CN111844831B - 一种轻质基材薄壁反射镜的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种轻质基材薄壁反射镜的制作方法，包括以下步骤：S1：采用近净成形方法制备反射镜轻质基底，制备反射镜轻质基底材料采用热塑性工程塑料，近净成形的方法采用近净尺寸精密注塑成形方法或激光近净成形方法；S2：在五轴数控机床上，采用单点金刚石超精密车削方法或超细粒度砂轮超精密磨削方法在轻质基底表面进行超精密成形加工；S3：对反射镜轻质基底表面进行金属化，对反射镜轻质基底表面依次进行等离子体刻蚀、化学刻蚀和真空蒸镀；S4：对完成表面金属化的反射镜轻质基底进行抛光得到反射镜，表面Ra小于1nm。本发明解决了现有制造方法存在的制造工艺复杂、加工精度难以保证、镜体质量大等问题。

Description

一种轻质基材薄壁反射镜的制作方法
技术领域
本发明涉及反射镜制造技术领域，具体而言，尤其涉及一种轻质基材薄壁反射镜的制作方法。
背景技术
X射线通信和X射线脉冲星导航是未来航天器深空通信和高精度自主导航的新一代技术。X射线通信和X射线脉冲星导航技术可为我国深空探测和空间技术实验的发展提供有力支撑。
X射线聚焦反射镜是X射线通信系统和X射线脉冲星导航系统中重要的部件。其作用在于将X射线精确聚焦在接收解调装置上进行数据处理。为收集更高强度的X射线，多采用多层嵌套的方式增大X射线的反射面积。而反射镜的曲面设计通常基于同轴共焦二次曲面的掠入射反射镜，即Wolter I型结构，如图1所示多层嵌套X射线聚焦反射镜示意图。其分别利用抛物面与双曲面(或椭圆面)的内外反射面的不同组合来实现对X射线的聚焦成像。此结构也是目前实现X射线聚焦的最有效手段之一。这种聚焦反射镜具有大口径的薄壁筒状结构和反射面精度高的特点，反射面的表面粗糙度接近原子尺度，对制造精度和质量的要求苛刻，制造难度大。
目前轻质基材薄壁反射镜的制作方法主要有电铸镍复制工艺和热弯玻璃成形工艺。
所谓电铸镍复制工艺，首先在超精密车削的铝芯模上电镀一层薄镍并抛光，然后在抛光表面镀金膜，而后电镀厚度为0.5～1mm的镍层。最后采用急冷分离的方法与芯模分离形成薄镍壳反射镜。如图3所示，该工艺方法能复制阴极芯模的表面微观形貌、微细结构和尺寸精度，并且电铸过程中芯模不会有任何损耗，理论上可无限次使用。因此芯模的表面质量在制造工艺中是极其重要的，需要对芯模表面进行超精密抛光和修型。同时镍金属密度大，相同质量下镜片的嵌套层数受限，从而影响反射镜集光效率。由于电沉积极限电流密度的存在使得电铸速度不能过高，这大大限制了加工效率。
所谓热弯玻璃成形工艺是利用玻璃的粘滞性随温度变化而改变的特性，将超薄平面玻璃镜片放置于成型柱状模具之上，成型柱状模具的表面经精密加工，其面型为WolterI型反射镜设计面型。经加热达到玻璃的软化点后，超薄玻璃在重力的作用下弯曲为柱面，复制了成型柱状模具的面型。最后通过真空蒸镀等工艺在镜片反射面制备金属铱膜，提高镜片对X射线的反射率，工艺过程如图2所示，图中1表示平面镜片，2表示成型模具。该工艺方法多采用超薄微晶玻璃，易实现轻量化，但对温控曲线、模具表面质量以及空气洁净度等因素极为敏感，成品率低，加工效率低。
综上所述，X射线聚焦反射镜制造中存在的以下问题是制约现有反射镜加工技术的主要难题：
1、现用反射镜的基底材料密度较大，如镍金属(8.9g/cm3)、微晶玻璃(2.5g/cm3)等，相同质量下镜片的嵌套层数受限，影响反射镜的集光效率。
2、现用制造工艺均采用对成型模具面型复制的方法，反射镜的精度与成型模具的表面质量具有极大相关性。成型模具表面的低频面型误差，高频表面粗糙度误差以及中频波纹度误差对反射镜的聚焦性能有直接关系。
3、电铸镍复制工艺过程复杂，废弃电镀液会污染环境，不符合绿色发展的理念。由于电沉积极限电流密度的存在使得电铸速度不能过高，生产效率低，产品周期长。
4、热弯玻璃成型工艺对温度控制和空气环境要求苛刻，成品率低，加工效率低，不利于大规模生产。
因此一种高效率，轻量化、低成本地X射线聚焦反射镜加工技术亟需解决。
发明内容
根据上述提出现有制造方法存在的制造工艺复杂、加工精度难以保证、镜体质量大等技术问题，而提供一种轻质基材薄壁反射镜的制作方法。本发明提出依次通过“轻质反射镜基底近净成形→基底表面超精密成形加工→基底表面金属化→基底表面抛光”的轻质基材薄壁反射镜整体精密制造新方法；多层嵌套式X射线反射镜是由多层超薄大曲率复杂曲面的反射镜精密装配而成，每层反射镜的加工要求一致，本发明针对单层反射镜制造提出一种新方法。
本发明采用的技术手段如下：
一种轻质基材薄壁反射镜的制作方法，包括以下步骤：
S1：采用近净成形方法制备反射镜轻质基底，制备反射镜轻质基底材料采用热塑性工程塑料，近净成形的方法采用近净尺寸精密注塑成形方法或激光近净成形方法；
S2：根据反射镜的自由曲面面型，在五轴数控机床上，采用单点金刚石超精密车削方法或超细粒度砂轮超精密磨削方法在轻质基底表面进行超精密成形加工；
S3：对反射镜轻质基底表面进行金属化，步骤S3具体包括以下步骤：
S3-1：采用氩气和氧气混合等离子体对反射镜轻质基底表面进行等离子体刻蚀；
S3-2：采用CrO3-H2SO4溶液对反射镜轻质基底进行化学刻蚀；
S3-3：采用真空蒸镀法对反射镜轻质基底进行表面金属层镀覆；
S3-4：真空蒸镀之前采用丙酮对反射镜轻质基底进行去油去污处理，并进行干燥；
S3-5：将干燥后的反射镜轻质基底放入真空蒸镀设备的腔体内，抽真空至0.5×10-4Pa以上；对金属靶材进行加热，使金属靶材在反射镜轻质基底表面形成金属镀层薄膜；停止加热，冷却腔体至室温，充入惰性气体恢复至大气压，将完成表面金属化后的成品取出；
S4：采用磁流变抛光方法或离子束抛光方法对完成表面金属化的反射镜轻质基底进行抛光得到反射镜，使反射镜轻质基底的表面Ra小于1nm。
进一步地，步骤S1采用近净尺寸精密注塑成形方法：
S1-1：将热塑性工程塑料颗粒置于烘箱中，在150℃-160℃下干燥3-4小时，使热塑性工程塑料颗粒含水量降至0.1％以下；
S1-2：根据反射镜形状及尺寸制备反射镜热流道精密模具，制备模具的材料采用Cr12MoV、5CrMnMo或5CrNiMo；
S1-3：对反射镜热流道精密模具进行预热并合模，保持模具温度在180℃-280℃；
S1-4：将干燥的热塑性工程塑料颗粒倒入单螺杆往复式注塑机的料筒中，对料筒进行加热，保持注塑温度在360℃-400℃，注塑机喷嘴温度在380℃-420℃；通过电机带动螺杆将熔融热塑性工程塑料通过喷嘴注射到模具腔体内，注塑压力保持在10MPa-12MPa，注塑时间为5s-6s，然后进行保压，保持压力在50MPa-80MPa，保压时间为5s-10s；
S1-5：对模具腔体进行冷却，使热塑性工程塑料凝固，冷却时间为5min-8min；
S1-6：由脱模机构将制品顶出，完成脱模，采用近净尺寸精密注塑成形方法制得的反射镜壁厚度为0.8mm-1mm。
进一步地，步骤S1采用激光近净成形方法：
S1-1：根据预设的反射镜形状及尺寸对反射镜轻质基底进行计算机三维建模，对三维数字模型进行切片离散化处理，得到各层切片的轮廓信息；
S1-2：将轮廓信息逐层输入到选择性激光烧结成型系统中；选用粒径为20μm-50μm的热塑性工程塑料粉末进行逐层烧结，进行每一层烧结前由铺粉辊在工作台上均匀铺满一层热塑性工程塑料粉末，并用刮板刮平，粉末厚度在150μm-200μm；烧结时通过高能激光束按照该层的轮廓信息进行选择性烧结，整个烧结过程在惰性气氛下进行，烧结区温度为380℃-420℃；上一层烧结完毕后，工作台下降一个层厚，由铺粉辊铺设下一层热塑性工程塑料粉末，高能激光束按照下一层轮廓信息进行选择性烧结，直至完成整个反射镜轻质基底的烧结成型；采用激光近净成形方法制得的反射镜轻质基底壁厚度为0.8mm-1mm。
进一步地，步骤S2采用单点金刚石超精密车削方法：
采用单晶金刚石刀具加工反射镜的自由曲面；采用的单晶金刚石刀具半径为0.1～0.01μm，刀尖与工件表面单点接触，每次进给的切深深度为0.5μm～0.1μm；加工后的反射镜轮廓面型误差PV<0.8μm，圆度误差<0.3μm，表面粗糙度Ra<20nm。
进一步地，步骤S2采用超细粒度砂轮超精密磨削方法：
采用超细粒度砂轮加工反射镜的自由曲面；采用的超细粒度砂轮结合剂为陶瓷结合剂，粒度分布W0.5～W0.25，磨粒种类为金刚石；砂轮结构为小磨头砂轮，砂轮直径
Figure BDA0002571826300000051
为50～80mm；砂轮经气动夹具装夹在机床主轴上，砂轮转速6000～9000r/min，每次进给的磨削深度0.5～0.1μm；加工后的反射镜轮廓面型误差PV<0.8μm，圆度误差<0.3μm，表面粗糙度Ra<20nm。
进一步地，步骤S3-1包括：将经过步骤S2处理后的反射镜轻质基底放入等离子体发生器的反应室中，抽真空至0.5×10-4Pa以上，利用射频源将氩气和氧气的混合气体电离成为等离子体，控制等离子气体流量为150ml/min-250ml/min，轰击反射镜轻质基底表面进行刻蚀；
步骤S3-2中，将反射镜轻质基底放入65℃-70℃的CrO3-H2SO4溶液中腐蚀5min-6min；
步骤S3-4中，反射镜轻质基底进行去油去污处理后在50℃-70℃下干燥2小时以上；
步骤S3-5中，金属靶材的加热温度保持在2500℃以上。
进一步地，步骤S4采用磁流变抛光方法：
采用的磁性球面抛光轮的结构为直径50～80mm的球面，磁性球面抛光轮的磁场强度由内部的电磁铁控制，运动轨迹通过五轴数控系统控制，抛光轮转速为300～500r/min；
采用的磁流变抛光液的各成分体积百分比：0.5～0.8％的表面活性剂、0.5％～1.5％的分散剂，5～10％的氧化铈或氧化铝或碳化硅或金刚石微粉、30～40％的羰基铁粉，其余为去离子水；
加工后的反射镜轻质基底的表面粗糙度Ra<1nm。
进一步地，步骤S4采用离子束抛光方法：
首先需将反射镜置于等离子体发生器的反应室中，抽真空至0.5×10-4Pa以上；其次，在放电室内，利用射频源将气体电离成为等离子体，所述气体为氩气、氮气和氧气中的一种或几种混合，控制射频功率在160～200W、气体流量在8～12sccm，保持反应室等离子体浓度恒定，控制离子能量电压在1.2～1.6KeV；加工后的反射镜轻质基底的表面粗糙度Ra<1nm。
进一步地，步骤S3-5采用的金属靶材包括金、铂、铱、铬等一层或多层组合；形成的金属镀层薄膜厚度为300nm-500nm。
进一步地，制备反射镜轻质基底材料采用聚醚醚酮、聚苯硫醚或聚苯醚。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、轻量化制造，基底密度小：本发明采用的轻质基底材料，如PEEK(聚醚醚酮)等密度小，强度高、加工性能优良的工程塑料，可大大减轻反射镜基底的重量，符合航天轻量化设计理念。
2、单层壁厚小，嵌套层数多：本发明制造的单层反射镜壁厚可小于1mm，在有限空间中可以嵌套更多的层数，提高反射镜的集光效率。
3、可近净成形，加工余量小：本发明采用精密注塑成形和激光近净成形的制造方法，将反射镜一次性制造成形，保证了尺寸稳定性，成形后仅需少量加工，大大提高材料利用率，降低成本。
4、工艺简单、制造成本低：本发明制作方法无须复杂的电铸工艺，精密注塑过程简单，生产效率高，产品周期短。
5、加工精度高，加工质量好：本发明采用的基底表面超精密成形加工方法和基底表面抛光技术，加工精度易于保证，加工质量好，经试验验证，加工后的反射镜基底表面粗糙度Ra小于1nm，面型精度小于1μm。
基于上述理由本发明可在反射镜制造等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为背景技术所述多层嵌套X射线反射镜示意图。
图2为背景技术中热弯玻璃成型工艺的示意图。
图3为背景技术中电铸镍复制工艺的示意图。
图4为本发明所述轻质基材薄壁反射镜的制作方法流程图。
图5为本发明所述轻质基材薄壁反射镜的制作过程中反射镜的三维立体效果图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图4所示，本发明提供了一种轻质基材薄壁反射镜的制作方法，包括以下步骤：
S1：采用近净成形方法制备反射镜轻质基底，制备反射镜轻质基底材料采用热塑性工程塑料，近净成形的方法采用近净尺寸精密注塑成形方法或激光近净成形方法；
S2：根据需要设计反射镜的自由曲面面型，在五轴数控机床上，采用单点金刚石超精密车削方法或超细粒度砂轮超精密磨削方法在轻质基底表面进行超精密成形加工；
S3：对反射镜轻质基底表面进行金属化，本发明采用等离子体刻蚀和化学刻蚀方法对反射镜轻质基底表面进行刻蚀，能够增加反射镜轻质基底表面的粗糙度和亲水性，改变PEEK表面的化学组成，增加表面极性基团，有利于提高金属层与基底间的结合力；
步骤S3具体包括以下步骤：
S3-1：采用氩气和氧气混合等离子体对反射镜轻质基底表面进行等离子体刻蚀；
S3-2：采用CrO3-H2SO4溶液对反射镜轻质基底进行化学刻蚀；
S3-3：采用真空蒸镀法对反射镜轻质基底进行表面金属层镀覆；
S3-4：真空蒸镀之前采用丙酮对反射镜轻质基底进行去油去污处理，并进行干燥；
S3-5：将干燥后的反射镜轻质基底放入真空蒸镀设备的腔体内，抽真空至0.5×10-4Pa以上；对金属靶材进行加热，使金属靶材在反射镜轻质基底表面形成金属镀层薄膜；停止加热，冷却腔体至室温，充入惰性气体恢复至大气压，将完成表面金属化后的成品取出；
S4：采用磁流变抛光方法或离子束抛光方法对完成表面金属化的反射镜轻质基底进行抛光得到反射镜，使反射镜轻质基底的表面Ra小于1nm。
进一步地，步骤S3-1包括：将经过步骤S2处理后的反射镜轻质基底放入等离子体发生器的反应室中，抽真空至0.5×10-4Pa以上，利用射频源将氩气和氧气的混合气体电离成为等离子体，控制等离子气体流量为150ml/min-250ml/min，轰击反射镜轻质基底表面进行刻蚀；
步骤S3-2中，将反射镜轻质基底放入65℃-70℃的CrO3-H2SO4溶液中腐蚀5min-6min；
步骤S3-4中，反射镜轻质基底进行去油去污处理后在50℃-70℃下干燥2小时以上；
步骤S3-5中，金属靶材的加热温度保持在2500℃以上。
进一步地，步骤S3-5采用的金属靶材包括金、铂、铱、铬等一层或多层组合；形成的金属镀层薄膜厚度为300nm-500nm。
进一步地，制备反射镜轻质基底材料采用聚醚醚酮、聚苯硫醚或聚苯醚。
优选地，制备反射镜轻质基底材料采用聚醚醚酮。
本发明采用轻质基底材料包括聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚苯醚(PPO)等热塑性工程塑料，其具有低密度，良好的耐高低温性能、耐腐蚀性能、耐疲劳性能、耐辐射性能等优点，并且机械性能优异，可加工性能好，可大大减轻反射镜基底的重量，如表1所示，有利于实现更多层数的嵌套，提高反射镜的集光效率。
表1材料参数对比
材料 聚醚醚酮PEEK 金属镍 微晶玻璃
密度 1.29g/cm<sup>3</sup> 8.9g/cm<sup>3</sup> 2.5g/cm<sup>3</sup>
工作温度 -65℃～260℃ -55℃～200℃ \
拉伸强度 132～148MPa 650-750MPa 49～120MPa
抗弯强度 170MPa \ \
耐腐蚀性 不溶于强酸强碱 强 强
可加工性 好 较好 差
采用本发明所述方法制作的反射镜轻质基底，单层壁厚小，制造的单层反射镜壁厚可小于1mm，如表2所示，在有限空间中可以嵌套更多的层数，提高反射镜的集光效率。
表2制造的反射镜壁厚和嵌套层数关系
材料 密度 反射镜壁厚 嵌套层数
聚醚醚酮PEEK 1.29g/cm<sup>3</sup> 小于1mm ＞20层
聚苯硫醚PPS 1.34g/cm<sup>3</sup> 小于1mm ＞20层
聚苯醚PPO 1.08g/cm<sup>3</sup> 小于1mm ＞20层
金属镍 8.9g/cm<sup>3</sup> 1～2mm 8～10层
微晶玻璃 2.5g/cm<sup>3</sup> 4～5mm 5～6层
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例中，步骤S1采用近净尺寸精密注塑成形方法：
S1-1：将热塑性工程塑料颗粒置于烘箱中，在150℃-160℃下干燥3-4小时，使热塑性工程塑料颗粒含水量降至0.1％以下；
S1-2：根据预设的反射镜形状及尺寸制备反射镜热流道精密模具，制备模具的材料采用Cr12MoV、5CrMnMo或5CrNiMo；
进一步地，S1-2还包括，对制得的模具表面进行抛光和渗氮处理；同时不同口径的反射镜对应设计出不同型号的精密模具，制得的模具可重复使用；
S1-3：对反射镜热流道精密模具进行预热并合模，保持模具温度在180℃-280℃；
S1-4：将干燥的热塑性工程塑料颗粒倒入单螺杆往复式注塑机的料筒中，对料筒进行加热，保持注塑温度在360℃-400℃，注塑机喷嘴温度在380℃-420℃；通过电机带动螺杆将熔融热塑性工程塑料通过喷嘴注射到模具腔体内，注塑压力保持在10MPa-12MPa，注塑时间为5s-6s，然后进行保压，保持压力在50MPa-80MPa，保压时间为5s-10s；
S1-5：对模具腔体进行冷却，使热塑性工程塑料凝固，冷却时间为5min-8min；
S1-6：由脱模机构将制品顶出，完成脱模，采用近净尺寸精密注塑成形方法制得的反射镜壁厚度为0.8mm-1mm。
进一步地，步骤S2采用单点金刚石超精密车削方法：
采用单晶金刚石刀具加工反射镜的自由曲面；采用的单晶金刚石刀具半径为0.1～0.01μm，刀尖与工件表面单点接触，每次进给的切深深度为0.5μm～0.1μm；加工后的反射镜轮廓面型误差PV<0.8μm，圆度误差<0.3μm，表面粗糙度Ra<20nm。
进一步地，步骤S4采用磁流变抛光方法：
采用磁性球面抛光轮和磁流变抛光液对完成表面金属化的反射镜轻质基底进行抛光；在梯度磁场的作用下，磁性球面抛光轮被磁流变抛光液充分附着包裹，形成柔性抛光膜，随着抛光轮的转动和磁流变抛光液的流动，柔性抛光膜与基底表面不断接触，实现超光滑表面的抛光，加工后的反射镜轻质基底的表面粗糙度Ra<1nm；
采用的磁性球面抛光轮的结构为直径50～80mm的球面，磁场强度由内部的电磁铁控制，抛光轮的运动轨迹由五轴数控系统控制，可实现对反射镜轻质基底的整个自由曲面的抛光加工，抛光轮转速为300～500r/min；
采用的磁流变抛光液的各成分体积百分比：0.5～0.8％的表面活性剂、0.5％～1.5％的分散剂，5～10％的氧化铈或氧化铝或碳化硅或金刚石微粉、30～40％的羰基铁粉，其余为去离子水；磁流变抛光液由蠕动泵带动实现循环流动。
实施例3
在实施例1的基础上，在本实施例中，步骤S1采用激光近净成形方法：
S1-1：根据预设的反射镜形状及尺寸，采用SolidWorks，PROE、UG等软件对反射镜轻质基底进行计算机三维建模，对三维数字模型进行切片离散化处理，得到各层切片的轮廓信息；
S1-2：将轮廓信息逐层输入到选择性激光烧结成型系统中；选用粒径为20μm-50μm的热塑性工程塑料粉末进行逐层烧结，进行每一层烧结前由铺粉辊在工作台上均匀铺满一层热塑性工程塑料粉末，并用刮板刮平，粉末厚度在150μm-200μm；烧结时通过高能激光束按照该层的轮廓信息进行选择性烧结，整个烧结过程在惰性气氛下进行，烧结区温度为380℃-420℃；上一层烧结完毕后，工作台下降一个层厚，由铺粉辊铺设下一层热塑性工程塑料粉末，高能激光束按照下一层轮廓信息进行选择性烧结，直至完成整个反射镜轻质基底的烧结成型；采用激光近净成形方法制得的反射镜轻质基底壁厚度为0.8mm-1mm。
进一步地，步骤S2采用超细粒度砂轮超精密磨削方法：
采用超细粒度砂轮加工反射镜的自由曲面；采用的超细粒度砂轮结合剂为陶瓷结合剂，粒度分布W0.5～W0.25，磨粒种类为金刚石；砂轮结构为小磨头砂轮，砂轮直径
Figure BDA0002571826300000121
为50～80mm；砂轮经气动夹具装夹在机床主轴上，砂轮转速6000～9000r/min，每次进给的磨削深度0.5～0.1μm；加工后的反射镜轮廓面型误差PV<0.8μm，圆度误差<0.3μm，表面粗糙度Ra<20nm。
进一步地，步骤S4采用离子束抛光方法：
采用离子束轰击的方式对完成表面金属化的反射镜轻质基底进行抛光，使反射镜轻质基底的表面达到超光滑表面的加工效果；
首先需将反射镜置于等离子体发生器的反应室中，抽真空至0.5×10-4Pa以上；其次，在放电室内，利用射频源将气体电离成为等离子体，所述气体为氩气、氮气和氧气中的一种或几种混合，控制射频功率在160～200W、气体流量在8～12sccm，保持反应室等离子体浓度恒定，控制离子能量电压在1.2～1.6KeV；
采用形貌在线测量系统可以实时反馈加工表面形貌特征，对高点区域进行识别，并控制高能离子束的轰击位置和驻留时间，从而实现对基底金属化表面特定高点区域的精确去除，达到超光滑表面的抛光；加工后的反射镜轻质基底的表面粗糙度Ra<1nm。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述个实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明个实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种轻质基材薄壁反射镜的制作方法，其特征在于，制备得到的轻质基材薄壁反射镜用于装配制作多层嵌套式X射线反射镜，包括以下步骤：
S1：采用近净成形方法制备反射镜轻质基底，制备反射镜轻质基底材料采用热塑性工程塑料，近净成形的方法采用近净尺寸精密注塑成形方法或激光近净成形方法；
步骤S1采用近净尺寸精密注塑成形方法时：
S1-1：将热塑性工程塑料颗粒置于烘箱中，在150℃-160℃下干燥3-4小时，使热塑性工程塑料颗粒含水量降至0.1%以下；
S1-2：根据反射镜形状及尺寸制备反射镜热流道精密模具，制备模具的材料采用Cr12MoV、5CrMnMo或5CrNiMo；
S1-3：对反射镜热流道精密模具进行预热并合模，保持模具温度在180℃-280℃；
S1-4：将干燥的热塑性工程塑料颗粒倒入单螺杆往复式注塑机的料筒中，对料筒进行加热，保持注塑温度在360℃-400℃，注塑机喷嘴温度在380℃-420℃；通过电机带动螺杆将熔融热塑性工程塑料通过喷嘴注射到模具腔体内，注塑压力保持在10MPa-12MPa，注塑时间为5s-6s，然后进行保压，保持压力在50MPa-80MPa，保压时间为5s-10s；
S1-5：对模具腔体进行冷却，使热塑性工程塑料凝固，冷却时间为5min-8min；
S1-6：由脱模机构将制品顶出，完成脱模，采用近净尺寸精密注塑成形方法制得的反射镜壁厚度为0.8mm-1mm；
步骤S1采用激光近净成形方法时：
S1-1：根据预设的反射镜形状及尺寸对反射镜轻质基底进行计算机三维建模，对三维数字模型进行切片离散化处理，得到各层切片的轮廓信息；
S1-2：将轮廓信息逐层输入到选择性激光烧结成型系统中；选用粒径为20μm-50μm的热塑性工程塑料粉末进行逐层烧结，进行每一层烧结前由铺粉辊在工作台上均匀铺满一层热塑性工程塑料粉末，并用刮板刮平，粉末厚度在150μm-200μm；烧结时通过高能激光束按照该层的轮廓信息进行选择性烧结，整个烧结过程在惰性气氛下进行，烧结区温度为380℃-420℃；上一层烧结完毕后，工作台下降一个层厚，由铺粉辊铺设下一层热塑性工程塑料粉末，高能激光束按照下一层轮廓信息进行选择性烧结，直至完成整个反射镜轻质基底的烧结成型；采用激光近净成形方法制得的反射镜轻质基底壁厚度为0.8mm-1mm；
S2：根据反射镜的自由曲面面型，在五轴数控机床上，采用单点金刚石超精密车削方法或超细粒度砂轮超精密磨削方法在轻质基底表面进行超精密成形加工；
步骤S2采用单点金刚石超精密车削方法时：
采用单晶金刚石刀具加工反射镜的自由曲面；采用的单晶金刚石刀具半径为0.1~0.01μm，刀尖与工件表面单点接触，每次进给的切深深度为0.5μm ~0.1μm；加工后的反射镜轮廓面型误差PV<0.8μm，圆度误差<0.3μm，表面粗糙度Ra<20nm；
步骤S2采用超细粒度砂轮超精密磨削方法时：
采用超细粒度砂轮加工反射镜的自由曲面；采用的超细粒度砂轮结合剂为陶瓷结合剂，粒度分布W0.5~W0.25，磨粒种类为金刚石；砂轮结构为小磨头砂轮，砂轮直径φ为50~80mm；砂轮经气动夹具装夹在机床主轴上，砂轮转速6000~9000r/min，每次进给的磨削深度0.5~0.1μm；加工后的反射镜轮廓面型误差PV<0.8μm，圆度误差<0.3μm，表面粗糙度Ra<20nm；
S3：对反射镜轻质基底表面进行金属化，步骤S3具体包括以下步骤：
S3-1：采用氩气和氧气混合等离子体对反射镜轻质基底表面进行等离子体刻蚀；将经过步骤S2处理后的反射镜轻质基底放入等离子体发生器的反应室中，抽真空至0.5×10-4Pa以下，利用射频源将氩气和氧气的混合气体电离成为等离子体，控制等离子气体流量为150ml/min-250ml/min，轰击反射镜轻质基底表面进行刻蚀；
S3-2：采用CrO3-H2SO4溶液对反射镜轻质基底进行化学刻蚀；将反射镜轻质基底放入65℃-70℃的CrO3-H2SO4溶液中腐蚀5 min -6min；
S3-3：采用真空蒸镀法对反射镜轻质基底进行表面金属层镀覆；
S3-4：真空蒸镀之前采用丙酮对反射镜轻质基底进行去油去污处理，并进行干燥；反射镜轻质基底进行去油去污处理后在50℃-70℃下干燥2小时以上；
S3-5：将干燥后的反射镜轻质基底放入真空蒸镀设备的腔体内，抽真空至0.5×10-4Pa以下；对金属靶材进行加热，金属靶材的加热温度保持在2500℃以上；使金属靶材在反射镜轻质基底表面形成金属镀层薄膜；停止加热，冷却腔体至室温，充入惰性气体恢复至大气压，将完成表面金属化后的成品取出；
S4：采用磁流变抛光方法或离子束抛光方法对完成表面金属化的反射镜轻质基底进行抛光得到反射镜，使反射镜轻质基底的表面Ra小于1nm；
步骤S4采用磁流变抛光方法：
采用的磁性球面抛光轮的结构为直径50~80mm的球面，磁性球面抛光轮的磁场强度由内部的电磁铁控制，运动轨迹通过五轴数控系统控制，抛光轮转速为300~500r/min；
采用的磁流变抛光液的各成分体积百分比：0.5~0.8%的表面活性剂、0.5%~1.5%的分散剂，5~10%的氧化铈或氧化铝或碳化硅或金刚石微粉、30~40%的羰基铁粉，其余为去离子水；
加工后的反射镜轻质基底的表面粗糙度Ra<1nm；
步骤S4采用离子束抛光方法时：
首先需将反射镜置于等离子体发生器的反应室中，抽真空至0.5×10-4Pa以下；其次，在放电室内，利用射频源将气体电离成为等离子体，所述气体为氩气、氮气和氧气中的一种或几种混合，控制射频功率在160~200W、气体流量在8~12sccm，保持反应室等离子体浓度恒定，控制离子能量电压在1.2~1.6KeV；加工后的反射镜轻质基底的表面粗糙度Ra<1nm；采用形貌在线测量系统可以实时反馈加工表面形貌特征，对高点区域进行识别，并控制高能离子束的轰击位置和驻留时间，实现对表面特定高点区域的精确去除。
2.根据权利要求1所述的轻质基材薄壁反射镜的制作方法，其特征在于，步骤S3-5采用的金属靶材包括金、铂、铱、铬等一层或多层组合；形成的金属镀层薄膜厚度为300nm-500nm。
3.根据权利要求1所述的轻质基材薄壁反射镜的制作方法，其特征在于，制备反射镜轻质基底材料采用聚醚醚酮、聚苯硫醚或聚苯醚。
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