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基于高硬脆紅外材料而研制的保形結構整流罩，具有優良的機械及氣動性能，因此有廣泛的應用前景。本文首先系統分析了空空導彈整流罩結構及其材料的發展趨勢，即由傳統整流罩轉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狀;最后對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研究前景進行了探討。

關鍵詞:

保形;整流罩;紅外;高硬脆;加工

0引言

近三十年局部戰爭的經驗表明空空導彈已成為空中對抗的主要武器，其性能的好壞成為決定戰爭勝負的重要因素，因此，空空導彈成為各軍事強國優先發展的重要武器裝備。隨著紅外制導空空導彈的不斷升級革新，其飛行高速化、射程遠距化的發展趨勢對降低飛行過程中的空氣阻力提出了很高要求，即導彈最前端位置的紅外整流罩須具有良好的氣動結構。此外，由于導彈處于高速飛行的環境下，紅外整流罩在保證成像質量的同時還要能夠承受高溫、高壓以及雨水和冰雹等環境因素的不利影響，因此紅外整流罩材料必須同時具有優秀的光學、機械、耐熱、耐腐蝕等材料性能［1－2］。基于此，許多機構都開展了針對紅外空空導彈整流罩結構和材料的設計及優化研究，先后研制出了多種類型的保形紅外整流罩，以不斷適應導彈更新換代的發展需要。

1紅外整流罩的發展方向

1．1保形紅外整流罩

目前應用前景廣泛的保形紅外光學整流罩［3］如圖1所示。與傳統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彈在高速飛行過程中的空氣阻力。空氣阻力系數與長徑比的關系［4］(Ma=z)如圖2所示，從圖中可以看出，對整流罩進行保形設計后，其長徑比由半球形的0．5增加至1．5，導彈頭部整流罩飛行過程中的空氣阻力減少了大約50%(導彈頭部的阻力約占整個彈體所受阻力的一半)。此外，保形紅外光學整流罩還可以改善飛行器周圍的空氣流場，減少因高速摩擦而產生的熱量，減小氣動光學效應對成像質量的影響，從而提高飛行速度、減小命中目標所需的飛行時間、增大導彈射程或增加有效載荷，從而大幅提高導彈的作戰效能。因此，保形紅外光學整流罩在高性能精確制導武器中的作用越來越突出，其已經成為世界各軍事強國的一個重要戰略研究方向。

1．2新型高硬脆紅外整流罩材料

隨著材料制備及加工領域的不斷發展，具有優良性能的紅外材料被陸續應用于導彈頭部整流罩。然而，新型高速導彈的紅外整流罩材料不僅要求具有優良的光學性能，其硬度、耐磨、耐熱、抗沖擊性及耐腐蝕性等方面也必須達到相應的要求。而諸如ZnS和MgF2等傳統的紅外整流罩材料雖具有良好的光學性能，但其機械性能已經無法滿足紅外整流罩的發展要求［5－7］。因此，傳統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寶石、鎂鋁尖晶石(MgAl2O4)以及氮氧化鋁(ALON)，其性能參數如表1所示［8］。可以看出，三種材料同時具有優異的光學及機械性能。三種材料是目前國內外公認的可用于新型紅外空空導彈整流罩的理想候選材料［9－13］。藍寶石的主要成分為Al2O3。相較于其他兩種材料，具有更好的機械性能、更高的硬度以及較強的耐磨損能力，所以用藍寶石制造的整流罩可以更薄，但是由于單晶藍寶石材料的制備及加工難度較大，導致其制作成保形光學元件更為困難［7］。目前，美國、以色列及俄羅斯等國家已經分別將藍寶石作為整流罩材料應用于軍用導彈［14－15］，并進行大量相關的研究，但由于藍寶石晶體的各向異性以及晶體生長難度較大，目前應用于大尺寸保形紅外空空導彈的研究還比較少。因此，世界各國都對藍寶石整流罩毛坯晶體的生長技術產生了濃厚的興趣，俄羅斯采用泡生法可以生產直徑最大達300mm的藍寶石晶體，美國學者利用熱交換法可制備出尺寸最大可達380mm的單晶藍寶石［12］。國內機構如哈爾濱工業大學、上海光機所、浙江巨化光學材料有限公司等也開展了一系列關于單晶藍寶石制備的研究。此外，北京有色金屬研究院已經采用泡生法制備出口徑可達180mm的單晶藍寶石，該單位目前正進行熱交換法的近尺寸成型技術研究［16－17］。總體來說，國內單位制備的單晶藍寶石在尺寸和性能方面較國外還具有一定差距，這為國內采用藍寶石作為保形整流罩用紅外材料帶來了一定的困難。鎂鋁尖晶石化學式為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點，并具有良好的紅外透光性［18］。美國CoorsCeramics公司率先開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，其逐漸取代了傳統的紅外材料，被不斷應用在新型中短程空空導彈上，成為高性能窗口和整流罩的候選材料。美國已經生產了較大尺寸的尖晶石窗口和整流罩［12］。俄、法、英、日等國家也曾對尖晶石的制備和應用進行了大量的研究和報道［6］。國內上海硅酸鹽研究所等單位也正在進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)的化學式為Al23O27N35，在近紅外波段具有較好的光學透過性，機械性能稍優于尖晶石，由于其多晶材料的特性，沒有各向異性的缺點，且制造成本遠低于藍寶石，國內外學者均認為其在光學窗口材料方面有很大的潛力，并開始試制ALON［6，20］。美國Surmet公司在2002年得到了雷神公司的相關技術，制備出大尺寸ALON半球形的整流罩［6－7］。國內對ALON的研究主要圍繞材料的制備方面展開。人工晶體研究所開展ALON的制備工藝研究比較早，已經成功生產了具有較好機械性能的多晶ALON晶體，但光學性能與國外相比還有較大的距離［7，19］。上海硅酸鹽研究所制備的ALON材料性能處于國內領先水平，該所正在開展有關ALON保形整流罩毛坯制造工藝的研究。綜上，藍寶石作為整流罩材料，其綜合性能最優，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，加工難度相對較小且沒有各向異性，但機械性能不如單晶藍寶石。因此，根據應用情況不同，三種材料都可作為高馬赫數導彈的優選材料，也是未來高性能保形紅外整流罩發展的首選材料，具有廣泛的應用前景。

2保形整流罩加工研究現狀

世界上第一個保形光學導引頭由美國PCOT保形光學小組于20世紀末研制成功，其結構如圖3所示［21］。其中MgF2材質的高陡度保形紅外光學整流罩內外表面均采用單點金剛石車削直接加工而成，并對加工后外表面采用接觸式輪廓儀測量，對測量結果進行分析后修正面形，最終得到整流罩厚度面形誤差在50μm以內，兩個表面軸心誤差在13μm以內。美國CVDRohm和Haas公司用化學氣相沉積方法成功制造出一系列保形光學整流罩［22－23］。加工過程首先用超精密機床加工一個具有保形內表面曲線的銅基心軸并沉積Al涂層，隨后在芯軸上用CVD化學氣相沉積法鍍上一定厚度的ZnS薄膜直到達到保形整流罩外表面保形曲線尺寸，然后進行芯軸抽離，最終得到滿足尺寸要求的保形紅外ZnS整流罩，其內表面粗糙度可達2～18nm，見圖4。但此法制備的整流罩外表面仍需要二次精加工對面型精度進行修整，而且隨著對保形紅外光學材料性能需求的提高，其紅外材料由ZnS轉向CaF2，MgF2等更高性能材料后，加之CVD本身的局限性，此法已經不再適用。美國雷神公司成功加工了長徑比可達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行超精密磨削加工，其加工全過程如圖5所示，內表面采用球頭金剛石砂輪進行超精密磨削加工，其加工過程及最終成型工件如圖6所示。同時，雷神ElSegundo公司與Elcan-Texas公司共同研發了針對保形紅外整流罩的光學性能檢測裝置，解決了高陡度保形紅外整流罩光學檢測所面臨的多方面難題，其檢測裝置如圖7所示［21］。美國羅徹斯特大學光學制造中心(COM)在超精密磨削加工技術研究領域處于世界領先水平［25］。COM于2004年采用超精密磨削技術針對ALON紅外材料加工出了長徑比為1．37的高陡度保形紅外光學整流罩。該ALON頭罩外表面為非球面，內表面為離軸球面，在頭罩頂點內外表面呈球面過渡，如圖8所示。不同于ZnS與MgF2，ALON具有高硬脆性，羅徹斯特大學就此采用超精密磨削的方式對保形整流罩進行加工。由于材料的高硬脆性，后續拋光處理極為困難，圖9為ALON保形整流罩內表面及外表面超精密加工過程，并在后續進行了手工拋光以達到表面質量要求。美國OptiMAX公司針對ALON，PCA等高硬脆保形紅外整流罩的難拋光問題，在雷神公司研究的基礎上，設計并建立了VIBE預拋光工藝，并對比分析了磨削加工后表面質量與VIBE預拋光后表面質量的改變情況，其結果如圖10所示。根據結果估算，該VIBE工藝可以明顯改善磨削后的表面質量，大大減少高硬脆材料后續拋光的工作量，縮減拋光時間可達10～50倍，每件整流罩的后續拋光時間減少60～300h。然而由于這種預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程中產生的面形誤差［26］。近年來，為了解決在高硬脆保形紅外整理罩加工過程中高陡度結構特性和高硬脆材料特性所帶來的工具磨損嚴重和面型精度誤差大等問題，美國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備并開發了最新的UFF加工系統。在UFF加工系統中利用金剛石帶進行超精密磨削，與傳統金剛石砂輪磨削相比，這一改進避免了工具磨損帶來的影響，如圖11所示;在UFF加工系統中利用拋光帶進行后續的拋光處理，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。國防科技大學是國內較早開展保形光學整流罩加工研究的單位之一。該校學者對熱壓多晶MgF2保形紅外整流罩進行了加工研究，首先采用磨削對其內外表面進行成型加工;然后采用單點金剛石車削進行精加工，如圖13所示;最后用磁流變拋光技術和射流拋光技術對其進行拋光處理，如圖14所示。隨后，還對已加工的保形整流罩進行了曲線誤差測量，并通過FormTaylorsurfPGI1240輪廓儀進行不同位置的拼接測量來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，測量結果如圖16所示［28－32］。哈爾濱工業大學精密工程研究所針對ALON保形紅外整流罩的加工進行了一系列的研究。首先，從ALON的磨削機理出發，進行ALON磨削特點的研究，采用粒度為D15的砂輪，對ALON進行超精密磨削試驗，試驗結果如圖17所示。通過試驗結果分析表明，ALON由于硬度和楊氏模量較大，磨削相對困難，磨削后表面出現較為明顯的脆性去除，產生這種現象的原因是因為ALON是一種多晶材料，試驗選取高溫燒結法制備的ALON，材料本身晶粒尺寸較大，晶界間以及晶粒內部存在較大的應力以及缺陷，在砂輪粒度較大的磨削過程中，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象。通過改善工藝，最終在D3樹脂結合劑砂輪的精加工下，工藝參數為磨軸6000rpm，主軸57rpm，進給速度10mm/min時，得到最優的磨削表面質量，Ra值為9．5nm，Rt值為110nm，如圖18所示。隨后，哈爾濱工業大學精密工程研究所對ALON保形整流罩內外表面裝夾裝置進行了設計制造，如圖19所示。并在該夾具裝夾的基礎上進行ALON保形整流罩內外表面的超精密磨削加工及在線檢測，如圖20所示，對加工后的保形頭罩面形檢測結果顯示，50mm面形精度PV值可達2μm，表面粗糙度Ra值可達15nm。綜上，由于材料制備難度大及對加工設備精度要求高，國內針對高硬脆性保形紅外整流罩的研究還主要集中在材料制備、保形光學設計及材料檢測等方面，其加工方面的研究剛剛起步。

3結論及展望

保形整流罩作為高效能紅外空空導彈光學系統中的重要一環，不但要求其內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到微米甚至亞微米級用以保證其內部光學系統的成像質量;另一方面，為了抵抗導彈在高速飛行時需承受的巨大沖擊，保形整流罩用紅外材料正逐漸向高硬脆性紅外材料發展。目前，國外針對高硬脆性保形紅外整流罩加工工藝的研究已經取得了一定的成果，并且部分研究成果已進入了實際軍事驗證階段，而國內針對高硬脆性保形紅外整流罩加工的研究才剛剛起步。現有研究表明其主要難點包括以下幾個方面:

(1)材料制備:材料制備與國外還有很大差距，急需降低高硬脆材料的制備成本和縮短制造周期，提高材料光學性能和機械性能，并開發穩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，因此加工過程中工具磨損嚴重，面形精度難以保證，且后續拋光難度大、效率低;

(3)設備基礎:由于國外相應超精密加工設備對國內大部分單位保密及禁運，國內自主研發超精密加工設備與國外還有一定差距，國內能進行高硬脆性保形紅外整流罩超精密加工的設備極為有限;

(4)檢測技術:國內相應檢測手段有限，需要開發針對高陡度保形整流罩的相應檢測方法，提高檢測水平。

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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:哈爾濱工業大學 中國空空導彈研究院