聚甲醛材料在光學(xué)冷加工中的應(yīng)用

孫瑞琦

（江蘇金陵機(jī)械制造總廠，江蘇 南京211100）

聚甲醛材料產(chǎn)生于二十世紀(jì)的六十年代，作為一種工程塑料，其性能優(yōu)良，擁有金屬類似的強(qiáng)度、剛度與硬度，有奪鋼、超鋼等稱呼。聚甲醛材料在較寬溫度與濕度范圍，自潤滑性良好，彈性較好，且耐化學(xué)，種種優(yōu)勢都滿足了光學(xué)冷加工內(nèi)夾具所需特性。作為無支鏈、高結(jié)晶的熱塑性材料，在光學(xué)冷加工中發(fā)揮了重要作用，提高了加工產(chǎn)品質(zhì)量，推動了冷加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展[1]。

1 光學(xué)冷加工的發(fā)展現(xiàn)狀

實(shí)際上，光學(xué)冷加工技術(shù)在我國已經(jīng)擁有久遠(yuǎn)歷史，但是，真正形成完整生產(chǎn)工藝還是在二十世紀(jì)五十年代后。新中國的成立，光學(xué)行業(yè)在眾位學(xué)者、研究人員等努力下，加工工藝逐漸完善，并進(jìn)入發(fā)展高峰期，獲得顯著成就，生產(chǎn)力較強(qiáng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年利用光學(xué)冷加工技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品已經(jīng)高達(dá)5 億件，在國際名列前茅。但是，相比于西方發(fā)達(dá)國家，我國整體生產(chǎn)工藝落后，主要展現(xiàn)在如下幾點(diǎn)：對于高精度元件，無法大批生產(chǎn)；對于特種光學(xué)零件，制造困難[2]。而導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因在于：我國深入研究光學(xué)冷加工技術(shù)的時間短，生產(chǎn)設(shè)備落后，加工精度與加工效率難以滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)需求；執(zhí)行工藝的規(guī)程不足；缺乏專業(yè)工藝研究所、工藝設(shè)備研發(fā)單位；行業(yè)法律法規(guī)并未完整。當(dāng)前，世界光電行業(yè)逐漸調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，并將光學(xué)冷加工場所向我國轉(zhuǎn)移，我國已經(jīng)成為世界第一大元件制造商。在該種情況下，傳統(tǒng)光學(xué)加工廠應(yīng)緊抓機(jī)遇，積極轉(zhuǎn)型，與國際先進(jìn)企業(yè)合作，拉動我國光學(xué)冷加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展。如圖1，光學(xué)冷加工中先進(jìn)設(shè)備。

圖1 光學(xué)冷加工機(jī)械設(shè)備

2 聚甲醛材料的特點(diǎn)與應(yīng)用優(yōu)勢

在1959 年時，美國首次成功開發(fā)聚甲醛均聚物，以50%濃度甲醛溶液作為生產(chǎn)原料，添加異辛醇，反應(yīng)成半縮醛，獲得高濃度甲醛，脫水、熱烈解后，在惰性溶液內(nèi)添加三氟化硼乙醚，通過懸浮聚合、液固分離，得到粗聚合物，酯化處理后，聚合物與添加劑混合，擠壓造粒，所獲成品即為聚甲醛材料，如圖2 所示。此時，聚甲醛材料制作過程復(fù)雜，后期處理困難，且缺乏耐堿性、耐熱性，成本較高，該生產(chǎn)技術(shù)并未普及。隨著不斷研究不優(yōu)化，聚甲醛材料性能逐漸優(yōu)越，并發(fā)揮了重要性能，推動了聚甲醛材料的生產(chǎn)發(fā)展[3]。

圖2 聚甲醛材料

相比于45 鋼密度的7.85g/cm3，銅密度的8.92g/cm3，聚甲醛材料的相對密度較低，僅有1.39g/cm3，而在沖擊強(qiáng)度與動力疲勞強(qiáng)度上，聚甲醛材料表現(xiàn)優(yōu)異，具有較強(qiáng)的抗磨能力、抗腐蝕能力以及自潤滑能力等，透氣性、透水性良好，常用于吹塑、注塑等工藝中。并且，作為新型材料的一種，聚甲醛硬度等同于金屬，能夠替代銅鋁鋅等金屬合金，成為理想塑料，被電子電器、輕工、汽車、機(jī)械、建材等中廣泛應(yīng)用。

在光學(xué)冷加工內(nèi)，聚甲醛材料的應(yīng)用，主要具備如下優(yōu)勢：一、低密度。相比于其他的金屬材料，聚甲醛材料密度低，在透明玻璃加工中添加聚甲醛材料，有助于降低破損。二，高抗疲勞性。低應(yīng)力交變載荷影響下，聚甲醛材料會由纖維處、基體處等薄弱點(diǎn)開裂，逐漸擴(kuò)展至結(jié)合面，結(jié)合面能夠阻止裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，保障材料繼續(xù)使用，展現(xiàn)了材料應(yīng)用后的荷載能力。三，力學(xué)性能與剛性佳。在光學(xué)冷加工中，夾具不僅要高速旋轉(zhuǎn)，還需要左右擺動，夾具對力學(xué)性能、剛度要求較高。而聚甲醛材料的應(yīng)用，滿足了光學(xué)冷加工對夾具生產(chǎn)需求。四，加工性能良好。在光學(xué)冷加工過程中，各類夾具都和透鏡面形相關(guān)，方能保障透鏡放置貼合又舒適，因此，對于加工R 面提出更高要求，聚甲醛材料應(yīng)用，在塑性、剛性等上滿足了需求，加工性能有保障。五，材料性能設(shè)計(jì)靈活性。聚甲醛材料應(yīng)用于光學(xué)冷加工，工作人員能夠依照荷載類型、透鏡面形、透鏡使用要求與大小、工藝條件等展開設(shè)計(jì)，更好為光學(xué)加工提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)。六，耐化學(xué)性較高。在光學(xué)冷加工中，需要弱酸、弱堿類化學(xué)品輔助，因此，夾具材料必須擁有較高耐化學(xué)性，方能保障夾具長期使用，而聚甲醛不僅具有金屬性能，還具有較好耐化學(xué)性，滿足了光學(xué)加工對夾具的要求。

3 聚甲醛材料在光學(xué)冷加工中的應(yīng)用

本文以光學(xué)冷加工內(nèi)夾具設(shè)計(jì)為例，探討聚甲醛材料在夾具加工中的應(yīng)用。如圖3 為光學(xué)冷加工多片夾具，其中，1 代表夾具基板，2 代表夾具緣，2 代表夾具定位面，4 表示泡面，5 表示鏡片定位面，6 表示鏡片。其中，聚甲醛材料主要應(yīng)用多片夾具的1、2、3、5 生產(chǎn)中。

圖3 光學(xué)冷加工多片夾具

3.1 設(shè)計(jì)需求促進(jìn)了聚甲醛材料的應(yīng)用

首先，以雙凸透鏡的加工看夾具，夾具設(shè)計(jì)應(yīng)考慮透明邊角保護(hù)工作；而另一個已經(jīng)加工完畢的R 面對夾具材料韌性、彈性由一定要求，所以，還要將該問題考慮其中。其次，研磨階段，加工R 值必須精確值小數(shù)點(diǎn)后四位數(shù)，透明中心厚度精確到小數(shù)點(diǎn)的后兩位數(shù)，以此提高夾具加工精確性。同時，夾具加工還要考慮材料剛性問題，若剛性不達(dá)標(biāo)，極易影響透鏡R 面的光圈精確度。再次，應(yīng)保障材料要求的光滑性。透鏡研磨完畢，不僅要做好R 面檢查，保障R 面中心厚度與表面光潔度達(dá)標(biāo)。在夾具設(shè)計(jì)時，接觸透明面部分應(yīng)光滑，避免在光學(xué)冷加工中破壞透鏡外表質(zhì)量。最后，在光學(xué)冷加工中，大多需要切削液輔助加工，如：粗精在拋光時，就離不開切削液的支持。而切削液自身化學(xué)屬性，夾具材料設(shè)計(jì)時，應(yīng)具有良好耐化學(xué)性。根據(jù)上面幾項(xiàng)要求得知，在夾具設(shè)計(jì)時，采用聚甲醛材料，能夠全方位滿足要求，為光學(xué)冷加工生產(chǎn)提供優(yōu)質(zhì)夾具。

3.2 成本優(yōu)勢推動了聚甲醛材料的應(yīng)用

在傳統(tǒng)光學(xué)冷加工中，夾具材料主要以黃銅為主，黃銅密度為8.92g/cm3，聚甲醛材料密度為1.39g/cm3，兩者密度的巨大差異，平均每千克聚甲醛材料加工零件數(shù)為黃銅材料加工零件數(shù)的5 倍。而市場價格方面，黃銅市場價格較高，約67 元/kg；聚甲醛價格約26 元/kg。如此計(jì)算，應(yīng)用聚甲醛材料加工夾具，相比于傳統(tǒng)黃銅夾具，成本僅為其的10%左右。以此計(jì)算成本，若光學(xué)冷加工企業(yè)每月生產(chǎn)透鏡100 萬個，以聚甲醛材料替代黃銅，所獲利潤將高于原先的10 個點(diǎn)。為子啊競爭越發(fā)激烈的光學(xué)冷加工行業(yè)脫穎而出，應(yīng)用聚甲醛材料成為發(fā)展必然。另外，在鏡頭市場，原材料價格逐漸上漲，鏡頭產(chǎn)品價格卻因競爭企業(yè)眾多而下降，企業(yè)必須控制成本，方能在整個行業(yè)立于不敗。如此種種，在光學(xué)冷加工中，聚甲醛材料應(yīng)用非常關(guān)鍵。

3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，展現(xiàn)聚甲醛材料應(yīng)用優(yōu)勢

在光學(xué)冷加工中，夾具作為重要材料，夾具生產(chǎn)質(zhì)量與成本直接關(guān)系著企業(yè)透鏡產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量與最終利潤。為了解聚甲醛材料的應(yīng)用優(yōu)勢，推動材料在光學(xué)冷加工中普及，對多個光學(xué)冷加工企業(yè)展開調(diào)查，結(jié)果表明：與其他材料所制作夾具相比，應(yīng)用聚甲醛材料，夾具強(qiáng)度有保障，尺寸穩(wěn)定性提升，避免了對透鏡的二次破壞，減小了透鏡劃傷、崩邊的幾率，并且，提高了夾具抗化學(xué)性，避免了長期腐蝕帶來的影響，保障夾具使用壽命。在夾具加工中，聚甲醛材料的有效應(yīng)用，尺寸有保證，加工效率提升，成本得到控制，提高了企業(yè)最終效益[4]。

4 結(jié)論

總而言之，光學(xué)冷加工行業(yè)在不斷發(fā)展，業(yè)內(nèi)競爭力也在不斷提升，企業(yè)想要脫穎而出，并保障光學(xué)冷加工產(chǎn)品的質(zhì)量，應(yīng)積極引進(jìn)聚甲醛材料，由聚甲醛的本身優(yōu)勢，解決生產(chǎn)過程產(chǎn)生的各類問題，如：切削液的應(yīng)用，聚甲醛本身的耐腐蝕性，降低了化學(xué)腐蝕影響，提高了產(chǎn)品質(zhì)量；聚甲醛本身的低密度，有效節(jié)省了材料，降低了成本投入。聚甲醛材料特點(diǎn)繁多，且適宜光學(xué)冷加工生產(chǎn)，對此，積極應(yīng)用聚甲醛材料，對產(chǎn)品加工與整個企業(yè)發(fā)展具有重要意義。