CN109176161A - 一种铝合金反射镜高表面质量加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝合金反射镜高表面质量加工方法，实施步骤包括：通过小磨头数控研抛平台对铝合金反射镜试件相同材料的铝合金镜面在给定工艺参数条件下进行定点小磨头光顺抛光获取抛光去除效率；测量铝合金反射镜试件的氧化膜厚度；根据氧化膜厚度、抛光去除效率确定小磨头光顺抛光作业的最优小磨头抛光工艺参数；进行小磨头光顺抛光作业；对铝合金反射镜试件的表面进行清洁，并判断清洁后的表面质量是否达到指标要求。本发明能够抑制消除铝合金反射镜超精密切削过程中的伴生车削纹路，克服传统铝合金反射镜抛光技术在表面质量提高上存在的不足，实现高质量表面的获得，提升了光学零件低缺陷制造能力，为我国光学零件的超精密加工开辟新途径。

Description

一种铝合金反射镜高表面质量加工方法

技术领域

本发明涉及光学元件加工技术，具体涉及一种铝合金反射镜高表面质量加工方法。

背景技术

铝合金具有易加工成形、轻质、高导热性和低成本等优良特性，是航空航天光学系统中的常用材料，这些光学系统使用铝合金作为结构部件的同时使用其作为镜体以实现光机一体化，从而避免镜面和机械结构由于材料不同、热胀冷缩不一致造成的镜面畸变。另外，由于在紫外光到红外光的较宽光谱范围内均具有高反射率，铝合金材料常用于制造反射镜面。对于反射镜面，表面质量是其光学性能的重要影响因素，因此铝合金反射镜能否获得高表面质量是其能否成为高品质光学元件的关键。

单点金刚石切削技术(single point diamond turning,SPDT)作为铝合金镜面加工的常用方法，可以较为高效地直接获得满足红外光学系统成像要求的光滑表面，但其在铝合金镜面产生的周期性车削纹路等微结构会产生光散射，这极大地影响了镜面的光学性能，致使切削后的铝合金反射镜很难直接应用于可见光和紫外波段。但是，铝合金质软，在加工过程中极易产生机械损伤，造成划痕、磨损等表面缺陷，致使加工后表面平整度和光洁度低。同时缺陷处表面化学稳定性差，极易发生腐蚀。以上特点导致传统抛光方法在铝合金反射镜上的应用不够理想，难以获得高表面质量光学表面。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种铝合金反射镜高表面质量加工方法，本发明依据小磨头抛光可进行材料定量去除的优点优化了抛光工艺，实现了对铝合金反射镜表面轮廓误差减小以及随机化，能够抑制消除铝合金反射镜超精密切削过程中的伴生车削纹路，克服传统铝合金反射镜抛光技术在表面质量提高上存在的不足，实现高质量表面的获得，提升了光学零件低缺陷制造能力，为我国光学零件的超精密加工开辟新途径。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种铝合金反射镜高表面质量加工方法，实施步骤包括：

1)通过小磨头数控研抛平台对铝合金反射镜试件相同材料的铝合金镜面在给定工艺参数条件下进行定点小磨头光顺抛光，根据抛光前后表面面形差得到抛光去除效率Vr；

2)测量铝合金反射镜试件的氧化膜厚度H；

3)根据铝合金反射镜试件的氧化膜厚度H、抛光去除效率Vr确定通过小磨头数控研抛平台对铝合金反射镜试件在给定工艺参数条件下进行小磨头光顺抛光作业的最优小磨头抛光工艺参数；

4)根据最优小磨头抛光工艺参数生成小磨头光顺抛光数控代码，通过小磨头数控研抛平台对铝合金反射镜试件在给定工艺参数条件下进行小磨头光顺抛光作业；

5)对铝合金反射镜试件的表面进行清洁，并判断清洁后的表面质量是否达到指标要求，如果达到指标要求则结束并退出；否则，跳转执行步骤2)。

优选地，步骤2)的详细步骤包括：利用纳米压痕测试仪对铝合金反射镜试件进行循环加载实验，获得其硬度与弹性模量随压入深度的变化曲线，根据所述硬度与弹性模量随压入深度的变化曲线分析得到氧化膜与其基体之间的临界位置，从而间接得到铝合金反射镜表面的氧化层厚度H。

优选地，步骤3)的详细步骤包括：

3.1)根据铝合金反射镜试件的氧化膜厚度H、铝合金反射镜试件的镜面表面面积A计算得到铝合金反射镜试件的氧化膜体积V，将铝合金反射镜试件的氧化膜体积V除以抛光去除效率Vr得到总的去除时间T；

3.2)选择通过小磨头数控研抛平台对铝合金反射镜试件在给定工艺参数条件下进行小磨头光顺抛光作业的光栅扫描路径，设定光栅扫描路径的每行进给步距res并忽略换行过程，从而确定步进次数N，根据总的去除时间T、步进次数N确定平均每次步进时间t_res、将每行进给步距res除以平均每次步进时间t_res得到进给速度f。

优选地，步骤1)中进行定点小磨头光顺抛光以及步骤4)中进行小磨头光顺抛光作业时，所使用的抛光盘由刚性的抛光底盘和固定在抛光底盘上的软质抛光垫组成。

和现有技术相比，本发明具有下述有益效果：本发明依据小磨头抛光可进行材料定量去除的优点优化了抛光工艺，实现了对铝合金反射镜表面轮廓误差减小以及随机化，能够抑制消除铝合金反射镜超精密切削过程中的伴生车削纹路，克服传统铝合金反射镜抛光技术在表面质量提高上存在的不足，实现高质量表面的获得，提升了光学零件低缺陷制造能力，为我国光学零件的超精密加工开辟新途径。

附图说明

图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。

图2为本发明实施例中的去除函数。

图3为本发明实施例中的硬度与弹性模量随压入深度的变化曲线。

图4为本发明实施例中确定最优小磨头抛光工艺参数的步骤原理。

图5为本发明实施例中铝合金反射镜试件抛光前后表面质量对比图。

具体实施方式

下文将以采用普通数控车削得到毛坯件再采用单点金刚石切削在表1中的工艺参数下进行精加工直接得到作为铝合金反射镜试件，以小磨头CCOS数控研抛平台作为小磨头数控研抛平台实例、以获得表面质量Ra优于1nm的平面铝合金反射镜为目标，对本发明铝合金反射镜高表面质量加工方法进行进一步的详细说明。

表1：超精密车削参数。

关键参数	主轴转速	进给量	切削深度	刀具半径
					参数值	2500rpm	2mm/min	4μm	1.029mm

使用白光干涉仪测量铝合金反射镜试件表面粗糙度，其表面粗糙度约为2.2nm，且可以看到表面具有明显的伴生车削纹路，需要进一步的抛光。

如图1所示，本实施例铝合金反射镜高表面质量加工方法的实施步骤包括：

1)通过小磨头数控研抛平台(小磨头CCOS数控研抛平台)对铝合金反射镜试件相同材料的铝合金镜面在给定工艺参数条件下进行定点小磨头光顺抛光，根据抛光前后表面面形差得到抛光去除效率Vr；

2)测量铝合金反射镜试件的氧化膜厚度H；

3)根据铝合金反射镜试件的氧化膜厚度H、抛光去除效率Vr确定通过小磨头数控研抛平台对铝合金反射镜试件在给定工艺参数条件下进行小磨头光顺抛光作业的最优小磨头抛光工艺参数；

4)根据最优小磨头抛光工艺参数生成小磨头光顺抛光数控代码，通过小磨头数控研抛平台对铝合金反射镜试件在给定工艺参数条件下进行小磨头光顺抛光作业；

5)对铝合金反射镜试件的表面进行清洁，并判断清洁后的表面质量是否达到指标要求，如果达到指标要求则结束并退出；否则，跳转执行步骤2)。

本实施例中，步骤1)中铝合金反射镜试件相同材料的铝合金镜面选取直径50mm、厚度20mm的铝合金反射镜试件相同材料的铝合金镜面使用波面干涉仪测量试验样件的初始面形S_{test_1}。采用如表2所示的工艺参数，在试验样件上定点去除一段时间后，再次使用波面干涉仪测量抛光后的面形S_{test_2}。将前后两组面形S_{test_1}和S_{test_2}做差计算处理后得到的小磨头抛光去除函数如图2所示，抛光去除效率Vr＝2.3938×10⁷(μm₃/min)。

表2:小抛光盘工具光顺工艺参数。

本实施例中，步骤2)的详细步骤包括：利用纳米压痕测试仪对铝合金反射镜试件进行循环加载实验，获得其硬度与弹性模量随压入深度的变化曲线，根据所述硬度与弹性模量随压入深度的变化曲线分析得到氧化膜与其基体之间的临界位置，从而间接得到铝合金反射镜表面的氧化层厚度H。

本实施例中，利用纳米压痕测试仪对铝合金反射镜试件进行循环加载实验获得其硬度与弹性模量随压入深度的变化曲线如图3所示，弹性模量随深度变化没有明显趋势，而从表面硬度曲线中可以分析得到氧化膜与其基体之间的临界位置在100nm深度位置，从而间接得到该铝合金反射镜表面的氧化层厚度H等于100nm左右。

如图4所示，抛光去除过程中氧化膜去除量刚好等于铝合金反射镜表面原有的氧化膜体积时(不考虑去除过程中新生成的氧化膜)，认为其机械效率和化学效率达到平衡状态，此时铝合金反射镜的表面质量可以得到较大提升。因此，根据铝合金反射镜试件的氧化膜厚度H、抛光去除效率Vr，即可计算得到最优的小磨头抛光工艺参数。

本实施例中，步骤3)的详细步骤包括：

3.1)根据铝合金反射镜试件的氧化膜厚度H、铝合金反射镜试件的镜面表面面积A计算得到铝合金反射镜试件的氧化膜体积V，将铝合金反射镜试件的氧化膜体积V除以抛光去除效率Vr得到总的去除时间T；

3.2)选择通过小磨头数控研抛平台对铝合金反射镜试件在给定工艺参数条件下进行小磨头光顺抛光作业的光栅扫描路径，设定光栅扫描路径的每行进给步距res并忽略换行过程，从而确定步进次数N，根据总的去除时间T、步进次数N确定平均每次步进时间t_res、将每行进给步距res除以平均每次步进时间t_res得到进给速度f。

本实施例中，铝合金反射镜试件的镜面表面面积A为：

A＝π(D/2)²＝π(50×10³)²＝25π·10⁸(μm)²

铝合金反射镜表面原有的氧化膜体积V为：

V＝AH＝25π·10⁷(μm)³

得到总的去除时间T为：

T＝V/V_r＝25π÷2.3938≈32.75(min)

选择光栅扫描路径对铝合金反射镜试件表面进行均匀去除，每行进给步距为res＝2mm，忽略换行过程，生成抛光整个表面的数控代码后，步进次数N在1000次左右，则平均每次步进时间t_res为：

t_res＝T/N＝32.75÷1000＝0.03275(min)

则进给速度f为：

f＝res/t_res＝2÷0.03275≈61(mm/min)

从而确定通过小磨头数控研抛平台对铝合金反射镜试件在给定工艺参数条件下进行小磨头光顺抛光作业的最优小磨头抛光工艺参数。

本实施例中，步骤1)中进行定点小磨头光顺抛光以及步骤4)中进行小磨头光顺抛光作业时，所使用的抛光盘由刚性的抛光底盘和固定在抛光底盘上的软质抛光垫组成。根据待加工工件面形合理的选择刚性抛光底盘的大小、形状，并在抛光底盘贴上特制的软质抛光垫，制成铝合金抛光专用抛光盘，保证抛光盘与待加工面的良好贴合，实现对材料的有效去除。本实施例中，此外，步骤1)中进行定点小磨头光顺抛光以及步骤4)中进行小磨头光顺抛光作业时，所使用的抛光浆料使用二氧化硅磨料、表面活性剂、PH调节剂配制成。

根据计算结果以给速度f为61mm/min，生成平面均匀光栅扫描抛光数控代码，导入小磨头CCOS数控研抛平台，选用上述抛光浆料和抛光盘按表2所示抛光参数，对直径100mm的铝合金反射镜试件进行化学机械抛光，抛光前表面粗糙度结果如图5(a)所示，其表面粗糙度约为2.2nm；抛光后表面粗糙度结果如图5(b)所示，其表面粗糙度约为1nm。由结果可知，平面铝合金反射镜表面质量提升效果明显，平均表面粗糙度Ra值由2nm左右减小至1nm左右，表面残余误差被随机化，车削痕迹得到抑制和消除，且在强光照射下已观察不到“彩虹”现象。上述结果表明其表面质量已经满足指标要求，表面面形精度也在指标要求范围之内，至此加工结束。此实例抛光达到预期效果，验证了本抛光工艺的可行性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种铝合金反射镜高表面质量加工方法，其特征在于实施步骤包括：

1)通过小磨头数控研抛平台对铝合金反射镜试件相同材料的铝合金镜面在给定工艺参数条件下进行定点小磨头光顺抛光，根据抛光前后表面面形差得到抛光去除效率Vr；

2)测量铝合金反射镜试件的氧化膜厚度H；

3)根据铝合金反射镜试件的氧化膜厚度H、抛光去除效率Vr确定通过小磨头数控研抛平台对铝合金反射镜试件在给定工艺参数条件下进行小磨头光顺抛光作业的最优小磨头抛光工艺参数；

4)根据最优小磨头抛光工艺参数生成小磨头光顺抛光数控代码，通过小磨头数控研抛平台对铝合金反射镜试件在给定工艺参数条件下进行小磨头光顺抛光作业；

5)对铝合金反射镜试件的表面进行清洁，并判断清洁后的表面质量是否达到指标要求，如果达到指标要求则结束并退出；否则，跳转执行步骤2)。

2.根据权利要求1所述的铝合金反射镜高表面质量加工方法，其特征在于，步骤2)的详细步骤包括：利用纳米压痕测试仪对铝合金反射镜试件进行循环加载实验，获得其硬度与弹性模量随压入深度的变化曲线，根据所述硬度与弹性模量随压入深度的变化曲线分析得到氧化膜与其基体之间的临界位置，从而间接得到铝合金反射镜表面的氧化层厚度H。

3.根据权利要求1所述的铝合金反射镜高表面质量加工方法，其特征在于，步骤3)的详细步骤包括：

3.1)根据铝合金反射镜试件的氧化膜厚度H、铝合金反射镜试件的镜面表面面积A计算得到铝合金反射镜试件的氧化膜体积V，将铝合金反射镜试件的氧化膜体积V除以抛光去除效率Vr得到总的去除时间T；

3.2)选择通过小磨头数控研抛平台对铝合金反射镜试件在给定工艺参数条件下进行小磨头光顺抛光作业的光栅扫描路径，设定光栅扫描路径的每行进给步距res并忽略换行过程，从而确定步进次数N，根据总的去除时间T、步进次数N确定平均每次步进时间t_res、将每行进给步距res除以平均每次步进时间t_res得到进给速度f。

4.根据权利要求1或2或3所述的铝合金反射镜高表面质量加工方法，其特征在于，步骤1)中进行定点小磨头光顺抛光以及步骤4)中进行小磨头光顺抛光作业时，所使用的抛光盘由刚性的抛光底盘和固定在抛光底盘上的软质抛光垫组成。