摘 要:以φ400mm 轻型平面镜为例,介绍了采用机械减重法制造轻型镜的工艺技术。镜坯的轻量化采用了刚度虽不是最优，但工艺性最好的圆孔结构，并采用专门设计的钻头钻孔，再用氢氟酸消除微裂纹。加工结果表明，该镜的减重比达 44.5%，但仍具有足够的刚度，且没有影响加工精度的变形。
引 言
随着机载光学系统、空间光学系统和天文观测望远镜主镜口径的不断增大，一系列的技术问题需要解决。一方面，反射镜因自重而引起的镜面变形严重影响到系统成像质量，反射镜的重量也严重影响到机载光学系统、天文观察系统跟踪、监测的灵活性与机动性。对于空间系统来说，反射镜的自重不仅增大了发射成本，而且更增大了发射技术难度。另一方面，反射镜因环境温度变化及镜体温度梯度的出现而产生的镜面热膨胀变形也明显增大，严重地影响着系统的热稳定性，这种情况在空间光学系统中尤为突出。为了减小这些不利影响，人们发展了轻量化技术。
目前，国内外轻量化技术研究主要途径可分为三类：即浇铸成型法、高温熔接法或熔接物封接法、机械钻削减重法。各种方法都各有特点，互有优势。前两种方法虽然减重效率明显，但它在工艺上较复杂，采用在背部钻孔的轻量化设计方案，工艺较简单。机械钻削是较早使用的轻型镜制作方法，它是通过机械钻削方法，将镜子的多余部分去除，以实现镜子的轻量化。采用这种方法加工的轻型镜通常是背部开放型结构。在采用数控铣床进行轻量化以前，这种方法由于钻削工具容易使轻量化孔受到挤压而使镜坯受损，所以设计轻型镜结构时，反射板与轻量化孔的壁的厚度不能很小，限制了镜子的减重率。随着数控技术的发展，采用数控车床进行铣孔加工，可提高轻量化孔的形状精度和加工作业的可靠性，这种方法加工的轻型镜的减重率得到了很大的提高，如德国 Schott 公司采用数控切削并辅之以酸蚀减薄的方法，将轻型镜的减重率提高到了 85%。现在机械钻削法仍是一种常用的反射镜轻量化方法。
1 轻型镜材料选取
轻型镜材料的选取主要应考虑这么几个方面：刚性，热稳定性，化学稳定性，操作安全性与加工质量。现有的材料很难同时达到这些性能要求，选择材料时必须综合比较，选出尽量满足系统性能要求的材料。目前，国内外常用的轻型镜材料有熔石英(FS)、微晶玻璃(Zerodur)、K9、铍(Be)、铝(Al)、钛(Ti)、碳化硅(SiC)等等，铍的导热系数大，容易实现均匀的温度分布，材料比刚度大，能实现很高的轻量化率，是一种比较好的镜体材料，但由于它的剧毒性使其制造与应用受到了一定的限制。铝易于加工，成本低，但热膨胀系数大，通常用于温度变化不大、镜面面形要求不高的情况。熔石英加工性能好，但价格昂贵，而且做成大口径的镜坯较困难。微晶玻璃的比刚度较大，热变形小，价格相对便宜，比较适合做大口径的反射镜。其它材料也是各有优缺点，需根据实际需要选用。各材料的的属性如表1 所示。
本文所讨论的轻型镜，根据实验室库存玻璃材料状况采用了K4，其整体性能与K9 接近，比刚度略小于K9，但线膨胀系数要比K9 约小一半，有利于面形加工。
2 轻型镜的结构设计
机械切削法制造的轻型镜一般采用背部开放型结构，通过在背部制作轻量化孔来减重。从力学性能来看，这种结构要比夹芯层结构和背部封闭型刚性弱，但它的工艺性最好。轻量化孔的选择有多种方案，如背部制作蜂窝孔、三角形孔、四边形孔、扇形孔和圆孔等。就可加工性和结构刚度而言，三角孔、蜂窝孔的结构刚度较好，其中三角形孔更佳;圆形孔的工艺性最好，三角形孔、四边形孔和扇形孔的工艺性差不多;三角形孔的热特性最差，在三角形的顶点处容易形成严重的热节在该轻型镜设计之初，作者分别设计了三种轻量化孔的结构方案，分别为：圆孔、三角孔、蜂窝孔，图1 所示。用有限元方法对这三种方案分别进行了分析计算，逐步优化，这三种形式轻型镜的自重变形、加工变形、减重比如表2 所示。三种结构的有限元模型及自重变形如图2 所示。可见，采用三角孔或蜂窝孔要比圆孔有很大的优势，无论从减重比还是刚性，三角孔或蜂窝孔都要占优。圆孔加工工艺性好，设备要求低，是最容易满足的生产条件，因此，最终采用了圆孔方案。该镜的各项参数为：口径：φ400mm;厚度：65mm;面形：平面;材料：K4;轻量化孔：圆孔;减重比：44.5%。
3 镜坯的加工
3.1 轻量化孔制作
由于轻量化孔是盲孔，在铣削中，随着铣削深度的加大，磨料和冷却液难以循环流动，使得加工效率很低，而且加工部位温度高，容易产生裂纹和残余应力。所以，钻孔磨头的结构形式、金刚砂粒度与浓度的选择是轻量化孔加工的关键技术之一。我们设计了多种加工钻头，进行了大量的实验，边实践、边总结、边修改，最后选出了一种铣削效率较为理想的磨头。由于钻削时，磨头对孔壁挤压或磨头定位不准有时会造成镜坯的损伤，所以在钻孔时先留一定的余量，使孔壁较厚。最后经过一个月的加工，各轻量化孔顺利完成。加工工具与粗加工成形的轻量化镜如图3 所示。
3.2 轻量化孔的酸蚀。
对轻量化孔进行酸蚀的作用有两点：一，由于经过研磨，镜子被研磨的表面总会有许多微裂纹和残作应力，需要通过酸蚀来消除。二，在对镜坯进行轻量化孔加工时，总要留有一点的余量，因为孔间距如果太小则如易使磨头将镜子崩损，而多余的量则需要通过酸蚀来消除。在对镜子进行酸蚀之前，我们进行了大量的酸蚀试验。在进行试验时，采用了不同的几种材料，包括本文所述轻型镜所用的 K4，也有 K9 以及微晶玻璃。因为在后续工中，将采用微晶玻璃制作轻型镜，所以在此，将微晶玻璃与 K4 酸蚀试验数据一并列出，如表3 所示。其中表 3 是对微晶玻璃进行试验的数据。表4 是对K4 进行试验的数据。试验表明，微晶玻璃受氢氟酸腐蚀后，由金刚砂研过的表面变得很光滑，不同浓度腐蚀效果均比较理想。微裂纹基本消除，而且腐蚀速度较快。而对于 K4，腐蚀效果就不太理想，当氢氟酸浓度很大时，其表面变得非常粗糙，甚至比用60 号金刚砂研过的表面还要粗糙。它的腐蚀速度并不快，比微晶玻璃要小。当用浓度较低的氢氟酸进行腐蚀时，其表面逐渐得到改善，通过反复试验，最后确定了一种比较合适的浓度对K4进行腐蚀，得到了比较好的表面，而且微裂纹基本得以消除。图4 是经过酸蚀后的轻型镜。
4 轻型镜的抛光
将细磨后的轻型镜利用φ1m 分离器进行了抛光，这一过程进展得非常顺利。加工时，镜子上要加一定量的配重，但整个过程并没有发现镜面存在任何“网格”变形效应，说明镜子有足够的刚性。镜子的加工结果为，P-V=0.222 、RMS=0.034 ,满足设计要求，而且该镜的面形精度仍可进一步提高。抛光完的轻型镜如图5 所示。检测图如图6 所示。
结束语
主镜轻量化技术是国防、空间、天文等领域大型光学装置与设备必不可少的技术。机械减重轻量化方法是主镜轻量化技术的一项重要内容。本文论述了运用机械减重法设计、制造轻型镜的一般过程。并运用该技术完成了φ400mm 轻型平面镜的设计、加工，收到了很好的结果。该镜设计的减重比为 44.5%，但这是留了很大安全系数的结果，该镜的减重比仍有很大的提高空间。如果在更大的环抛机上加工，镜子的加工精度还可进一步提高。
致谢：该轻型镜的加工中，多人为此作了大量的工作。其中，轻量化孔的加工由陈国胜完成，酸蚀由兰秀清完成，细磨及抛光由王家金技师完成，另外，高平起技师也为该镜的完成提出了很多有益的建议，在此一并表示感谢。
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作者简介：吴时彬(1963-)，男(汉族)，四川成都人，硕士，副研究员。主要从事先进光学制造技术研究。
