張春雨，郭 兵，王金虎，趙清亮，孫金霞，陳洪許

(1.哈爾濱工業(yè)大學，哈爾濱 150001； 2.中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009)

高硬脆保形紅外整流罩的加工發(fā)展現(xiàn)狀

張春雨1，郭 兵1，王金虎1，趙清亮1，孫金霞2，陳洪許2

(1.哈爾濱工業(yè)大學，哈爾濱 150001； 2.中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009)

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(jié)構(gòu)整流罩，具有優(yōu)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(tǒng)分析了空空導彈整流罩結(jié)構(gòu)及其材料的發(fā)展趨勢，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。

保形； 整流罩； 紅外； 高硬脆； 加工

0 引 言

近三十年局部戰(zhàn)爭的經(jīng)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(zhàn)爭勝負的重要因素，因此，空空導彈成為各軍事強國優(yōu)先發(fā)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(fā)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(jié)構(gòu)。此外，由于導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具有優(yōu)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(gòu)都開展了針對紅外空空導彈整流罩結(jié)構(gòu)和材料的設計及優(yōu)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?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

目前應用前景廣泛的保形紅外光學整流罩[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彈在高速飛行過程中的空氣阻力。空氣阻力系數(shù)與長徑比的關(guān)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(chǎn)生的熱量，減小氣動光學效應對成像質(zhì)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(zhàn)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(jīng)成為世界各軍事強國的一個重要戰(zhàn)略研究方向。

圖1 保形光學整流罩(左)與傳統(tǒng)整流罩(右)[3]

圖2 阻力系數(shù)與整流罩長徑比的關(guān)系[4]

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(fā)展，具有優(yōu)良性能的紅外材料被陸續(xù)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(yōu)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(tǒng)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(jīng)無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]?？梢钥闯?，三種材料同時具有優(yōu)異的光學及機械性能。三種材料是目前國內(nèi)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]。

表1 三種透明紅外晶體材料性能參數(shù)[8]

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(jīng)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(guān)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(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300 mm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380 mm的單晶藍寶石[12]。國內(nèi)機構(gòu)如哈爾濱工業(yè)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(guān)于單晶藍寶石制備的研究。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180 mm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(shù)研究[16-17]?？傮w來說，國內(nèi)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(nèi)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(yōu)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(tǒng)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(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(nèi)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(yōu)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(nèi)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(guān)技術(shù)，制備出大尺寸ALON半球形的整流罩[6-7]。

國內(nèi)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(jīng)成功生產(chǎn)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(nèi)領先水平，該所正在開展有關(guān)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(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(jù)應用情況不同，三種材料都可作為高馬赫數(shù)導彈的優(yōu)選材料，也是未來高性能保形紅外整流罩發(fā)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(xiàn)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(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整流罩內(nèi)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(jié)果進行分析后修正面形，最終得到整流罩厚度面形誤差在50 μm以內(nèi)，兩個表面軸心誤差在13 μm以內(nèi)。

圖3 PCOT小組研制的保形導引頭[21]

美國CVD Rohm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(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(nèi)表面粗糙度可達2～18 nm，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(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6 h左右，并且最終達到表面粗糙度Ra值3.5 nm。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(nèi)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。

圖4 CVD法得到的心軸和ZnS頭罩[22-23]

圖5 氟化鎂保形整流罩外表面的加工過程[24]

圖6 氟化鎂保形整流罩內(nèi)表面加工及成品[24]

同時，雷神El Segundo公司與Elcan-Texas公司共同研發(fā)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]。

圖7 雷神El Segundo公司與Elcan-Texas公司共同研發(fā)的保形光學整流罩零位檢測裝置[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(shù)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(shù)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(nèi)表面為離軸球面，在頭罩頂點內(nèi)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(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程，并在后續(xù)進行了手工拋光以達到表面質(zhì)量要求。

圖8 羅徹斯特大學的超精密機床和ALON保形整流罩[25]

圖9 ALON保形整流罩內(nèi)外表面加工過程[25]

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(zhì)量與VIBE預拋光后表面質(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，縮減拋光時間可達10～50倍，每件整流罩的后續(xù)拋光時間減少60～300 h。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(chǎn)生的面形誤差[26]。

圖10 OptiMAX開發(fā)的VIBE預拋光工藝及結(jié)果[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(jié)構(gòu)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(fā)了最新的UFF加工系統(tǒng)。在UFF加工系統(tǒng)中利用金剛石帶進行超精密磨削，與傳統(tǒng)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(tǒng)中利用拋光帶進行后續(xù)的拋光處理，這種方法得到的整流罩面型PV值為8.4 μm，表面粗糙度RMS值為1.89 μm[27]，如圖12所示。

圖11 UFF加工系統(tǒng)超精密磨削過程[27]

圖12 UFF加工系統(tǒng)超精密拋光過程[27]

國防科技大學是國內(nèi)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(nèi)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(shù)和射流拋光技術(shù)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Form Taylorsurf PGI 1240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32 μm，表面粗糙度RMS值為8 μm，測量結(jié)果如圖16所示[28-32]。

圖13 熱壓多晶氟化鎂內(nèi)外表面的超精密加工[32]

圖14 熱壓多晶氟化鎂內(nèi)外表面的拋光加工[32]

圖15 熱壓多晶氟化鎂保形整流罩測量過程[32]

圖16 熱壓多晶氟化鎂保形整流罩測量結(jié)果[32]

哈爾濱工業(yè)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(fā)，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(jié)果如圖17所示。通過試驗結(jié)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(xiàn)較為明顯的脆性去除，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是因為ALON是一種多晶材料，試驗選取高溫燒結(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(xiàn)象。通過改善工藝，最終在D3樹脂結(jié)合劑砂輪的精加工下，工藝參數(shù)為磨軸6 000 rpm，主軸57 rpm，進給速度10 mm/min時，得到最優(yōu)的磨削表面質(zhì)量，Ra值為9.5 nm，Rt值為110 nm，如圖18所示。

圖17 ALON加工前后表面形貌

隨后，哈爾濱工業(yè)大學精密工程研究所對ALON保形整流罩內(nèi)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(nèi)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(jié)果顯示，50 mm面形精度PV值可達2 μm，表面粗糙度Ra值可達15 nm。

圖18 ALON內(nèi)外表面夾具

綜上，由于材料制備難度大及對加工設備精度要求高，國內(nèi)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。

圖19 ALON保形整流罩的外表面超精密磨削

圖20 ALON保形整流罩的在線測量

3 結(jié)論及展望

保形整流罩作為高效能紅外空空導彈光學系統(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到微米甚至亞微米級用以保證其內(nèi)部光學系統(tǒng)的成像質(zhì)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(fā)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(jīng)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(nèi)針對高硬脆性保形紅外整流罩加工的研究才剛剛起步。現(xiàn)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(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，因此加工過程中工具磨損嚴重，面形精度難以保證，且后續(xù)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(nèi)大部分單位保密及禁運，國內(nèi)自主研發(fā)超精密加工設備與國外還有一定差距，國內(nèi)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(shù)：國內(nèi)相應檢測手段有限，需要開發(fā)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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Current Status in Machining of Super Hard and Brittle Conformal Infrared Domes

Zhang Chunyu1, Guo Bing1, Wang Jinhu1, Zhao Qingliang1, Sun Jinxia2, Chen Hongxu2

(1.Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China； 2.China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China)

Super hard and brittle conformal infrared dome is a kind of conformal structure dome based on super hard and brittle infrared materials, so it has excellent mechanical and aerodynamic performance, and wide application prospect.The development trend of the air-to-air missile dome structure and materials is expounded, which is from the traditional to the super hard and brittle conformal. Then the conformal infrared dome proccessing research status is introduced. At the end, the processing difficulties and future researches for the super hard and brittle conformal infrared dome are studied.

conformal; dome; infrared; super hard and brittle; machining

10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.06.015

2016-03-25

航空科學基金項目(20140177003)；中國博士后科學基金項目(2015T80337)

張春雨(1988-)，男，黑龍江五常人，博士研究生，研究方向為超精密磨削技術(shù)。

TJ672.2

A

1673-5048(2016)06-0073-07