(chǎn)生了濃厚的興趣，俄羅斯采用泡生法可以生產(chǎn)直徑最大達(dá)300mm的藍(lán)寶石晶體，美國(guó)學(xué)者利用熱交換法可制備出尺寸最大可達(dá)380mm的單晶藍(lán)寶石［12］。國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海光機(jī)所、浙江巨化光學(xué)材料有限公司等也開(kāi)展了一系列關(guān)于單晶藍(lán)寶石制備的研究。此外，北京有色金屬研究院已經(jīng)采用泡生法制備出口徑可達(dá)180mm的單晶藍(lán)寶石，該單位目前正進(jìn)行熱交換法的近尺寸成型技術(shù)研究［16－17］。總體來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)單位制備的單晶藍(lán)寶石在尺寸和性能方面較國(guó)外還具有一定差距，這為國(guó)內(nèi)采用藍(lán)寶石作為保形整流罩用紅外材料帶來(lái)了一定的困難。鎂鋁尖晶石化學(xué)式為MgAl2O4，是一種多晶陶瓷材料，擁有各向同性、抗磨損、耐沖擊、高硬度以及耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，并具有良好的紅外透光性［18］。美國(guó)CoorsCeramics公司率先開(kāi)展了多晶鎂鋁尖晶石的研究。隨著多晶鎂鋁尖晶石制備工藝的日趨成熟，其逐漸取代了傳統(tǒng)的紅外材料，被不斷應(yīng)用在新型中短程空空導(dǎo)彈上，成為高性能窗口和整流罩的候選材料。美國(guó)已經(jīng)生產(chǎn)了較大尺寸的尖晶石窗口和整流罩［12］。俄、法、英、日等國(guó)家也曾對(duì)尖晶石的制備和應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究和報(bào)道［6］。國(guó)內(nèi)上海硅酸鹽研究所等單位也正在進(jìn)行尖晶石制備方面的研究，但仍處于起步階段［19］。氮氧化鋁(ALON)的化學(xué)式為Al23O27N35，在近紅外波段具有較好的光學(xué)透過(guò)性，機(jī)械性能稍?xún)?yōu)于尖晶石，由于其多晶材料的特性，沒(méi)有各向異性的缺點(diǎn)，且制造成本遠(yuǎn)低于藍(lán)寶石，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均認(rèn)為其在光學(xué)窗口材料方面有很大的潛力，并開(kāi)始試制ALON［6，20］。美國(guó)Surmet公司在2002年得到了雷神公司的相關(guān)技術(shù)，制備出大尺寸ALON半球形的整流罩［6－7］。國(guó)內(nèi)對(duì)ALON的研究主要圍繞材料的制備方面展開(kāi)。人工晶體研究所開(kāi)展ALON的制備工藝研究比較早，已經(jīng)成功生產(chǎn)了具有較好機(jī)械性能的多晶ALON晶體，但光學(xué)性能與國(guó)外相比還有較大的距離［7，19］。上海硅酸鹽研究所制備的ALON材料性能處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，該所正在開(kāi)展有關(guān)ALON保形整流罩毛坯制造工藝的研究。綜上，藍(lán)寶石作為整流罩材料，其綜合性能最優(yōu)，但是成本高、難加工，并且具有各向異性;而ALON和尖晶石材料成本較低，加工難度相對(duì)較小且沒(méi)有各向異性，但機(jī)械性能不如單晶藍(lán)寶石。因此，根據(jù)應(yīng)用情況不同，三種材料都可作為高馬赫數(shù)導(dǎo)彈的優(yōu)選材料，也是未來(lái)高性能保形紅外整流罩發(fā)展的首選材料，具有廣泛的應(yīng)用前景。

2保形整流罩加工研究現(xiàn)狀

世界上第一個(gè)保形光學(xué)導(dǎo)引頭由美國(guó)PCOT保形光學(xué)小組于20世紀(jì)末研制成功，其結(jié)構(gòu)如圖3所示［21］。其中MgF2材質(zhì)的高陡度保形紅外光學(xué)整流罩內(nèi)外表面均采用單點(diǎn)金剛石車(chē)削直接加工而成，并對(duì)加工后外表面采用接觸式輪廓儀測(cè)量，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析后修正面形，最終得到整流罩厚度面形誤差在50μm以?xún)?nèi)，兩個(gè)表面軸心誤差在13μm以?xún)?nèi)。美國(guó)CVDRohm和Haas公司用化學(xué)氣相沉積方法成功制造出一系列保形光學(xué)整流罩［22－23］。加工過(guò)程首先用超精密機(jī)床加工一個(gè)具有保形內(nèi)表面曲線的銅基心軸并沉積Al涂層，隨后在芯軸上用CVD化學(xué)氣相沉積法鍍上一定厚度的ZnS薄膜直到達(dá)到保形整流罩外表面保形曲線尺寸，然后進(jìn)行芯軸抽離，最終得到滿足尺寸要求的保形紅外ZnS整流罩，其內(nèi)表面粗糙度可達(dá)2～18nm，見(jiàn)圖4。但此法制備的整流罩外表面仍需要二次精加工對(duì)面型精度進(jìn)行修整，而且隨著對(duì)保形紅外光學(xué)材料性能需求的提高，其紅外材料由ZnS轉(zhuǎn)向CaF2，MgF2等更高性能材料后，加之CVD本身的局限性，此法已經(jīng)不再適用。美國(guó)雷神公司成功加工了長(zhǎng)徑比可達(dá)1．5的保形紅外氟化鎂整流罩［24］。該整流罩從毛坯材料到加工完成，僅用6h左右，并且最終達(dá)到表面粗糙度Ra值3．5nm。該氟化鎂保形整流罩外表面采用電鍍金剛石碟片砂輪進(jìn)行超精密磨削加工，其加工全過(guò)程如圖5所示，內(nèi)表面采用球頭金剛石砂輪進(jìn)行超精密磨削加工，其加工過(guò)程及最終成型工件如圖6所示。同時(shí)，雷神ElSegundo公司與Elcan-Texas公司共同研發(fā)了針對(duì)保形紅外整流罩的光學(xué)性能檢測(cè)裝置，解決了高陡度保形紅外整流罩光學(xué)檢測(cè)所面臨的多方面難題，其檢測(cè)裝置如圖7所示［21］。美國(guó)羅徹斯特大學(xué)光學(xué)制造中心(COM)在超精密磨削加工技術(shù)研究領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平［25］。COM于2004年采用超精密磨削技術(shù)針對(duì)ALON紅外材料加工出了長(zhǎng)徑比為1．37的高陡度保形紅外光學(xué)整流罩。該ALON頭罩外表面為非球面，內(nèi)表面為離軸球面，在頭罩頂點(diǎn)內(nèi)外表面呈球面過(guò)渡，如圖8所示。不同于ZnS與MgF2，ALON具有高硬脆性，羅徹斯特大學(xué)就此采用超精密磨削的方式對(duì)保形整流罩進(jìn)行加工。由于材料的高硬脆性，后續(xù)拋光處理極為困難，圖9為ALON保形整流罩內(nèi)表面及外表面超精密加工過(guò)程，并在后續(xù)進(jìn)行了手工拋光以達(dá)到表面質(zhì)量要求。美國(guó)OptiMAX公司針對(duì)ALON，PCA等高硬脆保形紅外整流罩的難拋光問(wèn)題，在雷神公司研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并建立了VIBE預(yù)拋光工藝，并對(duì)比分析了磨削加工后表面質(zhì)量與VIBE預(yù)拋光后表面質(zhì)量的改變情況，其結(jié)果如圖10所示。根據(jù)結(jié)果估算，該VIBE工藝可以明顯改善磨削后的表面質(zhì)量，大大減少高硬脆材料后續(xù)拋光的工作量，縮減拋光時(shí)間可達(dá)10～50倍，每件整流罩的后續(xù)拋光時(shí)間減少60～300h。然而由于這種預(yù)拋光工藝存在明顯的不均一性，因此不能從根本上改善加工過(guò)程中產(chǎn)生的面形誤差［26］。近年來(lái)，為了解決在高硬脆保形紅外整理罩加工過(guò)程中高陡度結(jié)構(gòu)特性和高硬脆材料特性所帶來(lái)的工具磨損嚴(yán)重和面型精度誤差大等問(wèn)題，美國(guó)Optipro公司研制了可以加工一系列新型高性能硬脆材料保形紅外整流罩的加工設(shè)備并開(kāi)發(fā)了最新的UFF加工系統(tǒng)。在UFF加工系統(tǒng)中利用金剛石帶進(jìn)行超精密磨削，與傳統(tǒng)金剛石砂輪磨削相比，這一改進(jìn)避免了工具磨損帶來(lái)的影響，如圖11所示;在UFF加工系統(tǒng)中利用拋光帶進(jìn)行后續(xù)的拋光處理，這種方法得到的整流罩面型PV值為8．4μm，表面粗糙度RMS值為1．89μm［27］，如圖12所示。國(guó)防科技大學(xué)是國(guó)內(nèi)較早開(kāi)展保形光學(xué)整流罩加工研究的單位之一。該校學(xué)者對(duì)熱壓多晶MgF2保形紅外整流罩進(jìn)行了加工研究，首先采用磨削對(duì)其內(nèi)外表面進(jìn)行成型加工;然后采用單點(diǎn)金剛石車(chē)削進(jìn)行精加工，如圖13所示;最后用磁流變拋光技術(shù)和射流拋光技術(shù)對(duì)其進(jìn)行拋光處理，如圖14所示。隨后，還對(duì)已加工的保形整流罩進(jìn)行了曲線誤差測(cè)量，并通過(guò)FormTaylorsurfPGI1240輪廓儀進(jìn)行不同位置的拼接測(cè)量來(lái)表征其面形精度及表面粗糙度，如圖15所示，加工后的熱壓多晶氟化鎂保形紅外整流罩面行精度PV值為32μm，表面粗糙度RMS值為8μm，測(cè)量結(jié)果如圖16所示［28－32］。哈爾濱工業(yè)大學(xué)精密工程研究所針對(duì)ALON保形紅外整流罩的加工進(jìn)行了一系列的研究。首先，從ALON的磨削機(jī)理出發(fā)，進(jìn)行ALON磨削特點(diǎn)的研究，采用粒度為D15的砂輪，對(duì)ALON進(jìn)行超精密磨削試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖17所示。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析表明，ALON由于硬度和楊氏模量較大，磨削相對(duì)困難，磨削后表面出現(xiàn)較為明顯的脆性去除，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是因?yàn)锳LON是一種多晶材料，試驗(yàn)選取高溫?zé)Y(jié)法制備的ALON，材料本身晶粒尺寸較大，晶界間以及晶粒內(nèi)部存在較大的應(yīng)力以及缺陷，在砂輪粒度較大的磨削過(guò)程中，砂輪金剛石顆粒與材料表面相互作用力很大，極易造成晶粒脆性斷裂以及晶粒拔出等現(xiàn)象。通過(guò)改善工藝，最終在D3樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪的精加工下，工藝參數(shù)為磨軸6000rpm，主軸57rpm，進(jìn)給速度10mm/min時(shí)，得到最優(yōu)的磨削表面質(zhì)量，Ra值為9．5nm，Rt值為110nm，如圖18所示。隨后，哈爾濱工業(yè)大學(xué)精密工程研究所對(duì)ALON保形整流罩內(nèi)外表面裝夾裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)制造，如圖19所示。并在該夾具裝夾的基礎(chǔ)上進(jìn)行ALON保形整流罩內(nèi)外表面的超精密磨削加工及在線檢測(cè)，如圖20所示，對(duì)加工后的保形頭罩面形檢測(cè)結(jié)果顯示，50mm面形精度PV值可達(dá)2μm，表面粗糙度Ra值可達(dá)15nm。綜上，由于材料制備難度大及對(duì)加工設(shè)備精度要求高，國(guó)內(nèi)針對(duì)高硬脆性保形紅外整流罩的研究還主要集中在材料制備、保形光學(xué)設(shè)計(jì)及材料檢測(cè)等方面，其加工方面的研究剛剛起步。

3結(jié)論及展望

保形整流罩作為高效能紅外空空導(dǎo)彈光學(xué)系統(tǒng)中的重要一環(huán)，不但要求其內(nèi)外表面都具有較高的表面粗糙度以提高透光率，而且其面形精度也需達(dá)到微米甚至亞微米級(jí)用以保證其內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量;另一方面，為了抵抗導(dǎo)彈在高速飛行時(shí)需承受的巨大沖擊，保形整流罩用紅外材料正逐漸向高硬脆性紅外材料發(fā)展。目前，國(guó)外針對(duì)高硬脆性保形紅外整流罩加工工藝的研究已經(jīng)取得了一定的成果，并且部分研究成果已進(jìn)入了實(shí)際軍事驗(yàn)證階段，而國(guó)內(nèi)針對(duì)高硬脆性保形紅外整流罩加工的研究才剛剛起步?，F(xiàn)有研究表明其主要難點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面:

(1)材料制備:材料制備與國(guó)外還有很大差距，急需降低高硬脆材料的制備成本和縮短制造周期，提高材料光學(xué)性能和機(jī)械性能，并開(kāi)發(fā)穩(wěn)定的高硬脆材料制備工藝;

(2)加工工藝:由于材料硬度高脆性大，保形外形陡度高，因此加工過(guò)程中工具磨損嚴(yán)重，面形精度難以保證，且后續(xù)拋光難度大、效率低;

(3)設(shè)備基礎(chǔ):由于國(guó)外相應(yīng)超精密加工設(shè)備對(duì)國(guó)內(nèi)大部分單位保密及禁運(yùn)，國(guó)內(nèi)自主研發(fā)超精密加工設(shè)備與國(guó)外還有一定差距，國(guó)內(nèi)能進(jìn)行高硬脆性保形紅外整流罩超精密加工的設(shè)備極為有限;

(4)檢測(cè)技術(shù):國(guó)內(nèi)相應(yīng)檢測(cè)手段有限，需要開(kāi)發(fā)針對(duì)高陡度保形整流罩的相應(yīng)檢測(cè)方法，提高檢測(cè)水平。

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作者:張春雨 郭兵 王金虎 趙清亮 孫金霞 陳洪許 單位:哈爾濱工業(yè)大學(xué) 中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院