超硬材料光学元件的材料选择和表面光洁度的需求对加工的影响

本文讲述美国IRD Glass公司在超硬材料元件的设计和加工，自80年代开始就在使用超硬材料制造光学镜片，期间也遇到了很多问题，例如表面光洁度的需求和材料选择，他们对超硬材料加工方面有丰富的经验，主要材料有氧化铝（Alumina），氮氧化铝（Aluminum Oxynitride ，ALON），蓝宝石（Sapphire），碳化硅（Silicon Carbide），氮化硅（Silicon Nitride），尖晶石（Spinel），氧化锆（Zirconia）

超硬材料是通常由金属氧化物、氮化物和碳化物形成的多晶化合物。这些材料有时被称为氧化物和非氧化物陶瓷。美国IRD Glass公司在近四十年来一直致力于超硬材料光学元件的设计和制造，与金属材料相比，超硬材料光学元件的硬度、耐磨性和脆性更高，与生产制造金属零件时面临的挑战不同。本文主要介绍了在超硬材料加工的基础上设计和制造超硬光学元件、超硬光学镜片常遇到的5个问题，其中包括对超硬光学元件、超硬光学镜片的功能性，表面光洁度和精度的需求以及材料选择的问题。

问题1：在光学精密超硬元件设计过程中有不必要的功能性复杂需求

在金属材料的生产和制造过程中，要达到轮廓和螺纹等特征的标准要求相对简单，但对于超硬光学元件、超硬光学镜片的设计和制造而言，要达到这些相同的特征要求会增加大量成本。IRD Glass在光学精密超硬元件设计中尽可能保持几何形状不变，对超硬材料光学镜片进行仿形加工。超硬材料加工螺纹的更好方法是压入包含螺纹的金属嵌件，其中孔的尺寸需要考虑超硬材料光学镜片的热膨胀系数。此外，由于超硬材料光学元件没有金属材料那样的塑性形变，因此超硬材料光学镜片中的孔和金属插入件的容许偏差更小。

问题2：对光学精密超硬元件的表面光洁度有过度要求

对光学精密超硬元件的表面光洁度要求越高，所需要的成本越高，时间越长。IRD Glass的光学精密超硬元件的表面光洁度一般是60/40（划痕的宽度不超过60微米，麻点的大小不超过40微米），可以满足大多数超硬材料光学元件的设计需求。如果有需要更好的表面光洁度，也可以达成20/10或10/5的超硬材料加工，但由于材料的特性和尺寸，这需要更高的成本。

问题3：对光学精密超硬元件有过度的精度要求

在超硬材料加工过程中，要达到过度精度水平要求，需要对超硬光学元件有更精细的研磨和精加工水平，这无疑增加了时间和经济成本。对IRD Glass而言，控制成本可将超硬材料光学元件表面的尺寸和复杂性限制在标准的严格误差的范围内。对于需要精度光学精密超硬元件，将表面的误差保持在±0.1 mm（±0.004英寸）和±0.05 mm（±0.002英寸）的尺寸并确保其可适用于研磨平整的表面。

问题4：与下游装配操作的间隙特征不匹配

由于超硬材料光学元件硬度极高，所以光学精密超硬元件越锋利的边缘越脆，如果在装配过程中与配件嵌合太过紧密，会有碎裂的风险。IRD Glass在超硬材料加工过程中，为简化组装过程，为超硬材料光学元件的边缘制作了足够的起伏、间隙或倒角，倒角尺寸一般在0.38mm（0.015英寸）或更大，使得超硬光学元件整体成本和效果控制在一个较好的范围内。

问题5：选择错误的超硬光学材料

IRD Glass在为客户的超硬材料加工过程中，通常用到的材料有氧化铝（Alumina）、氮氧化铝（Aluminum Oxynitride ，ALON）、蓝宝石（Sapphire）、碳化硅（Silicon Carbide）、氮化硅（Silicon Nitride）、尖晶石（Spinel）、氧化锆（Zirconia），具体表格如下：

由于超硬材料光学元件组件的成本和功能通常与特定材料密切相关，因此从一开始就选择好正确的材料非常重要，否则在成型阶段及后续阶段更换材料的成本很可能很高。工程师对超硬光学镜片设计过程中所需的超硬材料的特性有所了解是很重要的，这就要求得设计师提前与材料供应商及其制造合作方进行详细沟通。大多数超硬材料和蓝宝石材料有许多不同的晶体取向，这些因素会影响产品的最终成本和可制造性。

蓝宝石光学窗口