水下產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：本文對水下產品大直徑球面觀察窗制造工藝現狀及發展前景進行了探討，并對該工藝過程中所采取的新技術、新工藝、新觀念等進行了詳細的介紹分析。

關鍵詞：潛水器；球面觀察窗；制造

中圖分類號：U663.31 文獻標識碼：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品應運而生。為了能直接觀察水底世界，大部分水下產品都安裝有大直徑球面觀察窗。球面觀察窗的制造質量對水下產品的安全有著非常重要的作用，而我國目前尚未有水下產品球面觀察窗制作的檢驗規范及標準體系，球面觀察窗玻璃的制造還未形成成熟的工藝和方法。

水下產品大直徑觀察窗有機玻璃的各項性能指標，均應滿足《潛水系統和潛水器入級與建造規范2013》中對窗玻璃的規定。以下著重對常用的YB-3航空有機玻璃板材陰模真空接觸成形的球面觀察窗進行研究，選用其它材質的有機玻璃也可供參考。

2 工作環境、設備和模具要求

（1）加溫箱應清潔，沒有有害的溶劑和溶劑蒸汽；加溫箱內空氣應干凈、無油、與外界空氣對流盡可能少；加溫箱內溫度應保持在20 ℃以上，與外界隔熱良好。

（2）模具根據玻璃設計圖紙制作，制造好的模具連同附件裝焊后整體進行熱處理，消除焊接內應力。熱處理控制流程見圖1。

（3）熱處理消除內應力后的模具內表面應進行精加工，內表面光潔度為3.2級、內徑誤差為±1 mm；抽真空氣孔應保證排凈模具空氣，且直徑≤φ2 mm；氣孔個數及布置位置根據現場實際情況確定。

3 球面觀察窗成形

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

3.1 有機玻璃板劃線和下料

（1）劃線下料按圖紙要求進行；

（2）下料時一般采用手鋸鋸切，鋸條運動應均勻平穩；送料要平穩、勻速，一般在0.5～1.0 m/min，防止送料過快或過慢，以免引起材料過熱或崩邊；鋸條進入或離開切面時，應降低進給速度、減少碎裂；

（3）鋸切時應使用抽風機，離鋸條5～10 mm切削處的材料溫度不得超過 50 ℃，可用半導體點溫度計檢測。

3.2 成形前毛坯的清洗檢查

（1）去掉毛坯保護層，用清潔的溫水（40 ℃～50 ℃）沖洗有機玻璃表面。若有機玻璃的保護層為壓敏膠紙（膜）時，對殘留在有機玻璃上的壓敏膠，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）清洗檢查時除檢查表面清洗效果外，還需重點檢查裂紋、氣泡、表面劃痕等。

3.3 有機玻璃陰模真空接觸成形

在成形前將陰模內表面刷一層薄薄潤滑劑，排除模具表面氣泡，潤滑劑用量只需能完全潤濕成形接觸表面即可；將帶有有機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；加熱的設備用電加熱強力空氣循環加溫箱加熱，亦可用熱空氣加溫箱加熱。加溫箱應有自動控溫儀表，箱內的溫度應均勻分布，工作區的溫差應不超過±3 ℃。

3.3.1 有機玻璃升溫和保溫控制程序

有機玻璃板材在加溫箱內的保持時間，從到達規定的溫度起，按每毫米板材厚不小于5分鐘計算；YB-3航空有機玻璃成形溫度為145 ℃～155 ℃ 。不同板厚的有機玻璃板材成形升溫和保溫控制程序根據實際情況定，表1為YB-3航空有機玻璃板材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，開啟真空泵緩慢地抽真空使毛坯貼膜保持真空。真空度應保證觀察窗玻璃完全貼模而又不產生印痕為宜。

（2）冷卻成形控制

待抽真空完畢后，對有機玻璃進行冷卻成形。不同板厚的有機玻璃冷卻成形速率，根據有機玻璃制造單位提供的有機玻璃冷卻成形速率或通過試驗來確定；待有機玻璃冷卻至90 ℃成形為球面觀察窗毛胚后，進入退火工序。

（3）球面觀察窗退火

為消除球面觀察窗在成形過程中產生的內應力，應進行退火處理。退火溫度為90 ℃，保溫時間如表2所示。保溫工序完畢后開始冷卻工序，退火的冷卻速率應保持均勻，觀察窗玻璃從加溫箱中取出之前應冷卻至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 球面觀察窗玻璃機加工

球面觀察窗機械加工包括銑削和精加工兩道工序。

（1）加工刀具

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

（2）加工環境

加工環境應保持清潔衛生，加工間溫度15℃～ 30℃。

（3）表面保護

為防止觀察窗在銑削、精加工時受到損傷，非加工區應貼上保護紙或涂上保護膜，并保持到加工完畢。

（4）夾持和支承

在機加工中，刀具和工件應夾持牢固，以免影響加工質量。

（5）銑削

銑削應按圖紙要求尺寸進行加工，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 銑削應平穩勻速、緩慢進刀，工作臺不能中途停止進給，以免使銑刀空轉造成加工表面形成坑面；

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

③ 有機玻璃與金屬相比，熱敏感性和熱膨脹系數大、導熱性差，加工中必須進行充分冷卻，可以用3%～4%的中性皂片水或壓縮空氣來排除加工中所產生的熱量。

3.3.3 精加工

（1）刮削

根據圖紙尺寸要求對球面觀察窗四周倒角及銑刀痕采取刮削工藝，刮削采用刃口經平磨加工為90°的平面直角刮刀進行。刮削時力求平穩、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，但不應超過有關圖紙和技術條件的規定范圍；

② 在打磨前，制件應按上述3.2條規定清洗；

③ 可根據缺陷的嚴重程度，用細砂布、水砂紙、金相砂紙依次打磨。一般是用水磨砂紙280、320、400、600號及800號金相砂紙打磨有機玻璃表面到要求的程度。砂紙應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，使打磨時先沿擦傷痕縱向進行，然后沿橫向進行，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，防止過熱，打磨時溫度不允許超過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，但打磨的區域與未打磨的周圍面積應成平滑過渡，打磨后的有機玻璃表面不允許出現凸凹不平的現象；

④ 每一步打磨應消除前一步砂紙所殘留下來的擦痕，每次更換砂紙時均應用水沖洗干凈，當打磨到獲得光滑、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行，該工作間應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玻璃表面的載體上涂有機玻璃拋光膏，以圓周運動的方式或交錯方向磨擦有機玻璃表面。操作中應始終保持滑潤，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玻璃的其他部位沒有差別，是否有劃傷、光學畸變等；拋光后的有機玻璃厚度，不允許超過技術條件公差規定的范圍；

（6）可進行機械方法拋光，但仍要滿足上述要求。

3.3.5 退火

退火目的是為了消除機加工殘余應力。觀察窗玻璃由常溫升至90℃時開始退火。退火按上述3.3.1中球面觀察窗退火規范及退火冷卻速率執行；退火前球面觀察窗應按上述3.2.條規定清洗。

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，保護膜的厚度不大于0.5 mm。

4 大直徑觀察窗后期保養

（1）觀察窗安裝使用后，應定期用中性肥皂水（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）觀察窗應避免與有揮發性化學溶劑相接觸，且避免陽光照射；

（3）觀察窗應避免與硬物相碰撞；

（4）觀察窗應不超過10年更換一次。

5 結束語

目前水下產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用，該制造工藝具有很高的市場效益和科研價值。

參考文獻

[1] GJB1251-1991 YB-3航空有機玻璃規范[S].

[2] GJB 1251A-2008澆注航空有機玻璃規范[S].

[3]潛水系統和潛水器入級與建造規范[S]. 2013.