Nghiên cứu công nghệ gia công chóp khí động học Từ gốm quang học Ko - 12

Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 34, 12-2014 103
Nghiên cứu công nghệ gia công 
chóp khí động học Từ gốm quang học ko-12 
Nguyễn quang hiệp*, nguyễn ngọc hưng **, 
trần mạnh tùng **, TRần văn hiến *** 
Tóm tắt: Trên cơ sở nghiên cứu các đặc điểm về cấu trúc, tính chất của gốm 
quang học KO-12 và lựa chọn sơ đồ gia công, quy trình công nghệ gia công chóp 
khí động học từ gốm quang học KO-12 sử dụng trang thiết bị hiện có trong nước 
đã được xây dựng. Kết quả đo kiểm chất lượng sản phẩm sau khi gia công cho 
thấy, sản phẩm có các chỉ tiêu kỹ thuật đạt yêu cầu đề ra và có chất lượng tương 
đương với chóp khí động học do LB Nga gia công, chế tạo. 
Từ khóa: Gia công quang học, Gốm quang học KO-12, Chóp khí động học. 
 1. mở đầu 
Chóp khí động học (hay còn gọi là chóp rẽ dòng) là một linh kiện quang học 
trong hệ thống quang học đầu tự dẫn hồng ngoại của các loại vũ khí thế hệ mới. Nó 
thường có hình dạng chỏm cầu để đảm bảo lực cản khí động học của không khí là 
nhỏ nhất. Ngoài ra, chóp khí động học được làm từ vật liệu có độ truyền qua tốt 
trong dải phổ hồng ngoại. Độ truyền qua này không những phụ thuộc vào vật liệu 
làm chóp khí động học mà còn phụ thuộc rất lớn vào chất lượng gia công như: độ 
sạch bề mặt, độ nhám bề mặt, sai lệch kích thước,  Gốm quang học KO-12 là vật 
liệu quang học đa tinh thể với thành phần chính là MgF2 nhận được từ phương pháp 
ép nóng chân không trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao [1]. Với hệ số dãn nở 
nhiệt nhỏ, chiết suất ít phụ thuộc vào sự thay đổi của nhiệt độ và độ truyền qua 
trong dải phổ hồng ngoại là tương đối lớn nên gốm quang học KO-12 thường được 
sử dụng để chế tạo chóp khí động học. Tại nước ta hiện nay, bên cạnh các thông tin 
về gốm KO-12 còn rất hạn chế thì chưa có bất cứ công bố khoa học nào về gia 
công cơ khí, mài vật liệu này. Hơn nữa, khi nghiên cứu các tài liệu công nghệ về 
gia công gốm quang học KO-12 [2] nhận thấy rằng, các trang thiết bị công nghệ 
hiện có của chúng ta chưa thực sự phù hợp. Do đó, việc nghiên cứu công nghệ gia 
công cơ khí gốm quang học KO-12 và mài chóp khí động học trên cơ sở các trang 
thiết bị hiện có là yêu cầu cấp thiết. 
 2. Công nghệ gia công gốm quang học ko-12 
và chóp khí động học 
2.1. Đặc điểm cấu trúc và tính chất của gốm quang học KO-12 
Cấu trúc gốm quang học đa tinh thể KO-12 được tạo bởi các hạt tinh thể có 
kích thước từ 0,2ữ0,5μm (hình 1.a), có định hướng tinh thể ngẫu nhiên, có biên hạt 
rất rõ ràng; còn thuỷ tinh quang học có cấu trúc dạng vô định hình (hay chính xác 
hơn là cấu trúc tinh thể vô định hình) (hình 1.b). Các tính chất cơ học quan trọng 
của gốm quang học KO-12 và một số mác thuỷ tinh quang học phổ biến được đưa 
ra trong bảng 1. 
Vật lý 
N. Q. Hiệp, ,T. V. Hiến, "Nghiên cứu công nghệ gia công  gốm quang học KO-12." 104 
(a) 
(b) 
Hình 1. (a) Hình ảnh cấu trúc tinh thể gốm KO-12; 
(b) hình ảnh cấu trúc thuỷ tinh quang học. 
Bảng 1. Cơ tính của gốm quang học KO-12 và một số thuỷ tinh quang học [1]. 
Vật liệu 
Khối lượng 
riêng, , 
g/cm2 
Độ cứng 
theo Moss 
Độ cứng tế 
vi, GPa 
Mô đun 
Young E, 
GPa 
Mô đun 
dịch 
chuyển 
G, GPa 
Hệ số 
Poission 
 
 ứng suất uốn 
 uốn, 
GPa 
Hệ số giãn nở 
nhiệt, ã106, 
1/oC 
Gốm KO-12 3,18 6,0-6,5 6,8-7,2 145,7 55,4 0,316 0,11-0,12 11,0 
Thuỷ tinh K8 2,52 5,0-6,0 7,0-7,5 80,7 33,4 0,209 0,15-0,21 760 
Thuỷ tinh ЛК7 2,30 5,0-6,0 6,0-6,5 67,9 28,5 0,191 0,15-0,18 440 
Thuỷ tinh ТФ3 4,46 5,0-6,0 4,7-5,0 55,1 22,5 0,221 0,14-0,18 950 
Từ bảng 1 thấy rằng, gốm quang học KO-12 và các loại thuỷ tinh quang học 
thông dụng có độ cứng tương đương nhau. Điều này hoàn toàn phù hợp với kết luận 
trong [1, 4] khi cho rằng, hiệu suất mài và độ nhám bề mặt của gốm KO-12 khác 
biệt rất ít so với thủy tinh quang học K8. Vì thế, ở các nguyên công tạo phôi ban 
đầu, phay tròn, mài mịn có thể sử dụng các thiết bị và dụng cụ tương tự như khi gia 
công thuỷ tinh quang học K8. Mặt khác, khi gia công cơ khí, do gốm KO-12 và 
thuỷ tinh quang học có cấu trúc khác nhau nên sẽ có cơ chế phá huỷ khác nhau. 
Các nghiên cứu cho rằng, khi mài gốm quang học thì sự phá huỷ và bong tróc vật 
liệu xảy ra trước tiên tại các biên giới hạt hoặc các chỗ tích tụ hạt [1, 3, 4]. Khi đó, 
sự lan truyền của vết nứt xuất hiện khi va đập giữa hạt mài và bề mặt mài sẽ bị 
ngăn chặn bởi cấu trúc dạng đa tinh thể của gốm quang học. Thuỷ tinh quang học 
là vật liệu tinh thể vô định hình, do không có biên giới hạt như gốm quang học nên 
sự lan truyền các vết nứt khi gia công sẽ dễ dàng hơn và đi sâu hơn vào bên trong 
vật liệu. Chính vì điều này mà gốm quang học có chiều sâu của lớp bề mặt bị hư 
hại thấp hơn so với thuỷ tinh. Do đó, sự khác nhau khi gia công gốm quang học 
KO-12 và thuỷ tinh quang học chỉ có thể xảy ra ở nguyên công đánh bóng và rà 
bóng do tốc độ lấy vật liệu đi, chiều sâu lớp bề mặt bị hư hại và độ nhám của bề 
mặt nhận được ở nguyên công mài mịn là khác nhau. Mặt khác, khi gia công gốm 
KO-12, ở nguyên công mài mịn và đánh bóng cần thêm nguyên công rà bóng, bởi 
khác với thủy tinh quang học, ở gốm quang học không xảy ra hiện tượng thuỷ hoá 
(tác dụng với nước). 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 34, 12-2014 105
2.2. Gia công chóp khí động học làm từ gốm quang học KO-12 
2.2.1. Các yêu cầu kỹ thuật 
Chóp khí động học có hình dạng chỏm cầu, yêu cầu về độ đồng nhất cơ tính và 
quang học cao, không được phép tồn tại các khuyết tật trên bề mặt và bên trong vật 
liệu. Ngoài ra, khi gia công phải đảm bảo không hình thành ứng suất dư, biến dạng 
phôi và đảm bảo độ đồng nhất về chiều dày. Trên hình 2 là bản vẽ phôi (hình 2.a) 
và chi tiết chóp khí động học sau khi gia công (hình 2.b). Bảng 2 trình bày các chỉ 
tiêu kỹ thuật của chóp sau khi gia công. 
(a) 
(b) 
Hình 2. (a) Các thông số cấu hình của phôi chóp khí động học, 
(b) chi tiết sau khi gia công. 
Trong các chỉ tiêu kỹ thuật đó thì các giá trị của độ suy giảm bức xạ hồng ngoại 
ở hai bước sóng λ1=2àm và λ2=4,5àm tương ứng là 2 m  và 4,5 m  sẽ tự động 
đạt được khi các chỉ số khác đạt yêu cầu do sử dụng phôi từ vật liệu gốm KO-12 
của LB Nga đã được kiểm định chất lượng. Chính vì vậy, vấn đề quan tâm ở đây là 
lựa chọn chế độ công nghệ, vật liệu mài và đánh bóng để đảm bảo các chỉ tiêu về 
số vòng quang N , sai lệch vòng quang N , độ sạch P , độ nhám bề mặt zR , 
đường kính thông quang O , sai lệch các kích thước bán kính cong bề mặt R và 
độ dày rìa  . 
Bảng 2. Chỉ tiêu kỹ thuật của chóp khí động học sau khi gia công [2]. 
Các chỉ 
tiêu kỹ 
thuật 
2 m  , 
cm-1 
4,5 m  , 
cm-1 
N 
N 
P R 
O , 
mm 
Rz, 
μm 
 theo 
dìa, mm 
Giá trị 0,189 0,06 5 1 V 0,1% 51 0,05 0,015 
2.2.2. Mô hình gia công chóp khí động học 
Do chi tiết chóp khí động học có hình dạng chỏm cầu, yêu cầu về độ đồng nhất 
về chiều dày rất cao nên cần phải lựa chọn phương pháp gia công hợp lý nhằm 
kiểm soát được sai lệch kích thước trong quá trình gia công. Bề mặt chi tiết thô, tức 
là chi tiết sau nguyên công mài mịn bằng bột mài thô, có sai lệch về hình dạng và 
kích thước so với chi tiết theo thiết kế bằng lượng dư gia công. Khi gia công chi tiết 
dạng chỏm cầu bằng phương pháp mài nghiền tự do, lượng dư này luôn luôn bị giới 
Vật lý 
N. Q. Hiệp, ,T. V. Hiến, "Nghiên cứu công nghệ gia công  gốm quang học KO-12." 106 
hạn bởi hai mặt cầu: mặt cầu của phôi ban đầu (chi tiết thô) và mặt cầu của chi tiết 
cần gia công. Lượng dư này được phân bố không đồng đều theo diện tích bề mặt 
được gia công. Có ba trường hợp phân bố lượng dư giữa các nguyên công như sau: 
lượng dư nhỏ nhất tại biên, lượng dư phân bố đều và lượng dư nhỏ nhất tại đỉnh 
chỏm cầu (hình 3). Trong quá trình gia công, tâm hình học của bề mặt gia công 
luôn luôn biến đổi và có xu hướng tiến về phía tâm chi tiết theo thiết kế, nghĩa là 
(Rphôi-R)→0. 
Hình 3. (a) Sơ đồ phân bố 
lượng dư giữa các nguyên công 
nhỏ nhất Zmin tại biên, (b) 
lượng dư phân bố đều, (c) 
lượng dư nhỏ nhất Zmin tại đỉnh 
chỏm cầu. 
Từ sơ đồ phân bố lượng dư trên ta lựa chọn các tham số của dụng cụ và chế độ 
thiết bị để chủ động tạo ra phân bố cường độ mài mòn phù hợp với phân bố lượng 
dư. Ví dụ, trong trường hợp Zmin tại biên thì sẽ tăng cường độ mài mòn ở đỉnh; khi 
Zmin tại đỉnh chỏm cầu thì tăng cường độ mài mòn ở biên. Bằng cách này có thể 
nhanh chóng đạt được độ chính xác hình học của chi tiết. 
Trong quá trình gia công chi tiết chóp khí động học chúng tôi lựa chọn sơ đồ 
gia công phân bố lượng dư nhỏ nhất tại rìa khi sử dụng dụng cụ gia công dạng nấm 
mài, bát mài và thiết bị gia công hiện có nhằm kiểm soát độ sai lệch hình dạng và 
độ đồng nhất về chiều dày. 
2.2.3. Tiến trình công nghệ gia công chóp khí động học 
Trên cơ sở các nghiên cứu ở trên, nhóm tác giả đề xuất sơ đồ tiến trình công 
nghệ gia công chi tiết chóp khí động học (hình 4). Mài mịn gốm quang học KO-12 
được tiến hành bằng bột mài theo thứ tự M28→M20→M10 với kích thước hạt 
trung bình tương ứng là 28μm, 20μm và 10μm. Nguyên công mài mịn bằng bột mài 
M28 được tiến hành trên máy mài một trục Д-150, còn bột mài M20, M10 - trên 
máy mài mịn 6ШП-100M. Sau đó tiến hành đánh bóng bằng bột mài ôxit CeO2 
(2ữ3μm) được dùng để đánh bóng thuỷ tinh và bột kim cương ACM 2/0, ACM 1/0, 
ACM 0,5/0 với các kích thước hạt tương ứng là 2μm, 1μm và 0,5μm được pha với 
nước cất nhằm lựa chọn bột đánh bóng phù hợp. Nguyên công đánh bóng được thực 
hiện trên máy đánh bóng 6ПД-100А. Nguyên công rà bóng bằng nước cũng được 
thực hiện trên máy đánh bóng 6ПД-100А. Vật liệu đánh bóng và rà bóng là keo 
đánh bóng СП-3 trên cơ sở nhựa thông có độ nhớt lg 8,5 9,0 ở 25oC, chất làm 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 34, 12-2014 107
mát và bôi trơn là nước cất. Trong quá trình đánh bóng và rà bóng, chất lượng bề 
mặt được kiểm tra bằng dưỡng kiểm và kính lúp. 
Hình 4. Sơ đồ tiến trình công nghệ gia công chi tiết chóp khí động học bằng 
gốm quang học KO-12. 
Kết quả đánh bóng gốm quang học KO-12 bằng ôxit CeO2 theo quy trình công 
nghệ gia công thuỷ tinh quang học K8 không cho kết quả mong muốn. Bề mặt 
không đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật ( ,N N ) theo yêu cầu, lớp gốm KO-12 bị mài 
mòn rất ít. Điều này được giải thích là do ôxít CeO2 có độ cứng tương đương với 
gốm KO-12 và như vậy không thể sử dụng bột này để đánh bóng gốm KO-12. Việc 
sử dụng bột kim cương ACM 1/0 để đánh bóng đảm bảo nhận được giá trị vòng 
quang và sai lệch hình dạng ( ,N N ) theo yêu cầu nhưng trên bề mặt chi tiết còn 
có nhiều vết xước nhỏ và không thể loại bỏ được ở nguyên công rà bóng nhằm đạt 
độ sạch bề mặt ( P V ); còn khi sử dụng bột kim cương ACM 2/0 thì trên bề mặt 
có những vết xước thô hơn so với khi dùng bột kim cương ACM 1/0. Chính vì vậy, 
nhóm tác giả đã chuyển sang sử dụng bột kim cương mịn hơn ACM 0,5/0. Sau khi 
rà bóng bằng nước cất cả ba thông số ( , ,N N P ) đều đạt yêu cầu. Tuy nhiên sử 
dụng bột kim cương ACM 0,5/0 kéo dài thời gian đánh bóng rất lâu, tới gần 4h so 
với khoảng 2h khi sử dụng bột ACM 1/0. 
3. đo kiểm chất lượng chi tiết sau gia công 
Chóp khí động học sau khi gia công xong được kiểm tra các chỉ tiêu về độ 
truyền qua, độ nhám bề mặt, xác định vòng quang và sai lệch vòng quang, độ sạch 
bề mặt và so sánh với chóp khí động học do phía LB Nga gia công. 
a) 
b) 
Hình 5. (a) Chóp khí động học sau khi gia công, (b) hình ảnh đo số vòng quang 
bằng dưỡng thuỷ tinh. 
Vật lý 
N. Q. Hiệp, ,T. V. Hiến, "Nghiên cứu công nghệ gia công  gốm quang học KO-12." 108 
Kết quả đo số vòng quang bằng dưỡng thuỷ tinh cho kết quả 5N , phù hợp 
với yêu cầu thiết kế (hình 5). Sai số hình dạng bề mặt chóp khí động học sau gia 
công hoàn thiện được kiểm tra bằng giao thoa kế VeriFire XP/D (hình 6), trong đó 
d là độ rộng của vân giao thoa, Δd là độ cong của vân giao thoa. Kết quả hình ảnh 
giao thoa đã chỉ ra rằng sai số vòng quang 1N , đảm bảo độ chính xác về hình 
dạng theo yêu cầu kỹ thuật đề ra. 
Hình 6. Hình ảnh đo sai lệch hình dạng chóp khí động học sau gia công. 
Kết quả chụp ảnh bề mặt chi tiết chóp khí động học sau khi gia công hoàn thiện 
trên kính hiển vi quang học Observer.D1M thấy rằng, chất lượng bề mặt gia công 
tương đương với chất lượng của phía Nga (hình 7). Trên bề mặt có những vết xước 
mờ, điểm chấm nhỏ, chất lượng tương ứng với cấp V độ sạch bề mặt (theo GOST 
11141-84 của LB Nga [5]). 
Kết quả đo độ nhám và công tua bề mặt chi tiết sau gia công hoàn thiện trên 
thiết bị Veeco Dektak 150 cho kết quả độ nhám Rz=10ữ30Ǻ, nhỏ hơn nhiều so với 
bước sóng hồng ngoại từ mục tiêu (1ữ6μm) nên sẽ không ảnh hưởng đến khả năng 
cho bức xạ hồng ngoại truyền qua của chóp khí động học; còn bề mặt vật liệu sau 
khi rà bóng tương đối đồng nhất (hình 8). 
a) 
b) 
Hình 7. (a) Hình ảnh bề mặt chi tiết sau gia công hoàn thiện trong nước, 
(b) hình ảnh bề mặt sản phẩm của LB Nga. 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 34, 12-2014 109
Hình 8. Giản đồ công tua bề mặt chi tiết sau gia công. 
Các phép đo độ truyền qua của bức xạ hồng ngoại trong dải bước sóng từ 
1ữ7μm được thực hiện trên thiết bị FT/IR-6300. Kết quả đo kiểm (hình 9) thấy 
rằng chóp khí động học cho hơn 80% bức xạ hồng ngoại đi qua trong dải bước 
sóng từ 1,5ữ6,5μm. Độ truyền qua của phôi kém hơn so với sản phẩm gia công 
hoàn thiện là do ảnh hưởng của độ dày và chất lượng bề mặt của phôi. Sản phẩm 
gia công hoàn thiện có chiều dày mỏng hơn và chất lượng bề mặt tốt hơn. Từ đây, 
có thể xác định được các chỉ số suy giảm bức xạ hồng ngoại tại hai bước sóng 
λ1=2àm và λ2=4,5àm tương ứng với hai kênh làm việc của đầu tự dẫn hồng ngoại 
theo công thức sau [1]: 
( ) ( 1/ ) lg ( ),     
trong đó, σ là chiều dày của mẫu đo, mm; ( )  là hệ số truyền qua của bức xạ 
hồng ngoại. 
Kết quả tính toán: 1
1( ) 0,038cm 
 và 12( ) 0,033cm 
 , như vậy giá trị của chúng 
thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật đã đề ra (bảng 2). 
Hình 9. Giản đồ đo độ truyền qua bức xạ hồng ngoại của: 
1 - phôi từ vật liệu gốm KO-12; 2 - chóp khí động học sau khi gia công. 
4. Kết luận 
Như vậy, dựa trên các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, nhóm tác 
giả đã lựa chọn được phương pháp gia công và xây dựng được quy trình công nghệ 
Vật lý 
N. Q. Hiệp, ,T. V. Hiến, "Nghiên cứu công nghệ gia công  gốm quang học KO-12." 110 
gia công chóp khí động học từ gốm quang học KO-12 trên cơ sở các trang thiết bị 
hiện có trong nước. Các kết quả đo kiểm chứng minh rằng, các chi tiêu kỹ thuật của 
sản phẩm sau gia công đạt yêu cầu đề ra và tương đương với sản phẩm của LB Nga. 
Kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc thực hiện mục tiêu từng bước làm chủ 
công nghệ gia công, chế tạo chóp khí động học nói riêng và toàn bộ cụm vỏ đầu tự 
dẫn hồng ngoại của các loại vũ khí thế hệ mới nói chung. 
Tài liệu tham khảo 
[1]. Окатов М.А. “Справочник технолога-оптика”. Политехника Санкт-Петербург, 
2004. - 679 с. 
[2]. “Техническое описание и инструкция по эксплуатации 9К38 ТО”. М: 
Военное издательство, 1987. – 136 c. 
 [3]. Hao Hu, Yifan Dai, Chaoliang Guan, Ziqiang Yin, Zhaoze Li. “Deterministic 
manufacturing technologies for polycrystalline magnesium fluoride conformal 
domes”. Proc. SPIE 7655, 5th International Symposium on Advanced Optical 
Manufacturing and Testing Technologies: Advanced Optical Manufacturing 
Technologies, 765526, October 06, 2010. 
[4]. Гаврищук Е.М. “Влияние условий полирования на качество обработки 
оптических поверхностей элементов из селенида цинка для изделий, 
работающих в ИК диапазоне”. Прикладная физика, 2005. № 5. С. 
107−111. 
[5]. ГОСТ 11141-84. “Детали оптические. Классы чистоты поверхностей. 
Методы контроля”.М.: Изд-во стандартов, 1984. - 15 с.. 
abstract 
Research of TECHNOLOGICAL processing for the 
aerodynamic dome made of Optical ceramics KO-12 
 Basing on the research of structure characteristics and properties of 
optical ceramics KO-12 and the selection procedure diagram, the authors 
have proposed the technological process for processing the aerodynamic 
dome made of optical ceramics KO-12 by on currently existing 
equipments. The results of quality testing of final product show a good 
agreement with the predetermined requirements and equivalent of Russian 
Federation´s product. 
Keywords: Optical manufacturing, Optical ceramics KO-12, Aerodynamic domes 
Nhận bài ngày 11 tháng 07 năm 2014 
Hoàn thiện ngày 28 tháng 09 năm 2014 
Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 12 năm 2014 
Địa chỉ: * 
** 
*** 
 Bộ môn Khí tài quang học - Học viện Kỹ thuật Quân sự; 
 Viện Công nghệ - Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng; 
 Xí nghiệp X23 - Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng.