聚甲醛材料在光學冷加工中的應用

孫瑞琦

（江蘇金陵機械制造總廠，江蘇 南京211100）

聚甲醛材料產生于二十世紀的六十年代，作為一種工程塑料，其性能優良，擁有金屬類似的強度、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，種種優勢都滿足了光學冷加工內夾具所需特性。作為無支鏈、高結晶的熱塑性材料，在光學冷加工中發揮了重要作用，提高了加工產品質量，推動了冷加工技術的進一步發展[1]。

1 光學冷加工的發展現狀

實際上，光學冷加工技術在我國已經擁有久遠歷史，但是，真正形成完整生產工藝還是在二十世紀五十年代后。新中國的成立，光學行業在眾位學者、研究人員等努力下，加工工藝逐漸完善，并進入發展高峰期，獲得顯著成就，生產力較強。據統計，我國每年利用光學冷加工技術生產的產品已經高達5 億件，在國際名列前茅。但是，相比于西方發達國家，我國整體生產工藝落后，主要展現在如下幾點：對于高精度元件，無法大批生產；對于特種光學零件，制造困難[2]。而導致該現象的原因在于：我國深入研究光學冷加工技術的時間短，生產設備落后，加工精度與加工效率難以滿足現代化生產需求；執行工藝的規程不足；缺乏專業工藝研究所、工藝設備研發單位；行業法律法規并未完整。當前，世界光電行業逐漸調整產業結構，并將光學冷加工場所向我國轉移，我國已經成為世界第一大元件制造商。在該種情況下，傳統光學加工廠應緊抓機遇，積極轉型，與國際先進企業合作，拉動我國光學冷加工產業發展。如圖1，光學冷加工中先進設備。

圖1 光學冷加工機械設備

2 聚甲醛材料的特點與應用優勢

在1959 年時，美國首次成功開發聚甲醛均聚物，以50%濃度甲醛溶液作為生產原料，添加異辛醇，反應成半縮醛，獲得高濃度甲醛，脫水、熱烈解后，在惰性溶液內添加三氟化硼乙醚，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雜，后期處理困難，且缺乏耐堿性、耐熱性，成本較高，該生產技術并未普及。隨著不斷研究不優化，聚甲醛材料性能逐漸優越，并發揮了重要性能，推動了聚甲醛材料的生產發展[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，而在沖擊強度與動力疲勞強度上，聚甲醛材料表現優異，具有較強的抗磨能力、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、機械、建材等中廣泛應用。

在光學冷加工內，聚甲醛材料的應用，主要具備如下優勢：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、基體處等薄弱點開裂，逐漸擴展至結合面，結合面能夠阻止裂紋繼續擴展，保障材料繼續使用，展現了材料應用后的荷載能力。三，力學性能與剛性佳。在光學冷加工中，夾具不僅要高速旋轉，還需要左右擺動，夾具對力學性能、剛度要求較高。而聚甲醛材料的應用，滿足了光學冷加工對夾具生產需求。四，加工性能良好。在光學冷加工過程中，各類夾具都和透鏡面形相關，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，材料性能設計靈活性。聚甲醛材料應用于光學冷加工，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、工藝條件等展開設計，更好為光學加工提供優質服務。六，耐化學性較高。在光學冷加工中，需要弱酸、弱堿類化學品輔助，因此，夾具材料必須擁有較高耐化學性，方能保障夾具長期使用，而聚甲醛不僅具有金屬性能，還具有較好耐化學性，滿足了光學加工對夾具的要求。

3 聚甲醛材料在光學冷加工中的應用

本文以光學冷加工內夾具設計為例，探討聚甲醛材料在夾具加工中的應用。如圖3 為光學冷加工多片夾具，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，聚甲醛材料主要應用多片夾具的1、2、3、5 生產中。

圖3 光學冷加工多片夾具

3.1 設計需求促進了聚甲醛材料的應用

首先，以雙凸透鏡的加工看夾具，夾具設計應考慮透明邊角保護工作；而另一個已經加工完畢的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 值必須精確值小數點后四位數，透明中心厚度精確到小數點的后兩位數，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，若剛性不達標，極易影響透鏡R 面的光圈精確度。再次，應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標。在夾具設計時，接觸透明面部分應光滑，避免在光學冷加工中破壞透鏡外表質量。最后，在光學冷加工中，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。而切削液自身化學屬性，夾具材料設計時，應具有良好耐化學性。根據上面幾項要求得知，在夾具設計時，采用聚甲醛材料，能夠全方位滿足要求，為光學冷加工生產提供優質夾具。

3.2 成本優勢推動了聚甲醛材料的應用

在傳統光學冷加工中，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為黃銅材料加工零件數的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。如此計算，應用聚甲醛材料加工夾具，相比于傳統黃銅夾具，成本僅為其的10%左右。以此計算成本，若光學冷加工企業每月生產透鏡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。為子啊競爭越發激烈的光學冷加工行業脫穎而出，應用聚甲醛材料成為發展必然。另外，在鏡頭市場，原材料價格逐漸上漲，鏡頭產品價格卻因競爭企業眾多而下降，企業必須控制成本，方能在整個行業立于不敗。如此種種，在光學冷加工中，聚甲醛材料應用非常關鍵。

3.3 實驗驗證，展現聚甲醛材料應用優勢

在光學冷加工中，夾具作為重要材料，夾具生產質量與成本直接關系著企業透鏡產品生產質量與最終利潤。為了解聚甲醛材料的應用優勢，推動材料在光學冷加工中普及，對多個光學冷加工企業展開調查，結果表明：與其他材料所制作夾具相比，應用聚甲醛材料，夾具強度有保障，尺寸穩定性提升，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用，尺寸有保證，加工效率提升，成本得到控制，提高了企業最終效益[4]。

4 結論

總而言之，光學冷加工行業在不斷發展，業內競爭力也在不斷提升，企業想要脫穎而出，并保障光學冷加工產品的質量，應積極引進聚甲醛材料，由聚甲醛的本身優勢，解決生產過程產生的各類問題，如：切削液的應用，聚甲醛本身的耐腐蝕性，降低了化學腐蝕影響，提高了產品質量；聚甲醛本身的低密度，有效節省了材料，降低了成本投入。聚甲醛材料特點繁多，且適宜光學冷加工生產，對此，積極應用聚甲醛材料，對產品加工與整個企業發展具有重要意義。