高硬脆保形红外整流罩的加工发展现状

张春雨，郭 兵，王金虎，赵清亮，孙金霞，陈洪许

(1.哈尔滨工业大学，哈尔滨 150001； 2.中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009)

高硬脆保形红外整流罩的加工发展现状

张春雨1，郭 兵1，王金虎1，赵清亮1，孙金霞2，陈洪许2

(1.哈尔滨工业大学，哈尔滨 150001； 2.中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009)

高硬脆保形红外整流罩是一类基于高硬脆红外材料而研制的保形结构整流罩，具有优良的机械及气动性能，因此有广泛的应用前景。本文首先系统分析了空空导弹整流罩结构及其材料的发展趋势，即由传统整流罩转向高硬脆性保形红外整流罩； 然后介绍了保形红外整流罩的加工研究现状； 最后对高硬脆性保形红外整流罩加工工艺研究方面所面临的困难及未来研究前景进行了探讨。

保形； 整流罩； 红外； 高硬脆； 加工

0 引 言

近三十年局部战争的经验表明空空导弹已成为空中对抗的主要武器，其性能的好坏成为决定战争胜负的重要因素，因此，空空导弹成为各军事强国优先发展的重要武器装备。

随着红外制导空空导弹的不断升级革新，其飞行高速化、射程远距化的发展趋势对降低飞行过程中的空气阻力提出了很高要求，即导弹最前端位置的红外整流罩须具有良好的气动结构。此外，由于导弹处于高速飞行的环境下，红外整流罩在保证成像质量的同时还要能够承受高温、高压以及雨水和冰雹等环境因素的不利影响，因此红外整流罩材料必须同时具有优秀的光学、机械、耐热、耐腐蚀等材料性能[1-2]。基于此，许多机构都开展了针对红外空空导弹整流罩结构和材料的设计及优化研究，先后研制出了多种类型的保形红外整流罩，以不断适应导弹更新换代的发展需要。

1 红外整流罩的发展方向

1.1 保形红外整流罩

目前应用前景广泛的保形红外光学整流罩[3]如图1所示。与传统的半球形整流罩相比，新型保形红外整流罩能够明显降低导弹在高速飞行过程中的空气阻力。空气阻力系数与长径比的关系[4](Ma=z)如图2所示，从图中可以看出，对整流罩进行保形设计后，其长径比由半球形的0.5增加至1.5，导弹头部整流罩飞行过程中的空气阻力减少了大约50%(导弹头部的阻力约占整个弹体所受阻力的一半)。此外，保形红外光学整流罩还可以改善飞行器周围的空气流场，减少因高速摩擦而产生的热量，减小气动光学效应对成像质量的影响，从而提高飞行速度、减小命中目标所需的飞行时间、增大导弹射程或增加有效载荷，从而大幅提高导弹的作战效能。因此，保形红外光学整流罩在高性能精确制导武器中的作用越来越突出，其已经成为世界各军事强国的一个重要战略研究方向。

图1 保形光学整流罩(左)与传统整流罩(右)[3]

图2 阻力系数与整流罩长径比的关系[4]

1.2 新型高硬脆红外整流罩材料

随着材料制备及加工领域的不断发展，具有优良性能的红外材料被陆续应用于导弹头部整流罩。然而，新型高速导弹的红外整流罩材料不仅要求具有优良的光学性能，其硬度、耐磨、耐热、抗冲击性及耐腐蚀性等方面也必须达到相应的要求。而诸如ZnS和MgF2等传统的红外整流罩材料虽具有良好的光学性能，但其机械性能已经无法满足红外整流罩的发展要求[5-7]。因此，传统的红外材料正在逐渐被性能更好的新型红外材料所取代。

目前，新型红外整流罩材料主要有蓝宝石、镁铝尖晶石(MgAl2O4)以及氮氧化铝(ALON)，其性能参数如表1所示[8]。可以看出，三种材料同时具有优异的光学及机械性能。三种材料是目前国内外公认的可用于新型红外空空导弹整流罩的理想候选材料[9-13]。

表1 三种透明红外晶体材料性能参数[8]

蓝宝石的主要成分为Al2O3。相较于其他两种材料，具有更好的机械性能、更高的硬度以及较强的耐磨损能力，所以用蓝宝石制造的整流罩可以更薄，但是由于单晶蓝宝石材料的制备及加工难度较大，导致其制作成保形光学元件更为困难[7]。目前，美国、以色列及俄罗斯等国家已经分别将蓝宝石作为整流罩材料应用于军用导弹[14-15]，并进行大量相关的研究，但由于蓝宝石晶体的各向异性以及晶体生长难度较大，目前应用于大尺寸保形红外空空导弹的研究还比较少。因此，世界各国都对蓝宝石整流罩毛坯晶体的生长技术产生了浓厚的兴趣，俄罗斯采用泡生法可以生产直径最大达300 mm的蓝宝石晶体，美国学者利用热交换法可制备出尺寸最大可达380 mm的单晶蓝宝石[12]。国内机构如哈尔滨工业大学、上海光机所、浙江巨化光学材料有限公司等也开展了一系列关于单晶蓝宝石制备的研究。此外，北京有色金属研究院已经采用泡生法制备出口径可达180 mm的单晶蓝宝石，该单位目前正进行热交换法的近尺寸成型技术研究[16-17]。总体来说，国内单位制备的单晶蓝宝石在尺寸和性能方面较国外还具有一定差距，这为国内采用蓝宝石作为保形整流罩用红外材料带来了一定的困难。

镁铝尖晶石化学式为MgAl2O4，是一种多晶陶瓷材料，拥有各向同性、抗磨损、耐冲击、高硬度以及耐腐蚀等优点，并具有良好的红外透光性[18]。美国CoorsCeramics公司率先开展了多晶镁铝尖晶石的研究。随着多晶镁铝尖晶石制备工艺的日趋成熟，其逐渐取代了传统的红外材料，被不断应用在新型中短程空空导弹上，成为高性能窗口和整流罩的候选材料。美国已经生产了较大尺寸的尖晶石窗口和整流罩[12]。俄、法、英、日等国家也曾对尖晶石的制备和应用进行了大量的研究和报道[6]。国内上海硅酸盐研究所等单位也正在进行尖晶石制备方面的研究，但仍处于起步阶段[19]。

氮氧化铝(ALON)的化学式为Al23O27N35，在近红外波段具有较好的光学透过性，机械性能稍优于尖晶石，由于其多晶材料的特性，没有各向异性的缺点，且制造成本远低于蓝宝石，国内外学者均认为其在光学窗口材料方面有很大的潜力，并开始试制ALON[6,20]。美国Surmet公司在2002年得到了雷神公司的相关技术，制备出大尺寸ALON半球形的整流罩[6-7]。

国内对ALON的研究主要围绕材料的制备方面展开。人工晶体研究所开展ALON的制备工艺研究比较早，已经成功生产了具有较好机械性能的多晶ALON晶体，但光学性能与国外相比还有较大的距离[7，19]。上海硅酸盐研究所制备的ALON材料性能处于国内领先水平，该所正在开展有关ALON保形整流罩毛坯制造工艺的研究。

综上，蓝宝石作为整流罩材料，其综合性能最优，但是成本高、难加工，并且具有各向异性； 而ALON和尖晶石材料成本较低，加工难度相对较小且没有各向异性，但机械性能不如单晶蓝宝石。因此，根据应用情况不同，三种材料都可作为高马赫数导弹的优选材料，也是未来高性能保形红外整流罩发展的首选材料，具有广泛的应用前景。

2 保形整流罩加工研究现状

世界上第一个保形光学导引头由美国PCOT保形光学小组于20世纪末研制成功，其结构如图3所示[21]。其中MgF2材质的高陡度保形红外光学整流罩内外表面均采用单点金刚石车削直接加工而成，并对加工后外表面采用接触式轮廓仪测量，对测量结果进行分析后修正面形，最终得到整流罩厚度面形误差在50 μm以内，两个表面轴心误差在13 μm以内。

图3 PCOT小组研制的保形导引头[21]

美国CVD Rohm和Haas公司用化学气相沉积方法成功制造出一系列保形光学整流罩[22-23]。加工过程首先用超精密机床加工一个具有保形内表面曲线的铜基心轴并沉积Al涂层，随后在芯轴上用CVD化学气相沉积法镀上一定厚度的ZnS薄膜直到达到保形整流罩外表面保形曲线尺寸，然后进行芯轴抽离，最终得到满足尺寸要求的保形红外ZnS整流罩，其内表面粗糙度可达2～18 nm，见图4。但此法制备的整流罩外表面仍需要二次精加工对面型精度进行修整，而且随着对保形红外光学材料性能需求的提高，其红外材料由ZnS转向CaF2，MgF2等更高性能材料后，加之CVD本身的局限性，此法已经不再适用。

美国雷神公司成功加工了长径比可达1.5的保形红外氟化镁整流罩[24]。该整流罩从毛坯材料到加工完成，仅用6 h左右，并且最终达到表面粗糙度Ra值3.5 nm。该氟化镁保形整流罩外表面采用电镀金刚石碟片砂轮进行超精密磨削加工，其加工全过程如图5所示，内表面采用球头金刚石砂轮进行超精密磨削加工，其加工过程及最终成型工件如图6所示。

图4 CVD法得到的心轴和ZnS头罩[22-23]

图5 氟化镁保形整流罩外表面的加工过程[24]

图6 氟化镁保形整流罩内表面加工及成品[24]

同时，雷神El Segundo公司与Elcan-Texas公司共同研发了针对保形红外整流罩的光学性能检测装置，解决了高陡度保形红外整流罩光学检测所面临的多方面难题，其检测装置如图7所示[21]。

图7 雷神El Segundo公司与Elcan-Texas公司共同研发的保形光学整流罩零位检测装置[21]

美国罗彻斯特大学光学制造中心(COM)在超精密磨削加工技术研究领域处于世界领先水平[25]。COM于2004年采用超精密磨削技术针对ALON红外材料加工出了长径比为1.37的高陡度保形红外光学整流罩。该ALON头罩外表面为非球面，内表面为离轴球面，在头罩顶点内外表面呈球面过渡，如图8所示。不同于ZnS与MgF2，ALON具有高硬脆性，罗彻斯特大学就此采用超精密磨削的方式对保形整流罩进行加工。由于材料的高硬脆性，后续抛光处理极为困难，图9为ALON保形整流罩内表面及外表面超精密加工过程，并在后续进行了手工抛光以达到表面质量要求。

图8 罗彻斯特大学的超精密机床和ALON保形整流罩[25]

图9 ALON保形整流罩内外表面加工过程[25]

美国OptiMAX公司针对ALON，PCA等高硬脆保形红外整流罩的难抛光问题，在雷神公司研究的基础上，设计并建立了VIBE预抛光工艺，并对比分析了磨削加工后表面质量与VIBE预抛光后表面质量的改变情况，其结果如图10所示。根据结果估算，该VIBE工艺可以明显改善磨削后的表面质量，大大减少高硬脆材料后续抛光的工作量，缩减抛光时间可达10～50倍，每件整流罩的后续抛光时间减少60～300 h。然而由于这种预抛光工艺存在明显的不均一性，因此不能从根本上改善加工过程中产生的面形误差[26]。

图10 OptiMAX开发的VIBE预抛光工艺及结果[26]

近年来，为了解决在高硬脆保形红外整理罩加工过程中高陡度结构特性和高硬脆材料特性所带来的工具磨损严重和面型精度误差大等问题，美国Optipro公司研制了可以加工一系列新型高性能硬脆材料保形红外整流罩的加工设备并开发了最新的UFF加工系统。在UFF加工系统中利用金刚石带进行超精密磨削，与传统金刚石砂轮磨削相比，这一改进避免了工具磨损带来的影响，如图11所示； 在UFF加工系统中利用抛光带进行后续的抛光处理，这种方法得到的整流罩面型PV值为8.4 μm，表面粗糙度RMS值为1.89 μm[27]，如图12所示。

图11 UFF加工系统超精密磨削过程[27]

图12 UFF加工系统超精密抛光过程[27]

国防科技大学是国内较早开展保形光学整流罩加工研究的单位之一。该校学者对热压多晶MgF2保形红外整流罩进行了加工研究，首先采用磨削对其内外表面进行成型加工； 然后采用单点金刚石车削进行精加工，如图13所示； 最后用磁流变抛光技术和射流抛光技术对其进行抛光处理，如图14所示。随后，还对已加工的保形整流罩进行了曲线误差测量，并通过Form Taylorsurf PGI 1240轮廓仪进行不同位置的拼接测量来表征其面形精度及表面粗糙度，如图15所示，加工后的热压多晶氟化镁保形红外整流罩面行精度PV值为32 μm，表面粗糙度RMS值为8 μm，测量结果如图16所示[28-32]。

图13 热压多晶氟化镁内外表面的超精密加工[32]

图14 热压多晶氟化镁内外表面的抛光加工[32]

图15 热压多晶氟化镁保形整流罩测量过程[32]

图16 热压多晶氟化镁保形整流罩测量结果[32]

哈尔滨工业大学精密工程研究所针对ALON保形红外整流罩的加工进行了一系列的研究。首先，从ALON的磨削机理出发，进行ALON磨削特点的研究，采用粒度为D15的砂轮，对ALON进行超精密磨削试验，试验结果如图17所示。通过试验结果分析表明，ALON由于硬度和杨氏模量较大，磨削相对困难，磨削后表面出现较为明显的脆性去除，产生这种现象的原因是因为ALON是一种多晶材料，试验选取高温烧结法制备的ALON，材料本身晶粒尺寸较大，晶界间以及晶粒内部存在较大的应力以及缺陷，在砂轮粒度较大的磨削过程中，砂轮金刚石颗粒与材料表面相互作用力很大，极易造成晶粒脆性断裂以及晶粒拔出等现象。通过改善工艺，最终在D3树脂结合剂砂轮的精加工下，工艺参数为磨轴6 000 rpm，主轴57 rpm，进给速度10 mm/min时，得到最优的磨削表面质量，Ra值为9.5 nm，Rt值为110 nm，如图18所示。

图17 ALON加工前后表面形貌

随后，哈尔滨工业大学精密工程研究所对ALON保形整流罩内外表面装夹装置进行了设计制造，如图19所示。并在该夹具装夹的基础上进行ALON保形整流罩内外表面的超精密磨削加工及在线检测，如图20所示，对加工后的保形头罩面形检测结果显示，50 mm面形精度PV值可达2 μm，表面粗糙度Ra值可达15 nm。

图18 ALON内外表面夹具

综上，由于材料制备难度大及对加工设备精度要求高，国内针对高硬脆性保形红外整流罩的研究还主要集中在材料制备、保形光学设计及材料检测等方面，其加工方面的研究刚刚起步。

图19 ALON保形整流罩的外表面超精密磨削

图20 ALON保形整流罩的在线测量

3 结论及展望

保形整流罩作为高效能红外空空导弹光学系统中的重要一环，不但要求其内外表面都具有较高的表面粗糙度以提高透光率，而且其面形精度也需达到微米甚至亚微米级用以保证其内部光学系统的成像质量； 另一方面，为了抵抗导弹在高速飞行时需承受的巨大冲击，保形整流罩用红外材料正逐渐向高硬脆性红外材料发展。目前，国外针对高硬脆性保形红外整流罩加工工艺的研究已经取得了一定的成果，并且部分研究成果已进入了实际军事验证阶段，而国内针对高硬脆性保形红外整流罩加工的研究才刚刚起步。现有研究表明其主要难点包括以下几个方面：

(1) 材料制备：材料制备与国外还有很大差距，急需降低高硬脆材料的制备成本和缩短制造周期，提高材料光学性能和机械性能，并开发稳定的高硬脆材料制备工艺；

(2) 加工工艺：由于材料硬度高脆性大，保形外形陡度高，因此加工过程中工具磨损严重，面形精度难以保证，且后续抛光难度大、效率低；

(3) 设备基础：由于国外相应超精密加工设备对国内大部分单位保密及禁运，国内自主研发超精密加工设备与国外还有一定差距，国内能进行高硬脆性保形红外整流罩超精密加工的设备极为有限；

(4) 检测技术：国内相应检测手段有限，需要开发针对高陡度保形整流罩的相应检测方法，提高检测水平。

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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

航空科学基金项目(20140177003)；中国博士后科学基金项目(2015T80337)

张春雨(1988-)，男，黑龙江五常人，博士研究生，研究方向为超精密磨削技术。

TJ672.2

A

1673-5048(2016)06-0073-07