張慧鋒 孫建波 胡彥旭 張 朋 張東來(lái)

光學(xué)基準(zhǔn)鏡粘接精度及膠層量化研究

張慧鋒 孫建波 胡彥旭 張 朋 張東來(lái)

（北京控制工程研究所，北京 100190）

為了實(shí)現(xiàn)光學(xué)基準(zhǔn)鏡膠層量化控制，優(yōu)化基準(zhǔn)鏡粘接方法，首先設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)試件，選用產(chǎn)品常用的材料和膠粘劑，建立了實(shí)驗(yàn)試件模型，進(jìn)行有限元分析，研究了不同膠層厚度的熱應(yīng)力和力學(xué)應(yīng)力分布；然后通過(guò)粘接實(shí)驗(yàn)，研究了膠固化過(guò)程中粘接精度的變化情況。最后，通過(guò)熱循環(huán)試驗(yàn)和力學(xué)試驗(yàn)，對(duì)粘接的實(shí)驗(yàn)試件進(jìn)行鑒定級(jí)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了粘接厚度控制方法的可靠性，對(duì)比了環(huán)境實(shí)驗(yàn)前后的粘接精度。根據(jù)仿真分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給出了幾種常用的粘接結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的膠層厚度最優(yōu)值，可以為工程實(shí)際提供數(shù)據(jù)支持。

光學(xué)基準(zhǔn)鏡；膠層；精度；量化控制

1 引言

在光學(xué)成像類敏感器中，光學(xué)基準(zhǔn)鏡常作為敏感器調(diào)試測(cè)試過(guò)程中的基準(zhǔn)，以及整星調(diào)試的參考基準(zhǔn)，其安裝精度和可靠性直接影響產(chǎn)品和整星的精度與可靠性。各研究機(jī)構(gòu)和高校對(duì)光學(xué)零件膠粘結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析和裝調(diào)工藝分析的文獻(xiàn)較多，但都是為了滿足精度調(diào)整要求[1～4]，對(duì)于膠層的量化控制研究較少。常用的膠層厚度控制方法有工裝保證法、精密測(cè)量法和工裝測(cè)試結(jié)構(gòu)法[5]，文獻(xiàn)[5]提出一種在膠中添加空心玻璃微珠控制膠層厚度，實(shí)現(xiàn)了反射鏡面形要求。

基準(zhǔn)鏡的安裝多數(shù)采用膠粘的方法，主要控制基準(zhǔn)鏡與基準(zhǔn)鏡座安裝面的角度誤差。為了對(duì)粘接精度變化情況、粘接強(qiáng)度、膠層厚度、經(jīng)過(guò)力學(xué)和熱學(xué)實(shí)驗(yàn)后精度變化情況摸底研究，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)件；并研究了粘接過(guò)程中膠層厚度量化控制的工藝方法，用于提高產(chǎn)品光學(xué)器件粘接的可靠性，降低失效率，提高產(chǎn)品可靠性。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)試件設(shè)計(jì)

根據(jù)我所產(chǎn)品中常用的基準(zhǔn)鏡、光電器件的粘接形式，如基準(zhǔn)鏡粘接，選擇實(shí)驗(yàn)試件設(shè)計(jì)形式?；鶞?zhǔn)鏡和基準(zhǔn)鏡座的粘接是平面粘接，如圖1所示；基準(zhǔn)鏡與產(chǎn)品基準(zhǔn)鏡結(jié)構(gòu)相同，只要求上表面鍍膜，四個(gè)側(cè)面光滑透明，便于觀察?；鶞?zhǔn)鏡座材料是鈦合金（TC4），基準(zhǔn)鏡材料是K9玻璃，所以實(shí)驗(yàn)用基準(zhǔn)鏡也采用K9玻璃，所用材料的物理性能如表1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)試件

表1 材料物理性能

2.2 膠粘劑的選擇

光學(xué)零件、光電器件粘接中常用的膠粘劑主要有環(huán)氧膠6101/TY650、Armstrong A-12 環(huán)氧膠、硅橡膠GD414。

2.3 環(huán)境實(shí)驗(yàn)條件

由于基準(zhǔn)鏡和芯片粘接的精度和可靠性需要經(jīng)過(guò)力學(xué)和熱學(xué)實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，所以對(duì)粘接后的實(shí)驗(yàn)試件進(jìn)行力學(xué)和熱學(xué)實(shí)驗(yàn)。其中熱學(xué)實(shí)驗(yàn)主要是循環(huán)實(shí)驗(yàn)，力學(xué)實(shí)驗(yàn)主要有隨機(jī)振動(dòng)和沖擊實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件具體如表2、表3所示。

表2 熱循環(huán)試驗(yàn)

表3 力學(xué)實(shí)驗(yàn)

3 力學(xué)和熱學(xué)分析

3.1 建模

圖2 基準(zhǔn)鏡三維模型

如圖2所示，建立基準(zhǔn)鏡座、基準(zhǔn)鏡、膠層的三維模型，其中膠層厚度有0.005mm、0.0075mm、0.01mm、0.03mm、0.05mm、0.07mm、0.10mm。

3.2 定義材料屬性

參見表2。

3.3 劃分網(wǎng)格

基準(zhǔn)鏡網(wǎng)格采用六面體網(wǎng)格，基準(zhǔn)鏡座和膠層采用四面體網(wǎng)格，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

3.4 定義邊界條件

隨機(jī)振動(dòng)分析和沖擊振動(dòng)分析時(shí)，底面添加固定約束。熱循環(huán)分析時(shí)，對(duì)組件的外表面添加熱對(duì)流和熱輻射條件，溫度是熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)中所給的溫度。

3.5 添加載荷

應(yīng)力分析時(shí)，需要把熱分析所得到的溫度分布作為載荷添加進(jìn)去。

3.6 后處理

計(jì)算完成后，可以根據(jù)需要得出零件的溫度和應(yīng)力分布。

其中，膠層厚度為0.01mm時(shí)，熱應(yīng)力分布如圖4所示，其他厚度分布曲線如圖5所示?；鶞?zhǔn)鏡上的最大熱應(yīng)力為14.1MPa，發(fā)生在粘接面靠四角的位置，小于玻璃的許用應(yīng)力49MPa；膠層的最大應(yīng)力為24.6MPa，主要發(fā)生在四個(gè)角，小于膠的本體拉伸應(yīng)力52MPa，但超過(guò)了膠的粘接剪切強(qiáng)度。因此，膠的粘接環(huán)節(jié)是薄弱環(huán)節(jié)，在粘接過(guò)程中，需要保證基準(zhǔn)鏡靠邊和角的位置膠量不能過(guò)少。

圖4 熱應(yīng)力分布

圖5 熱應(yīng)力曲線

膠層厚度為0.01mm時(shí)，向隨機(jī)振動(dòng)和沖擊振動(dòng)應(yīng)力分布如圖6、圖7所示，沖擊振動(dòng)應(yīng)力值相對(duì)較大。其中，基準(zhǔn)鏡最大應(yīng)力為3.67MPa，發(fā)生在粘接面兩側(cè)，小于玻璃的許用應(yīng)力49MPa；膠層最大應(yīng)力為0.2MPa，遠(yuǎn)小于膠的本體拉伸應(yīng)力52MPa和粘接剪切強(qiáng)度；基準(zhǔn)鏡座最大應(yīng)力4.89MPa，發(fā)生在粘接面四角處，遠(yuǎn)小于鈦合金的許用應(yīng)力932MPa。其他膠層厚度下的應(yīng)力如圖8所示?？梢钥闯?，膠層越薄，膠層應(yīng)力越小。

圖6 隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力分布（X軸）

圖7 響應(yīng)譜分析（X軸沖擊）

圖8 不同膠層厚度下的應(yīng)力變化曲線

從以上分析結(jié)構(gòu)可以看出，基準(zhǔn)鏡與基準(zhǔn)鏡座粘接膠層為薄弱環(huán)節(jié)，需要在粘接過(guò)程中采取工藝措施，避免風(fēng)險(xiǎn)。

3.7 膠層量化控制方法

采用膠粘劑粘接的基準(zhǔn)鏡，在以往的粘接工藝中，膠量沒有得到有效控制。膠量過(guò)少，會(huì)對(duì)粘接的可靠性產(chǎn)生影響，膠量過(guò)多，膠在固化過(guò)程中流動(dòng)會(huì)影響粘接精度。

由于膠層厚度的量級(jí)在0.01mm，經(jīng)過(guò)調(diào)研選用激光位移傳感器，絕對(duì)精度0.005mm，分辨率0.0002mm。基準(zhǔn)鏡的粘接要求精度較高，這種傳感器的非接觸測(cè)量方式可以滿足測(cè)量要求，既可以測(cè)量鏡面，也可以測(cè)量非鏡面。測(cè)量方式如圖9所示。選取被測(cè)量器件的多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，粘接前和粘接后的差值即是膠層厚度。

圖9 激光位移傳感器測(cè)膠層厚度示意圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

鈦合金底座+環(huán)氧膠6101/TY650+K9玻璃，鈦合金底座+Armstrong A-12 環(huán)氧膠+K9玻璃，精度沒有變化，如圖10所示。

圖10 環(huán)境試驗(yàn)后的試件

用硅橡膠粘接的結(jié)構(gòu)都沒有出現(xiàn)裂紋或破壞。

如圖11、圖12所示，由數(shù)據(jù)和曲線可知，環(huán)氧膠6101/TY650和Armstrong A-12 環(huán)氧膠在前2h固化收縮較快，且Armstrong A-12 環(huán)氧膠比環(huán)氧膠6101/TY650固化快。

圖11 環(huán)氧膠6101/TY650膠層隨時(shí)間變化曲線

圖12 Armstrong A-12 環(huán)氧膠膠層變化曲線

膠層厚度主要受到以下因素影響：膠的流動(dòng)性、涂膠量的多少、底座的粘接面與安裝面的平行度、被粘接件重力、手動(dòng)排氣泡時(shí)粘接面法向用力大小等。

底座的粘接面與安裝面的平行度對(duì)粘接精度影響較大，主要原因是膠的流動(dòng)性，其中流動(dòng)性環(huán)膠6101/TY650大于Armstrong A-12 環(huán)氧膠，而使用硅橡膠GD414則幾乎沒有影響，這種膠的流動(dòng)性較差，且固化收縮很小。

從粘接過(guò)程可以看出，當(dāng)?shù)鬃叫卸容^差時(shí)，需要在膠固化過(guò)程中進(jìn)行多次調(diào)整，都能保證最終的粘接精度，底座平行度較好時(shí)，則不需要調(diào)整（或調(diào)整次數(shù)很少）就可以保證最終的粘接精度。根據(jù)粘接實(shí)驗(yàn)，建議底座粘接面平行度公差0.015mm。

通過(guò)環(huán)境實(shí)驗(yàn)和力學(xué)分析可知，硅橡膠GD414粘接的結(jié)構(gòu)對(duì)膠層厚度不敏感（實(shí)驗(yàn)試件的膠層控制厚度在0.03～0.10mm），經(jīng)過(guò)力學(xué)和熱學(xué)實(shí)驗(yàn)，均沒有發(fā)生裂紋和破壞，且基準(zhǔn)鏡指向精度和位置精度都沒有發(fā)生變化。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)和分析可知，綜合考慮基準(zhǔn)鏡和膠層應(yīng)力分布情況，對(duì)于鈦合金底座+環(huán)膠6101/TY650 環(huán)氧膠+K9玻璃基準(zhǔn)鏡（15mm×15mm×15mm），最優(yōu)膠層厚度為0.04～0.06mm。

選用激光位移傳感器量化控制膠層厚度，并進(jìn)行粘接實(shí)驗(yàn)，操作人員通過(guò)練習(xí)，能夠很快掌握膠層厚度的控制方法，為提高粘接可靠性，一致性提供了保證。

建議底座粘接面平行度公差0.015mm。

1 彭?？? 幾何參數(shù)對(duì)復(fù)合材料厚膠層膠接的影響研究[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2017

2 陸玉婷，王偉之. 大口徑膠粘主鏡裝調(diào)的有限元分析[J]. 航天返回與遙感，2017，38(1)：39～44

3 李媛，王勝男，蔡彬，等. 影響汽車板材粘接性能的研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)膠粘劑，2018，27(1)：52～55

4 范志剛，常虹，陳守謙. 膠粘光學(xué)元件的熱應(yīng)力和變形分析[J]. 光學(xué)技術(shù)，2011，37(35)：366～369

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Research on Precision and Quantitative Control of Optical Reference Mirror Adhesive Layer

Zhang Huifeng Sun Jianbo Hu Yanxu Zhang Peng Zhang Donglai

(Beijing Institute of Control Engineering, Beijing 100190)

In order to achieve quantitative control of the optical reference mirror adhesive layer and to optimize reference mirror bonding method, test specimen are designed and common material and adhesives are selected. The specimen model is established and finite element analysis is carried out, by which stress distribution of different adhesive layer thicknesses is researched. Bonding experiment is conducted and change of precision is studied during the curing process of the adhesive. Then thermal test and mechanical test are carried out by identification level. The reliability of the bond thickness control method is verified and the precision before and after environmental test. Conclusively, the recommended values for the adhesive layers of several common structures, which provides data support for subsequent bonding work improvements.

optical reference mirror；adhesive layer；precision；quantitative control

張慧鋒（1988），碩士，機(jī)械工程專業(yè)；研究方向：航天光學(xué)成像敏感器結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)、裝配工藝設(shè)計(jì)。

2019-12-17