CN107570967B - 一种Wolter-I型精密芯轴的制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Wolter‑I型精密芯轴的制造工艺，其工艺流程为：铝合金圆棒料毛坯→两步粗车削芯轴毛坯→测量→芯轴表面化学镀镍磷合金→低成本精密车削芯轴→测量→低成本自动抛光芯轴→测量→手工修正抛光芯轴→测量→芯轴完成。本发明在Wolter‑I型反射镜制造工艺过程中为保证加工轮廓的精度，对复制用光学芯轴的制造采用工具中心沿着待加工轨迹等距线运动的方法，在XZ两轴数控机床中完成光学芯轴的车削和抛光工艺，提高了车削和抛光后芯轴的表面轮廓形状精度，减少了使用三轴以上的多轴数控机床进行车削、磨削和抛光的设备成本和加工成本，从而降低了复制用光学芯轴和Wolter‑I型反射镜的制造成本。

Description

一种Wolter-I型精密芯轴的制造工艺

技术领域

本发明属于光学和精密制造技术领域，涉及一种精密芯轴的制造工艺，尤其涉及一种采用2轴机床加工Wolter-I型精密芯轴的工艺。

背景技术

由于极紫外光、软X射线和硬X射线的波长很短，在介质中的折射率接近于1，从而不能采用折射的方法使其聚焦，必须采用反射式光学系统使其聚焦。然而这种短波长的光很容易被周围的物质所吸收或直接穿透大多数物质，其对大多数物质而言光的反射率是极低的。但是这种光在一般物质中的折射率略小于1，故光线从真空入射反射物质时，当入射角接近90度时，就能发生全反射现象。利用这种全反射现象，开创了X射线掠入射光学。目前广泛采用的Woler-I型成像系统就是掠入射成像系统中的重要一种。例如： X射线望远镜、X射线显微镜、极紫外（EUV）光刻系统中的收集器等。这种Woler-I型反射镜是由两个同轴共焦的轴对称非球面组合而成，非球面的陡度（长径比）一般较大，并且精度要求高，制造十分困难。图1是Wolter-I型反射镜结构示意图，其中A和B是反射镜子午截面轮廓曲线的端点，R是两片非球面子午截面轮廓曲线的交点。

目前制造这种Wolter-I型反射镜是基于现有的X射线光学设计和复制制造工艺，首先采用单点金刚石车削技术或磨削技术加工出与反射镜内表面质量相同的芯轴外表面；然后对芯轴表面进行超精密抛光，以获得符合应用需求的芯轴表面；最后将芯轴作为母模通过物理气象沉积（PVD）或化学气象沉积（CVD）工艺复制出反射镜内表面，并通过电铸工艺生长出镜壳，最终将反射镜从芯轴脱离，完成单个反射镜的制造。这种复制方法将对内表面的车削、磨削、抛光等加工转化为对外表面的加工，降低了加工难度，而且脱模后的芯轴母模经过简单修整可以再次使用，适合反射镜的批量生产。

然而，复制制造高精度Wolter-I型反射镜的工艺复杂而且加工精度要求高，对反射镜质量影响的关键因素是复制用的光学芯轴的表面质量，单个芯轴的表面是两片高陡度非球面组合而成，这种高陡度非球面具有较大的长径比，加工制造困难。芯轴毛坯的粗车削方法常常是用直线代替非球面，通过普通数控车削获得芯轴毛坯，这种方法得到的芯轴毛坯表面形状和所需非球面面形偏离较大，增加了精加工时的总的去除余量。或者使用三维CAM软件建模生成加工所需数控代码，直接进行数控加工以获取所需非球面面形，从而完成芯轴毛坯的粗加工，这种方法粗加工的高陡度非球面面形和理想面形之间仍然存在较大偏差。增加了精密车削加工时的总去除余量，会增加刀具的磨损。芯轴的精密车削、研磨或抛光常采用三轴以上的多轴超精密机床进行，以控制加工工具与工件之间的精确位置关系。相比于传统的XZ两轴超精密机床而言，增加一套精密旋转B轴及其控制系统的成本高达百万以上，使得这种多轴超精密机床的制造成本变得昂贵，而且使用这种多轴超精密机床进行加工的加工成本也是非常昂贵的，使得复制所用的光学芯轴的制造成本是非常昂贵的，这同时也增加了反射镜的制造成本。

发明内容

针对高精度Wolter-I型芯轴加工困难和制造成本高的问题，本发明进行了工艺的改进与优化，提供了一种Wolter-I型精密芯轴的制造工艺，采用2轴机床加工芯轴，解决了制造成本高的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种Wolter-I型精密芯轴的制造工艺，包括如下步骤：

第一步、两步粗车削芯轴毛坯：

（1）第一步粗车削：

采用三维软件建立芯轴数学模型，生成加工用数控代码，在XZ两轴普通数控车床中使用硬质合金刀具对圆柱形铝合金棒材料进行芯轴毛坯第一步粗车削，加工参数为：主轴转速150～300rpm，切削深度1～2mm，进给速度20～30mm/min，预留加工余量1mm；

（2）第二步粗车削：

根据被加工非球面子午截面曲线方程计算出刀具中心运动轨迹，使刀具中心沿着待加工非球面子午截面轮廓曲线的等距线运动，保持刀具中心在插补点法线上且偏离插补点一个刀具圆弧半径，加工参数为：主轴转速150～300rpm，切削深度0.1～0.5mm，进给速度15～20mm/min；

第二步、芯轴表面化学镀镍磷合金：

采用电脉冲提高化学镀镍磷合金层厚度的方法对芯轴毛坯表面进行镀镍磷合金处理，镀层厚度100μm；

第三步、芯轴表面精密车削：

分别使用聚晶金刚石刀具（PCD）和天然单晶金刚石刀具（SCD）在XZ两轴精密车床中半精密车削和精密车削芯轴，车削过程中使刀具中心沿着待加工非球面子午截面曲线的等距线运动，保持刀具中心在插补点法线上且偏离插补点一个刀具圆弧半径，加工参数为：PCD半精密车削3～5次，切削深度5～10μm，主轴转速300～500rpm，进给速度10～15mm/min，SCD精密车削2～3次，切削深度3～5μm，主轴转速500rpm，进给速度4～7mm/min；

第四步、芯轴表面自动抛光：

在XZ两轴精密车床中，选用弹性球形抛光工具，在其球面上依次包裹棉花和抛光绒布，选用粒径0.5～2μm的金刚石抛光液分别对芯轴表面进行粗抛和精抛，通过计算使抛光球球心沿着待加工非球面子午截面曲线的等距线运动，保持抛光球球心在插补点法线上且偏离插补点一个抛光球半径，抛光时主轴转速500～1500rpm；

第五步、芯轴表面手工抛光。

本发明具有如下优点：

1、在Wolter-I型反射镜制造工艺过程中，为保证加工轮廓的精度，对复制用光学芯轴的制造采用工具中心沿着待加工轨迹等距线运动的方法，在XZ两轴数控机床中完成光学芯轴的车削和抛光工艺，提高了车削和抛光后芯轴的表面轮廓形状精度，减少了使用三轴以上的多轴数控机床进行车削、磨削和抛光的设备成本和加工成本，从而降低了复制用光学芯轴和Wolter-I型反射镜的制造成本。

2、粗车削过程中提高芯轴毛坯的表面轮廓精度，可以减少后续精密车削时的总加工余量，有利于减少金刚石刀具的磨损。

3、本发明可用于复制Wolter-I型反射镜的精密芯轴的制造、Wolter-I型反射镜的制造以及大长径比轴对称凸非球面光学元件的制造。

附图说明

图1为Wolter-I型反射镜结构示意图；

图2为PROE三维软件生成数控代码车削芯轴毛坯；

图3为刀具沿非球面子午线截面轮廓的等距线车削；

图4为芯轴自动抛光；

图5为芯轴制造工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种采用2轴机床加工芯轴的低成本制造方法，如图5所示，工艺流程为：铝合金圆棒料毛坯→两步粗车削芯轴毛坯→测量→芯轴表面化学镀镍磷合金→低成本精密车削芯轴→测量→低成本自动抛光芯轴→测量→手工修正抛光芯轴→测量→芯轴完成。具体实施步骤如下：

第一步、两步粗车削芯轴毛坯：

为了使粗加工后的芯轴表面形状更接近理想非球面，尽可能减少精加工时的总的去除余量，本发明在芯轴粗车削阶段进行两步车削。

首先，为提高芯轴毛坯的车削效率和批量生产以及提高编程效率和方便更改数控程序，采用三维软件建立芯轴数学模型，生成加工用数控代码，在XZ两轴普通数控车床中使用硬质合金刀具对圆柱形铝合金棒材料进行芯轴毛坯第一步粗车削，实际加工时采用的加工参数为：主轴转速150～300rpm，切削深度1～2mm，进给速度20～30mm/min，预留加工余量1mm，如图2所示。

其次，为保证芯轴表面加工轮廓的精确性，第二步粗车削时根据被加工非球面子午截面曲线方程计算出刀具中心运动轨迹，使刀具中心沿着待加工非球面子午截面轮廓曲线的等距线运动，保持刀具中心在插补点法线上且偏离插补点一个刀具圆弧半径，如图3所示。实际加工时采用的加工参数为：主轴转速150～300rpm，切削深度0.1～0.5mm，进给速度15～20mm/min。这种方法保持粗车后的芯轴表面轮廓形状与后续精加工的表面轮廓形状一致，可以减少后续精加工时的总去除余量，有利于减少精加工时金刚石刀具的磨损。

第二步、芯轴表面化学镀镍磷合金

为了方便芯轴表面的最终抛光，采用电脉冲提高化学镀镍磷合金层厚度的方法（ZL201410062341.1）对芯轴毛坯表面进行镀镍磷合金处理，镀层厚度100μm。

第三步、低成本精密车削芯轴：

分别使用聚晶金刚石刀具（PCD）和天然单晶金刚石刀具（SCD）刀具在XZ两轴精密车床中半精密车削和精密车削芯轴，为保证加工轮廓的精度，车削过程中使刀具中心沿着待加工非球面子午截面曲线的等距线运动，保持刀具中心在插补点法线上且偏离插补点一个刀具圆弧半径，有利于提高芯轴表面的轮廓形状精度。实际加工时采用的加工参数为：PCD半精密车削3～5次，切削深度5～10μm，主轴转速300～500rpm，进给速度10～15mm/min,SCD精密车削2～3次，切削深度3～5μm，主轴转速500rpm，进给速度4～7mm/min，如图3所示。

第四步、低成本自动抛光芯轴：

抛光工具选用弹性较软材质的塑料或橡胶球，在球面上依次包裹棉花和抛光绒布，实际选用粒径0.5～2μm的金刚石抛光液分别对芯轴表面进行粗抛和精抛。为保证抛光时不影响芯轴表面轮廓形状的精度和提高抛光效率，在XZ两轴精密数控车床中，通过计算使抛光球球心沿着待加工非球面子午截面轮廓的等距线运动，保持抛光球球心在插补点法线上且偏离插补点一个抛光球半径，提高抛光的精度。通过在加工程序中调整数控代码来修改待加工非球面子午截面曲线和其等距线之间的偏移距离，可以灵活控制抛光球与工件之间的接触压力，进而调整抛光时间或效率。实际抛光时主轴转速500～1500rpm，如图4所示。

第五步、手工修正抛光芯轴：

自动抛光后的芯轴已经具有很高的表面质量，检测后如果仍不能满足要求，则还需要进一步进行最后的手工抛光，以获得符合EUV或软X射线或硬X射线应用需求的芯轴表面。

加工实例：

以椭球面和双曲面组成的Woler-I型芯轴为例进行实际加工，经过粗车（测量）、化学镀镍磷合金、精车（测量）、自动抛光（测量）和手动修正抛光等工艺制造出最大口径Φ170.81mm的芯轴，样品表面粗糙度测量值RMS1.56nm，能够满足波长100nm以下的极紫外光的应用需求。

Claims (8)

1.一种Wolter-I型精密芯轴的制造工艺，其特征在于所述工艺步骤如下：

第一步、两步粗车削芯轴毛坯：

（1）第一步粗车削：

采用三维软件建立芯轴数学模型，生成加工用数控代码，在XZ两轴普通数控车床中使用硬质合金刀具对圆柱形铝合金棒材料进行芯轴毛坯第一步粗车削；

（2）第二步粗车削：

根据被加工非球面子午截面曲线方程计算出刀具中心运动轨迹，使刀具中心沿着待加工非球面子午截面轮廓曲线的等距线运动，保持刀具中心在插补点法线上且偏离插补点一个刀具圆弧半径；

第二步、芯轴表面化学镀镍磷合金：

采用电脉冲提高化学镀镍磷合金层厚度的方法对芯轴毛坯表面进行镀镍磷合金处理；

第三步、芯轴表面精密车削：

分别使用PCD和SCD在XZ两轴精密车床中半精密车削和精密车削芯轴，车削过程中使刀具中心沿着待加工非球面子午截面曲线的等距线运动，保持刀具中心在插补点法线上且偏离插补点一个刀具圆弧半径；

第四步、芯轴表面自动抛光：

在XZ两轴精密车床中，选用弹性球形抛光工具，在其球面上依次包裹棉花和抛光绒布，选用粒径0.5～2μm的金刚石抛光液分别对芯轴表面进行粗抛和精抛，通过计算使抛光球球心沿着待加工非球面子午截面曲线的等距线运动，保持抛光球球心在插补点法线上且偏离插补点一个抛光球半径；

第五步、芯轴表面手工抛光。

2.根据权利要求1所述的Wolter-I型精密芯轴的制造工艺，其特征在于所述第一步粗车削的加工参数为：主轴转速150～300rpm，切削深度1～2mm，进给速度20～30mm/min，预留加工余量1mm。

3.根据权利要求1所述的Wolter-I型精密芯轴的制造工艺，其特征在于所述第二步粗车削的加工参数为：主轴转速150～300rpm，切削深度0.1～0.5mm，进给速度15～20mm/min。

4.根据权利要求1所述的Wolter-I型精密芯轴的制造工艺，其特征在于所述芯轴表面化学镀镍磷合金步骤中，镀层厚度100μm。

5.根据权利要求1所述的Wolter-I型精密芯轴的制造工艺，其特征在于所述PCD半精密车削的加工参数为：PCD半精密车削3～5次，切削深度5～10μm，主轴转速300～500rpm，进给速度10～15mm/min。

6.根据权利要求1所述的Wolter-I型精密芯轴的制造工艺，其特征在于所述SCD精密车削的加工参数为：SCD精密车削2～3次，切削深度3～5μm，主轴转速500rpm，进给速度4～7mm/min。

7.根据权利要求1所述的Wolter-I型精密芯轴的制造工艺，其特征在于所述弹性球形抛光工具为塑料或橡胶球。

8.根据权利要求1所述的Wolter-I型精密芯轴的制造工艺，其特征在于所述芯轴表面自动抛光时主轴转速500～1500rpm。