CN112171387B - 一种离子束和化学机械抛光组合的铝合金反射镜加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种离子束和化学机械抛光组合的铝合金反射镜加工方法，包括：对铝合金反射镜利用单点金刚石车削进行面形误差修正；对铝合金反射镜进行离子束修形；对铝合金反射镜进行迭代化学机械抛光。由于铝合金化学性质活泼，材料偏软，普通加工方法以产生污染和损伤，反复迭代加工降低效率。本发明提出非接触式离子束加工和化学机械抛光组合工艺的方法，可提高铝合金反射镜加工效率和精度。本发明通过对单点金刚石车削后的铝反射镜表面进行低能离子束溅射实现精确的高精度表面面形修形，达到目标面形需求，后通过化学机械抛光方法对离子束修形后铝合金反射镜表面粗糙度实现修正降低，最终获得目标面形与粗糙度的铝合金反射镜。

Description

一种离子束和化学机械抛光组合的铝合金反射镜加工方法
技术领域
本发明属于光学加工领域，具体涉及一种离子束和化学机械抛光组合的铝合金反射镜加工方法。
背景技术
铝合金反射镜由于其质量轻，在广频段内反射率高的特点在空间光学系统上有比较广泛的应用，但是铝合金材料化学活性高，材质偏软给其加工带来了很大的不便。传统抛光方法容易产生镜面污染和表面划痕。常见铝合金反射镜加工方法有单点金刚石车削，磁流变修形等等。单点金刚石车削是一种加工有色金属的常见方法，但是其加工受振动与机床本身的精度限制，加工精度难以突破至可见光紫外波段，并且其加工过程中的周期性刀纹，会造成光的散射，降低成像效果。
采用常规的单点金刚石加工的面形误差RMS值一般为25nm左右，表面粗糙度可以达到2nm。可见光光学系统常常要求镜面面形误差RMS值在15nm左右，粗糙度一般要达到2nm以下。所以采用单点金刚石车削的工艺无法直接加工直接可用的可见光光学元件。因此，需要进一步的抛光手段，如磁流变和化学机械抛光，但是由于是接触式加工，常会在铝合金反射镜表面产生污染和划痕，因此需要迭代加工，降低加工效率。
离子束抛光技术具有非接触，稳定性好，确定性强等特点，能够提高铝合金反射镜加工精度，降低加工过程中的镜面污染。在铝合金反射镜加工领域具有较大的应用前景。但是离子束加工过程中，铝合金反射镜的温度上升，引起铝合金反射镜热膨胀，在高精度修形时降低了面形。并且在加工过程中，金属表面粗糙度将发生明显恶化，严重影响镜面的反射率。
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，提供一种种离子束和化学机械抛光组合的铝合金反射镜加工方法，本发明为了保证离子束加工过程中的精度，在加工时调控参数减小铝合金的热膨胀对于修形精度的影响；为解决粗糙度恶化问题，采用化学机械抛光方法对离子束处理后的表面进行处理以提高表面质量，能够解决现有的金属镜加工过程中加工精度难以满足高质量光学系统、加工过程中存在镜面污染的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种离子束和化学机械抛光组合的铝合金反射镜加工方法，其特征在于该方法包括：
1）对铝合金反射镜利用单点金刚石车削进行面形误差修正；
2）对铝合金反射镜进行离子束修形；
3）对铝合金反射镜进行迭代化学机械抛光。
可选地，步骤1）还包括检测铝合金反射镜的面形误差的步骤，且利用单点金刚石车削进行面形误差修正的结束条件为面形误差的RMS值优于指定阈值。
可选地，步骤1）中的指定阈值为50nm。
可选地，步骤2）的详细步骤包括：
2.1）调整离子束修形工艺参数，设定离子能量、工作距离，根据上述参数获得相应的去除函数，根据测得的面形误差获得离子束加工的驻留时间分布矩阵M；
2.2）根据驻留时间分布矩阵M计算离子束加工去除厚度d，引入去除深度调整因子n 1，去除深度调整因子n 1的取值范围为小于等于1，若离子束加工去除厚度d小于或等于设定值PV1，确定初步的保持驻留时间分布矩阵为保持驻留时间分布矩阵M，否则调整去除深度调整因子n 1的大小使得n 1d小于设定值PV1，确定初步的保持驻留时间分布矩阵为n 1M；
2.3）根据初步的保持驻留时间分布矩阵对铝合金反射镜的加工温度场与热膨胀实现计算，定义热膨胀变形u，引入加工温度调整因子n 2，加工温度调整因子n 2的取值范围小于1，若热膨胀变形u小于或等于设定值PV2，则确定最终的保持驻留时间分布矩阵为初步的保持驻留时间分布矩阵；否则，调整加工温度调整因子n 2的大小使得n 2u小于设定值PV2，并将加工温度调整因子n 2和初步的保持驻留时间分布矩阵后作为最终的保持驻留时间分布矩阵；
2.4）按照最终的保持驻留时间分布矩阵对铝合金反射镜进行离子束迭代加工⌊1/n 2⌋次，其中⌊⌋为下取整函数；
2.5）检测铝合金反射镜的面形误差，若面形误差的RMS值小于设定值，则跳转执行步骤3），否则跳转执行步骤1）。
可选地，设定值PV1为200nm。
可选地，设定值PV2为100μm。
可选地，步骤2.1）中设定离子能量为600～900eV，加工距离处于30～50mm，工作气体为氩气。
可选地，步骤2.2）中根据驻留时间分布矩阵M计算离子束加工去除厚度d具体是指将根据驻留时间分布矩阵M利用正向卷积计算得到离子束加工去除厚度d。
可选地，步骤2.3）根据初步的保持驻留时间分布矩阵对铝合金反射镜的加工温度场与热膨胀实现计算具体是指采用热量沉积模型计算温度梯度和热变形。
可选地，步骤3）对铝合金反射镜进行迭代化学机械抛光的详细步骤包括：对铝合金反射镜进行迭代化学机械抛光，并检测铝合金反射镜的面形误差分布及表面粗糙度，若面形误差分布及表面粗糙度满足要求则停止抛光，若面形误差分布及表面粗糙度不满足要求，则跳转执行步骤2），所述面形误差分布及表面粗糙度满足要求具体是指面形误差的RMS值小于15nm，粗糙度小于2nm。
和现有技术相比，本发明具有下述优点：本发明离子束和化学机械抛光组合的铝合金反射镜加工方法利用离子束修形工艺的非接触，稳定性强的特点。对比接触式抛光加工方法，具有降低污染，减少划痕的优点。本发明方法通过调控加工工艺参数，使得离子束加工方法可以应用于铝合金反射镜加工领域。通过对工艺参数的优化，可以减少加工过程中的铝合金反射镜的变形，提高修形精度。并通过化学机械抛光方法，提高离子束修形后的表面粗糙度。
附图说明
图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例离子束和化学机械抛光组合的铝合金反射镜加工方法包括：
1）对铝合金反射镜利用单点金刚石车削进行面形误差修正；
2）对铝合金反射镜进行离子束修形；
3）对铝合金反射镜进行迭代化学机械抛光。
本实施例中，步骤1）还包括检测铝合金反射镜的面形误差的步骤，且利用单点金刚石车削进行面形误差修正的结束条件为面形误差的RMS值优于指定阈值。
本实施例中，步骤1）中的指定阈值为50nm。
本实施例中，步骤2）的详细步骤包括：
2.1）调整离子束修形工艺参数，设定离子能量、工作距离，根据上述参数获得相应的去除函数，根据测得的面形误差获得离子束加工的驻留时间分布矩阵M；
2.2）根据驻留时间分布矩阵M计算离子束加工去除厚度d，引入去除深度调整因子n 1用以控制最大去除深度，去除深度调整因子n 1的取值范围为小于等于1，若离子束加工去除厚度d小于或等于设定值PV1，确定初步的保持驻留时间分布矩阵为保持驻留时间分布矩阵M，否则调整去除深度调整因子n 1的大小使得n 1d小于设定值PV1，确定初步的保持驻留时间分布矩阵为n 1M；
2.3）根据初步的保持驻留时间分布矩阵对铝合金反射镜的加工温度场与热膨胀实现计算，定义热膨胀变形u，引入加工温度调整因子n 2以控制铝镜离子束加工过程中的热膨胀问题，提高加工面形精度。加工温度调整因子n 2的取值范围小于1，若热膨胀变形u小于或等于设定值PV2，则确定最终的保持驻留时间分布矩阵为初步的保持驻留时间分布矩阵；否则，调整加工温度调整因子n 2的大小使得n 2u小于设定值PV2，并将加工温度调整因子n 2和初步的保持驻留时间分布矩阵后作为最终的保持驻留时间分布矩阵；因子n 1首先对驻留时间矩阵进行初步的改进，经过因子n 2进一步约束和改进驻留时间矩阵以作为最终加工的时间矩阵。
2.4）按照最终的保持驻留时间分布矩阵对铝合金反射镜进行离子束迭代加工⌊1/n 2⌋次，其中⌊⌋为下取整函数；
2.5）检测铝合金反射镜的面形误差，若面形误差的RMS值小于设定值，则跳转执行步骤3），否则跳转执行步骤1）。
本实施例中，设定值PV1为200nm。
本实施例中，设定值PV2为100μm。
本实施例中，步骤2.1）中设定离子能量为600～900eV，加工距离处于30～50mm，工作气体为氩气。
本实施例中，步骤2.2）中根据驻留时间分布矩阵M计算离子束加工去除厚度d具体是指将根据驻留时间分布矩阵M，利用与去除函数的正向卷积计算，得到离子束加工去除量矩阵并确定去除深度d。
本实施例中，步骤2.3）根据初步的保持驻留时间分布矩阵对铝合金反射镜的加工温度场与热膨胀实现计算具体是指采用高斯热量沉积模型，利用有限元方法计算加工过程中的温度梯度与温度场分布，并由获得的温度场计算铝镜的加工热变形。
本实施例中，步骤3）对铝合金反射镜进行迭代化学机械抛光的详细步骤包括：对铝合金反射镜进行迭代化学机械抛光，并检测铝合金反射镜的面形误差分布及表面粗糙度，若面形误差分布及表面粗糙度满足要求则停止抛光，若面形误差分布及表面粗糙度不满足要求，则跳转执行步骤2），面形误差分布及表面粗糙度满足要求具体是指面形误差的RMS值小于15nm，粗糙度小于2nm。通过本实施方法，极大提高了铝镜加工精度，达到可见光领域应用需求。
综上所述，本实施例离子束和化学机械抛光组合的铝合金反射镜加工方法包括：对铝合金反射镜利用单点金刚石车削进行面形误差修正；对铝合金反射镜进行离子束修形；对铝合金反射镜进行迭代化学机械抛光。由于铝合金化学性质活泼，材料偏软，普通加工方法以产生污染和损伤，反复迭代加工降低效率。本发明提出非接触式离子束加工和化学机械抛光组合工艺的方法，可提高铝合金反射镜加工效率和精度。本发明通过对单点金刚石车削后的铝反射镜表面进行低能离子束溅射实现精确的高精度表面面形修形，达到目标面形需求，后通过化学机械抛光方法对离子束修形后铝合金反射镜表面粗糙度实现修正降低，最终获得目标面形与粗糙度的铝合金反射镜。
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 (7)

1.一种离子束和化学机械抛光组合的铝合金反射镜加工方法，其特征在于该方法包括：
1）对铝合金反射镜利用单点金刚石车削进行面形误差修正；
2）对铝合金反射镜进行离子束修形；
3）对铝合金反射镜进行迭代化学机械抛光；
步骤2）的详细步骤包括：
2.1）调整离子束修形工艺参数，设定离子能量、工作距离，根据上述参数获得相应的去除函数，根据测得的面形误差获得离子束加工的驻留时间分布矩阵M；
2.2）根据驻留时间分布矩阵M计算离子束加工去除厚度d，引入去除深度调整因子n 1，去除深度调整因子n 1的取值范围为小于等于1，若离子束加工去除厚度d小于或等于设定值PV1，确定初步的保持驻留时间分布矩阵为保持驻留时间分布矩阵M，否则调整去除深度调整因子n 1的大小使得n 1d小于设定值PV1，确定初步的保持驻留时间分布矩阵为n 1M；所述根据驻留时间分布矩阵M计算离子束加工去除厚度d具体是指将根据驻留时间分布矩阵M利用正向卷积计算得到离子束加工去除厚度d；
2.3）根据初步的保持驻留时间分布矩阵对铝合金反射镜的加工温度场与热膨胀实现计算，定义热膨胀变形u，引入加工温度调整因子n 2，加工温度调整因子n 2的取值范围小于1，若热膨胀变形u小于或等于设定值PV2，则确定最终的保持驻留时间分布矩阵为初步的保持驻留时间分布矩阵；否则，调整加工温度调整因子n 2的大小使得n 2u小于设定值PV2，并将加工温度调整因子n 2和初步的保持驻留时间分布矩阵后作为最终的保持驻留时间分布矩阵；所述根据初步的保持驻留时间分布矩阵对铝合金反射镜的加工温度场与热膨胀实现计算具体是指采用热量沉积模型计算温度梯度和热变形；
2.4）按照最终的保持驻留时间分布矩阵对铝合金反射镜进行离子束迭代加工⌊1/n 2⌋次，其中⌊⌋为下取整函数；
2.5）检测铝合金反射镜的面形误差，若面形误差的RMS值小于设定值，则跳转执行步骤3），否则跳转执行步骤1）。
2.根据权利要求1所述的离子束和化学机械抛光组合的铝合金反射镜加工方法，其特征在于，步骤1）还包括检测铝合金反射镜的面形误差的步骤，且利用单点金刚石车削进行面形误差修正的结束条件为面形误差的RMS值优于指定阈值。
3.根据权利要求2所述的离子束和化学机械抛光组合的铝合金反射镜加工方法，其特征在于，步骤1）中的指定阈值为50nm。
4.根据权利要求1所述的离子束和化学机械抛光组合的铝合金反射镜加工方法，其特征在于，设定值PV1为200nm。
5.根据权利要求1所述的离子束和化学机械抛光组合的铝合金反射镜加工方法，其特征在于，设定值PV2为100μm。
6.根据权利要求1所述的离子束和化学机械抛光组合的铝合金反射镜加工方法，其特征在于，步骤2.1）中设定离子能量为600～900eV，加工距离处于30～50mm，工作气体为氩气。
7.根据权利要求1所述的离子束和化学机械抛光组合的铝合金反射镜加工方法，其特征在于，步骤3）对铝合金反射镜进行迭代化学机械抛光的详细步骤包括：对铝合金反射镜进行迭代化学机械抛光，并检测铝合金反射镜的面形误差分布及表面粗糙度，若面形误差分布及表面粗糙度满足要求则停止抛光，若面形误差分布及表面粗糙度不满足要求，则跳转执行步骤2），所述面形误差分布及表面粗糙度满足要求具体是指面形误差的RMS值小于15nm，粗糙度小于2nm。
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