1 引 言
碳化硅材料具有较高的弹性模量,适中的密度,较小的热膨胀系数,较高的导热系数和耐热冲击性,高的比刚度和高度的尺寸稳定性等一系列优秀的物理性质,因此世界上各航天大国的研究者均将其列为空间光学遥感器优选的反射镜材料。目前,碳化硅材料的制造技术已经比较成熟,但碳化硅为多相陶瓷材料,其材质既硬且脆,所以,加工难度很大。从20世纪70年代开始,美国和俄罗斯相继开展碳化硅反射镜的加工研究,而且美国已经将其作为下一代空间望远镜的首选方案,目前正在加紧研究制备工作。国内中国科学院长春光学精密机械与物理研究所进行了反应烧结碳化硅的浮法抛光研究。
一直以来,很多非球面光学零件依赖技术熟练的工人通过反复地局部修抛和不断检测来完成,不仅成本高、效率低、劳动强度大,而且加工精度也无法保证,远远不能满足使用要求。长春光机所从1992年开始就开展了基于小磨头的数控加工技术的研究,并研制出第一代、第二代非球面数控光学加工中心。国际上,如美国的Rochester大学和德国LOH公司等,利用计算机自动控制技术,实现非球面元件的快速精密铣磨成型,并且能够保证光学零件具有较高的面形精度。
本文结合实际工程任务,依托德国LOH公司生产的SPM120SL非球面精密铣磨设备和自主开发研制的新型非球面抛光机,探讨如何对精密铣磨成型后的中小口径碳化硅质非球面元件进行超精密研磨抛光,使其满足了设计要求。
2 非球面数控研磨、抛光技术的理论基础
使用散粒磨料对光学材料进行研磨、抛光的物理过程比较复杂,很难找到和表面去除量有关参数之间的确定性数学关系,到目前为止对这个过程描述比较成功的数学模型还是Preston假设:
ΔZ(x,y)为磨头与工件接触区域中某点(x,y)单位时间内的材料去除量;
P(x,y)为磨头与工件间的相对压力;
V(x,y)为磨头与工件间的相对运动速度;
k为与加工过程有关的比例常数(温度、磨头材料等)。
在这个假设条件下,可以认为磨头与工件间相互作用的小区域内,磨头对工件表面材料的去除量与压力、相对速度以及驻留时间成正比。利用计算机的数字控制技术,精密控制多维机构职能部件的运动,从而实现用小工具磨头精密重复、多次修琢较大口径非球面元件表面,使被加工表面的面形精度逐步收敛,最终实现非球面元件的数控加工。
3 124 mm口径两面均为非球面碳化硅光学镜面加工工艺
3.1 加工手段
被加工元件两面均为非球面碳化硅材料,其参数为(R= 190, K= - 0.5; R= 127, K=-0.2),传统的人工修磨方法需要加工者有丰富的实践经验和良好的心理素质,通过反复修抛和不断检测完成,其加工周期长,重复精度不高。而该非球面碳化硅光学镜面相对口径接近1:1,传统的手工修抛技术对此无能为力。
计算机数控光学表面成形技术(简称CCOS技术)是根据定量的面形检测数据,在上述加工模型的基础上,用计算机控制小磨头在工件表面的驻留时间以及在一定的压力下磨头与工件间的相对速度,对光学表面进行研磨和抛光的方法。但是该方法对于中小口径高陡度非球面难以适用,必须对上述工作模式进行改进,才能更有效地实现对中小口径非球面的加工,从而实现中小口径光学元件加工过程专业化,集成化和高效化。
本文研究了一种新型的轮式研磨抛光技术用于实现中小口径非球面元件加工,利用计算机实时控制,有效地实现了对非球面元件进行研磨抛光加工。
3.2 工艺流程
124 mm口径碳化硅质非球面加工工艺过程如下,第一步:进行非球面数控铣磨成型,得到具有一定精度的非球面毛坯;第二步:以轮廓仪测量结果为指导,对非球面元件进行超精密研磨,得到稳定的面形精度并且改善其表面质量;第三步:进入抛光工序,在数字波面干涉仪的测量结果指导下,实现非球面的数控精抛光。
3.2.1 数控铣磨成型
德国LOH公司生产的SPM120SL非球面精密铣磨设备的工作原理如图1所示,利用计算机自动控制技术,实现非球面元件的快速精密铣磨成型,能够保证光学零件具有一定的面形精度。
3.2.2 超精密研磨工艺
经过精密铣磨成型后,虽然元件具有一定的面形精度,但表面仍然存在一定的铣磨痕迹和微观表面破坏层,故需进入超精密研磨工序。采用自主开发设计的非球面数控研磨、抛光设备,其工作原理如图2所示。此结构特点是采用近似于点或线大小的工作磨头,利用计算机控制进行研磨抛光。依据轮廓仪检验结果,对元件表面进行超精密研磨处理。
3.2.2.1 超精密研磨阶段磨料的选择
加工的效率和表面粗糙度很大程度上取决于磨料的性质。对于碳化硅工件,由于其工件材质硬、脆、弹性变形小,磨料管理相对比较困难,需要控制粒度的均一性,避免产生较大的加工缺陷,以利于最后工序的镜面抛光。考虑到工件表面粗糙度、加工效率等因素后,在超精密研磨阶段采用粒径为4~8μm的人造金刚石微粉作为磨料。
3.2.2.2 超精密研磨阶段磨头压力、转速选择
材料表面的去除率与接触区域内工作压力和相对速度成正比,这是因为随着压力的增加,单颗磨粒作用在工件表面上的应力增加。因此,在一定范围内,增加研磨压力可以成比例地提高加工效率;但当压力增大到一定数值时,由于磨粒破碎及接触面积增加,研磨效率提高并不明显。研磨速度是指加工区域内工件与磨头的相对速度,增加磨头转速可以提高加工效率;但当速度过高时,由于离心力作用,磨料被甩出工作区,磨头磨损加快,从而影响到加工精度和加工效率。
在碳化硅工件的研磨过程中,增大相对速度和工作压力会提高加工效率,但将造成表面质量的下降,甚至引起局部破碎。根据这种情况,在超精密研磨阶段需要采取合适的压力和磨头转速,可以适当增大磨头的转速和压力,尽量保证磨料对工件表面的作用力分布均匀。
3.2.2.3 超精密研磨阶段磨头和工件相对运动轨迹选择
研磨过程中磨头和工件间应具有比较复杂、无规律的相对运动轨迹,及时变换相对运动方向,尽量不出现运动轨迹的周期性重复,保证磨头和工件之间的相对运动轨迹覆盖整个工件表面。经过超精密研磨工序,提高了碳化硅质非球面元件的面形精度,改善了元件的表面微观质量。
3.2.3 数控精抛光工艺
利用自主开发的应用程序将轮廓检验获得面形误差分布数据或者ZYGO数字波面干涉仪测得的面形误差分布数据准确地生成数据控制文件,指导数控抛光设备对元件进行精抛光。
3.2.3.1 精抛光阶段磨头尺寸、压力选择
在抛光加工的初始阶段,低频误差占主要成分,因此选用曲率半径较小的抛光轮;增强对局部误差的修正能力,使工件表面形状精度在较短时间内达到规定指标。在此抛光加工循环结束后,选用曲率半径较大的抛光轮,提高抛光轮与工件表面的工作面积,重新修整抛光工艺参数,有效地消除表面残差。另外,在精抛光阶段应减小磨头的压力,因为选用较低的磨头工作压力,可以实现微量去除,获得较高的表面质量。
3.2.3.2 精抛光磨料选择
在精抛光初始阶段采用粒径为2~4μm人造金刚石微粉作为抛光磨料,对工件抛光一段时间后,工件表面的面形精度和表面质量均有明显提高。然后采用0~0.5μm人造金刚石微粉对元件进行精抛光,随着加工工艺循环的进行,元件的表面面形误差不断收敛,表面质量得到明显改善。在每一个工艺循环过程中,根据面形的变化,相关的工艺参数都要求进一步修正。
精抛光过程中,第一面经过第一阶段抛光后面形干涉测量结果如图3所示,第二阶段、第三阶段以及最终面形干涉测量结果如图4、5、6所示。第二面经过第一阶段抛光后面形干涉测量结果如图7所示,第二阶段、第三阶段以及最终面形干涉测量结果如图8、9、10所示。可见面形误差得到了快速的收敛。
4 实验结果
利用自主开发的应用程序将定量测试的非球面轮廓或面形误差分布准确地生成数据控制文件,利用计算机控制数控研磨抛光设备工作,完成镜面研磨抛光后,经干涉检验可以获得镜面最终面形精度为:第一面0. 761λ(PV)、0. 059λ(RMS)(如图6所示),第二面0.834λ(PV)、0.089λ(RMS)(如图10所示),满足设计要求(1λ(PV)、0.1λ(RMS))。
5 结束语
本文结合124 mm口径两面均为非球面的碳化硅元件的加工,探讨了中小口径碳化硅质非球面元件加工和检测技术。首先利用LOH铣磨设备对元件进行精确铣磨成型,然后根据轮廓仪检测结果采用中小口径非球面快速研磨抛光设备对镜面进行研磨,最后利用自主开发的应用程序将定量测试的非球面轮廓或面形误差分布准确地生成数据控制文件,采用计算机控制设备进行数控研磨、抛光。同时对每一个工艺循环中的工艺参数进行了不同程度的优化,实现了中小口径非球面碳化硅光学表面的快速加工。
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作者简介:牛海燕(1976-),女,吉林长春人,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所硕士研究生,从事光学超精密加工和检测技术研究。
