水下產(chǎn)品大直徑球面觀察窗制造工藝研究

陳建勇 王軒 孫豐雷 劉洪偉

摘 要：本文對(duì)水下產(chǎn)品大直徑球面觀察窗制造工藝現(xiàn)狀及發(fā)展前景進(jìn)行了探討，并對(duì)該工藝過(guò)程中所采取的新技術(shù)、新工藝、新觀念等進(jìn)行了詳細(xì)的介紹分析。

關(guān)鍵詞：潛水器；球面觀察窗；制造

中圖分類號(hào)：U663.31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： Based on the analysis of the present situation and development prospect of the manufacturing of large-diameter spherical observation window on submersible， this paper introduces the new technologies， new processes and new ideas in the manufacturing of it.

Key words： Submersible； Observation window； Machining

1 前言

隨著人們對(duì)探索水下世界興趣的不斷增加，載人潛水器及水下客艇等各類水下產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。為了能直接觀察水底世界，大部分水下產(chǎn)品都安裝有大直徑球面觀察窗。球面觀察窗的制造質(zhì)量對(duì)水下產(chǎn)品的安全有著非常重要的作用，而我國(guó)目前尚未有水下產(chǎn)品球面觀察窗制作的檢驗(yàn)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)體系，球面觀察窗玻璃的制造還未形成成熟的工藝和方法。

水下產(chǎn)品大直徑觀察窗有機(jī)玻璃的各項(xiàng)性能指標(biāo)，均應(yīng)滿足《潛水系統(tǒng)和潛水器入級(jí)與建造規(guī)范2013》中對(duì)窗玻璃的規(guī)定。以下著重對(duì)常用的YB-3航空有機(jī)玻璃板材陰模真空接觸成形的球面觀察窗進(jìn)行研究，選用其它材質(zhì)的有機(jī)玻璃也可供參考。

2 工作環(huán)境、設(shè)備和模具要求

（1）加溫箱應(yīng)清潔，沒(méi)有有害的溶劑和溶劑蒸汽；加溫箱內(nèi)空氣應(yīng)干凈、無(wú)油、與外界空氣對(duì)流盡可能少；加溫箱內(nèi)溫度應(yīng)保持在20 ℃以上，與外界隔熱良好。

（2）模具根據(jù)玻璃設(shè)計(jì)圖紙制作，制造好的模具連同附件裝焊后整體進(jìn)行熱處理，消除焊接內(nèi)應(yīng)力。熱處理控制流程見(jiàn)圖1。

（3）熱處理消除內(nèi)應(yīng)力后的模具內(nèi)表面應(yīng)進(jìn)行精加工，內(nèi)表面光潔度為3.2級(jí)、內(nèi)徑誤差為±1 mm；抽真空氣孔應(yīng)保證排凈模具空氣，且直徑≤φ2 mm；氣孔個(gè)數(shù)及布置位置根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定。

3 球面觀察窗成形

采用陰模真空接觸成形法。該方法是將有機(jī)玻璃毛坯置于陰模中預(yù)熱，利用抽真空造成壓力差，使毛坯拉伸與擠壓貼模成形。成形方法及工藝過(guò)程需經(jīng)過(guò)下列五個(gè)步驟：有機(jī)玻璃板材劃線和下料；成形前毛坯的清洗檢查；有機(jī)玻璃陰模真空接觸成形；觀察窗玻璃機(jī)加工；觀察窗玻璃表面精加工。

3.1 有機(jī)玻璃板劃線和下料

（1）劃線下料按圖紙要求進(jìn)行；

（2）下料時(shí)一般采用手鋸鋸切，鋸條運(yùn)動(dòng)應(yīng)均勻平穩(wěn)；送料要平穩(wěn)、勻速，一般在0.5～1.0 m/min，防止送料過(guò)快或過(guò)慢，以免引起材料過(guò)熱或崩邊；鋸條進(jìn)入或離開(kāi)切面時(shí)，應(yīng)降低進(jìn)給速度、減少碎裂；

（3）鋸切時(shí)應(yīng)使用抽風(fēng)機(jī)，離鋸條5～10 mm切削處的材料溫度不得超過(guò) 50 ℃，可用半導(dǎo)體點(diǎn)溫度計(jì)檢測(cè)。

3.2 成形前毛坯的清洗檢查

（1）去掉毛坯保護(hù)層，用清潔的溫水（40 ℃～50 ℃）沖洗有機(jī)玻璃表面。若有機(jī)玻璃的保護(hù)層為壓敏膠紙（膜）時(shí)，對(duì)殘留在有機(jī)玻璃上的壓敏膠，用蘸有120#汽油的清潔脫脂棉輕輕擦去，然后用清潔的軟絨布擦去殘留的汽油。再用中性肥皂水（3%～5%）或中性清洗劑（5%～20%）水溶液清洗整個(gè)表面，然后用清潔的溫水清洗；

（2）用清潔軟絨布或脫脂棉輕輕擦凈，或用干燥、清潔的壓縮空氣吹干；

（3）清洗檢查時(shí)除檢查表面清洗效果外，還需重點(diǎn)檢查裂紋、氣泡、表面劃痕等。

3.3 有機(jī)玻璃陰模真空接觸成形

在成形前將陰模內(nèi)表面刷一層薄薄潤(rùn)滑劑，排除模具表面氣泡，潤(rùn)滑劑用量只需能完全潤(rùn)濕成形接觸表面即可；將帶有有機(jī)玻璃板材的陰模置入加溫箱中，按升溫程序緩慢地加熱和保溫、緩慢地抽真空，使觀察窗玻璃貼模成形；加熱的設(shè)備用電加熱強(qiáng)力空氣循環(huán)加溫箱加熱，亦可用熱空氣加溫箱加熱。加溫箱應(yīng)有自動(dòng)控溫儀表，箱內(nèi)的溫度應(yīng)均勻分布，工作區(qū)的溫差應(yīng)不超過(guò)±3 ℃。

3.3.1 有機(jī)玻璃升溫和保溫控制程序

有機(jī)玻璃板材在加溫箱內(nèi)的保持時(shí)間，從到達(dá)規(guī)定的溫度起，按每毫米板材厚不小于5分鐘計(jì)算；YB-3航空有機(jī)玻璃成形溫度為145 ℃～155 ℃ 。不同板厚的有機(jī)玻璃板材成形升溫和保溫控制程序根據(jù)實(shí)際情況定，表1為YB-3航空有機(jī)玻璃板材δ=40 mm的升溫和保溫控制程序。

（1）抽真空

待升溫和保溫控制程序完成后，開(kāi)啟真空泵緩慢地抽真空使毛坯貼膜保持真空。真空度應(yīng)保證觀察窗玻璃完全貼模而又不產(chǎn)生印痕為宜。

（2）冷卻成形控制

待抽真空完畢后，對(duì)有機(jī)玻璃進(jìn)行冷卻成形。不同板厚的有機(jī)玻璃冷卻成形速率，根據(jù)有機(jī)玻璃制造單位提供的有機(jī)玻璃冷卻成形速率或通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定；待有機(jī)玻璃冷卻至90 ℃成形為球面觀察窗毛胚后，進(jìn)入退火工序。

（3）球面觀察窗退火

為消除球面觀察窗在成形過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，應(yīng)進(jìn)行退火處理。退火溫度為90 ℃，保溫時(shí)間如表2所示。保溫工序完畢后開(kāi)始冷卻工序，退火的冷卻速率應(yīng)保持均勻，觀察窗玻璃從加溫箱中取出之前應(yīng)冷卻至40 ℃以下。不同板厚觀察窗玻璃退火冷卻速率如表3所示。

3.3.2 球面觀察窗玻璃機(jī)加工

球面觀察窗機(jī)械加工包括銑削和精加工兩道工序。

（1）加工刀具

刀刃應(yīng)鋒利，以減少摩擦熱和防止碎裂、降低切削應(yīng)力。應(yīng)使用耐磨損的高速工具鋼或硬質(zhì)合金材料制作的刀具。

（2）加工環(huán)境

加工環(huán)境應(yīng)保持清潔衛(wèi)生，加工間溫度15℃～ 30℃。

（3）表面保護(hù)

為防止觀察窗在銑削、精加工時(shí)受到損傷，非加工區(qū)應(yīng)貼上保護(hù)紙或涂上保護(hù)膜，并保持到加工完畢。

（4）夾持和支承

在機(jī)加工中，刀具和工件應(yīng)夾持牢固，以免影響加工質(zhì)量。

（5）銑削

銑削應(yīng)按圖紙要求尺寸進(jìn)行加工，要求精度高、加工面光滑平整、不分層、不崩邊，銑削表面粗糙度Ra不大于6.3um。

① 銑削應(yīng)平穩(wěn)勻速、緩慢進(jìn)刀，工作臺(tái)不能中途停止進(jìn)給，以免使銑刀空轉(zhuǎn)造成加工表面形成坑面；

② 銑零件外形、邊緣斜面或槽時(shí)，可在臥式銑床或立式銑床上進(jìn)行，也可以在風(fēng)鉆或電鉆上裝上銑刀進(jìn)行銑削；

③ 有機(jī)玻璃與金屬相比，熱敏感性和熱膨脹系數(shù)大、導(dǎo)熱性差，加工中必須進(jìn)行充分冷卻，可以用3%～4%的中性皂片水或壓縮空氣來(lái)排除加工中所產(chǎn)生的熱量。

3.3.3 精加工

（1）刮削

根據(jù)圖紙尺寸要求對(duì)球面觀察窗四周倒角及銑刀痕采取刮削工藝，刮削采用刃口經(jīng)平磨加工為90°的平面直角刮刀進(jìn)行。刮削時(shí)力求平穩(wěn)、均勻，下刀要輕，刮削表面粗糙度Ra不大于3.2um。

（2）打磨

① 制件上的刮削痕、劃傷、點(diǎn)狀缺陷、輕微折光等表面缺陷，均可用打磨、拋光方法消除，但不應(yīng)超過(guò)有關(guān)圖紙和技術(shù)條件的規(guī)定范圍；

② 在打磨前，制件應(yīng)按上述3.2條規(guī)定清洗；

③ 可根據(jù)缺陷的嚴(yán)重程度，用細(xì)砂布、水砂紙、金相砂紙依次打磨。一般是用水磨砂紙280、320、400、600號(hào)及800號(hào)金相砂紙打磨有機(jī)玻璃表面到要求的程度。砂紙應(yīng)包在覆有軟絨布的木塊上或是包在邵氏硬度為35的橡膠塊上，使打磨時(shí)先沿擦傷痕縱向進(jìn)行，然后沿橫向進(jìn)行，最后作圓周形磨擦；打磨中不斷加水，使打磨面上保持著水份，防止過(guò)熱，打磨時(shí)溫度不允許超過(guò)40 ℃；打磨速度為30～80 r/min；打磨的范圍盡量控制在最小范圍內(nèi)，但打磨的區(qū)域與未打磨的周圍面積應(yīng)成平滑過(guò)渡，打磨后的有機(jī)玻璃表面不允許出現(xiàn)凸凹不平的現(xiàn)象；

④ 每一步打磨應(yīng)消除前一步砂紙所殘留下來(lái)的擦痕，每次更換砂紙時(shí)均應(yīng)用水沖洗干凈，當(dāng)打磨到獲得光滑、平整的表面后用水徹底沖洗干凈。

3.3.4拋光

（1）拋光必須在干凈的工作間進(jìn)行，該工作間應(yīng)與溶劑和溶劑蒸氣隔離，工作間溫度保持在15℃～30℃；

（2）需要拋光的部位按上述3.2.條規(guī)定清洗干凈；

（3）在清潔的脫脂棉、棉絨布或是其他不劃傷有機(jī)玻璃表面的載體上涂有機(jī)玻璃拋光膏，以圓周運(yùn)動(dòng)的方式或交錯(cuò)方向磨擦有機(jī)玻璃表面。操作中應(yīng)始終保持滑潤(rùn)，拋光至所要求的透明度后用清潔的軟絨布擦凈殘留的拋光膏；

（4）如果中途中斷拋光工序，必須把制件上的拋光膏擦去，蓋上防塵罩子；

（5）拋光后目視檢查拋光部位的透光程度是否與有機(jī)玻璃的其他部位沒(méi)有差別，是否有劃傷、光學(xué)畸變等；拋光后的有機(jī)玻璃厚度，不允許超過(guò)技術(shù)條件公差規(guī)定的范圍；

（6）可進(jìn)行機(jī)械方法拋光，但仍要滿足上述要求。

3.3.5 退火

退火目的是為了消除機(jī)加工殘余應(yīng)力。觀察窗玻璃由常溫升至90℃時(shí)開(kāi)始退火。退火按上述3.3.1中球面觀察窗退火規(guī)范及退火冷卻速率執(zhí)行；退火前球面觀察窗應(yīng)按上述3.2.條規(guī)定清洗。

3.3.6 鍍膜

用配制好的甘油明膠在球面觀察窗玻璃表面均勻地涂上薄薄的一層，保護(hù)膜的厚度不大于0.5 mm。

4 大直徑觀察窗后期保養(yǎng)

（1）觀察窗安裝使用后，應(yīng)定期用中性肥皂水（3%～5%）或中性清洗劑（5%～20%）水溶液清洗整個(gè)表面，然后用清潔的溫水清洗，接著用清潔的軟絨布或脫脂棉輕輕擦凈，或用干燥、清潔的壓縮空氣吹干；

（2）觀察窗應(yīng)避免與有揮發(fā)性化學(xué)溶劑相接觸，且避免陽(yáng)光照射；

（3）觀察窗應(yīng)避免與硬物相碰撞；

（4）觀察窗應(yīng)不超過(guò)10年更換一次。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前水下產(chǎn)品大直徑球面觀察窗制造工藝在多艘民用觀光和工作潛艇上已成功應(yīng)用，該制造工藝具有很高的市場(chǎng)效益和科研價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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