聚甲醛材料在光学冷加工中的应用

孙瑞琦

（江苏金陵机械制造总厂，江苏 南京211100）

聚甲醛材料产生于二十世纪的六十年代，作为一种工程塑料，其性能优良，拥有金属类似的强度、刚度与硬度，有夺钢、超钢等称呼。聚甲醛材料在较宽温度与湿度范围，自润滑性良好，弹性较好，且耐化学，种种优势都满足了光学冷加工内夹具所需特性。作为无支链、高结晶的热塑性材料，在光学冷加工中发挥了重要作用，提高了加工产品质量，推动了冷加工技术的进一步发展[1]。

1 光学冷加工的发展现状

实际上，光学冷加工技术在我国已经拥有久远历史，但是，真正形成完整生产工艺还是在二十世纪五十年代后。新中国的成立，光学行业在众位学者、研究人员等努力下，加工工艺逐渐完善，并进入发展高峰期，获得显著成就，生产力较强。据统计，我国每年利用光学冷加工技术生产的产品已经高达5 亿件，在国际名列前茅。但是，相比于西方发达国家，我国整体生产工艺落后，主要展现在如下几点：对于高精度元件，无法大批生产；对于特种光学零件，制造困难[2]。而导致该现象的原因在于：我国深入研究光学冷加工技术的时间短，生产设备落后，加工精度与加工效率难以满足现代化生产需求；执行工艺的规程不足；缺乏专业工艺研究所、工艺设备研发单位；行业法律法规并未完整。当前，世界光电行业逐渐调整产业结构，并将光学冷加工场所向我国转移，我国已经成为世界第一大元件制造商。在该种情况下，传统光学加工厂应紧抓机遇，积极转型，与国际先进企业合作，拉动我国光学冷加工产业发展。如图1，光学冷加工中先进设备。

图1 光学冷加工机械设备

2 聚甲醛材料的特点与应用优势

在1959 年时，美国首次成功开发聚甲醛均聚物，以50%浓度甲醛溶液作为生产原料，添加异辛醇，反应成半缩醛，获得高浓度甲醛，脱水、热烈解后，在惰性溶液内添加三氟化硼乙醚，通过悬浮聚合、液固分离，得到粗聚合物，酯化处理后，聚合物与添加剂混合，挤压造粒，所获成品即为聚甲醛材料，如图2 所示。此时，聚甲醛材料制作过程复杂，后期处理困难，且缺乏耐碱性、耐热性，成本较高，该生产技术并未普及。随着不断研究不优化，聚甲醛材料性能逐渐优越，并发挥了重要性能，推动了聚甲醛材料的生产发展[3]。

图2 聚甲醛材料

相比于45 钢密度的7.85g/cm3，铜密度的8.92g/cm3，聚甲醛材料的相对密度较低，仅有1.39g/cm3，而在冲击强度与动力疲劳强度上，聚甲醛材料表现优异，具有较强的抗磨能力、抗腐蚀能力以及自润滑能力等，透气性、透水性良好，常用于吹塑、注塑等工艺中。并且，作为新型材料的一种，聚甲醛硬度等同于金属，能够替代铜铝锌等金属合金，成为理想塑料，被电子电器、轻工、汽车、机械、建材等中广泛应用。

在光学冷加工内，聚甲醛材料的应用，主要具备如下优势：一、低密度。相比于其他的金属材料，聚甲醛材料密度低，在透明玻璃加工中添加聚甲醛材料，有助于降低破损。二，高抗疲劳性。低应力交变载荷影响下，聚甲醛材料会由纤维处、基体处等薄弱点开裂，逐渐扩展至结合面，结合面能够阻止裂纹继续扩展，保障材料继续使用，展现了材料应用后的荷载能力。三，力学性能与刚性佳。在光学冷加工中，夹具不仅要高速旋转，还需要左右摆动，夹具对力学性能、刚度要求较高。而聚甲醛材料的应用，满足了光学冷加工对夹具生产需求。四，加工性能良好。在光学冷加工过程中，各类夹具都和透镜面形相关，方能保障透镜放置贴合又舒适，因此，对于加工R 面提出更高要求，聚甲醛材料应用，在塑性、刚性等上满足了需求，加工性能有保障。五，材料性能设计灵活性。聚甲醛材料应用于光学冷加工，工作人员能够依照荷载类型、透镜面形、透镜使用要求与大小、工艺条件等展开设计，更好为光学加工提供优质服务。六，耐化学性较高。在光学冷加工中，需要弱酸、弱碱类化学品辅助，因此，夹具材料必须拥有较高耐化学性，方能保障夹具长期使用，而聚甲醛不仅具有金属性能，还具有较好耐化学性，满足了光学加工对夹具的要求。

3 聚甲醛材料在光学冷加工中的应用

本文以光学冷加工内夹具设计为例，探讨聚甲醛材料在夹具加工中的应用。如图3 为光学冷加工多片夹具，其中，1 代表夹具基板，2 代表夹具缘，2 代表夹具定位面，4 表示泡面，5 表示镜片定位面，6 表示镜片。其中，聚甲醛材料主要应用多片夹具的1、2、3、5 生产中。

图3 光学冷加工多片夹具

3.1 设计需求促进了聚甲醛材料的应用

首先，以双凸透镜的加工看夹具，夹具设计应考虑透明边角保护工作；而另一个已经加工完毕的R 面对夹具材料韧性、弹性由一定要求，所以，还要将该问题考虑其中。其次，研磨阶段，加工R 值必须精确值小数点后四位数，透明中心厚度精确到小数点的后两位数，以此提高夹具加工精确性。同时，夹具加工还要考虑材料刚性问题，若刚性不达标，极易影响透镜R 面的光圈精确度。再次，应保障材料要求的光滑性。透镜研磨完毕，不仅要做好R 面检查，保障R 面中心厚度与表面光洁度达标。在夹具设计时，接触透明面部分应光滑，避免在光学冷加工中破坏透镜外表质量。最后，在光学冷加工中，大多需要切削液辅助加工，如：粗精在抛光时，就离不开切削液的支持。而切削液自身化学属性，夹具材料设计时，应具有良好耐化学性。根据上面几项要求得知，在夹具设计时，采用聚甲醛材料，能够全方位满足要求，为光学冷加工生产提供优质夹具。

3.2 成本优势推动了聚甲醛材料的应用

在传统光学冷加工中，夹具材料主要以黄铜为主，黄铜密度为8.92g/cm3，聚甲醛材料密度为1.39g/cm3，两者密度的巨大差异，平均每千克聚甲醛材料加工零件数为黄铜材料加工零件数的5 倍。而市场价格方面，黄铜市场价格较高，约67 元/kg；聚甲醛价格约26 元/kg。如此计算，应用聚甲醛材料加工夹具，相比于传统黄铜夹具，成本仅为其的10%左右。以此计算成本，若光学冷加工企业每月生产透镜100 万个，以聚甲醛材料替代黄铜，所获利润将高于原先的10 个点。为子啊竞争越发激烈的光学冷加工行业脱颖而出，应用聚甲醛材料成为发展必然。另外，在镜头市场，原材料价格逐渐上涨，镜头产品价格却因竞争企业众多而下降，企业必须控制成本，方能在整个行业立于不败。如此种种，在光学冷加工中，聚甲醛材料应用非常关键。

3.3 实验验证，展现聚甲醛材料应用优势

在光学冷加工中，夹具作为重要材料，夹具生产质量与成本直接关系着企业透镜产品生产质量与最终利润。为了解聚甲醛材料的应用优势，推动材料在光学冷加工中普及，对多个光学冷加工企业展开调查，结果表明：与其他材料所制作夹具相比，应用聚甲醛材料，夹具强度有保障，尺寸稳定性提升，避免了对透镜的二次破坏，减小了透镜划伤、崩边的几率，并且，提高了夹具抗化学性，避免了长期腐蚀带来的影响，保障夹具使用寿命。在夹具加工中，聚甲醛材料的有效应用，尺寸有保证，加工效率提升，成本得到控制，提高了企业最终效益[4]。

4 结论

总而言之，光学冷加工行业在不断发展，业内竞争力也在不断提升，企业想要脱颖而出，并保障光学冷加工产品的质量，应积极引进聚甲醛材料，由聚甲醛的本身优势，解决生产过程产生的各类问题，如：切削液的应用，聚甲醛本身的耐腐蚀性，降低了化学腐蚀影响，提高了产品质量；聚甲醛本身的低密度，有效节省了材料，降低了成本投入。聚甲醛材料特点繁多，且适宜光学冷加工生产，对此，积极应用聚甲醛材料，对产品加工与整个企业发展具有重要意义。