CN117625943A - 一种基于激光表面处理的铝反射镜制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于激光表面处理的铝反射镜制造方法，包括对粘贴有保护层的铝反射镜坯料的表面进行激光冲击处理，通过激光诱导保护层发生等离子爆炸向铝反射镜坯料的表面产生的峰值压力达GPa级的冲击波，使得铝反射镜坯料发生塑性变形，引入包括亚晶界、位错胞、位错墙中的部分或全部在内的亚结构以碎化铝反射镜坯料中的粗大纤维晶粒结构，从而实现对铝反射镜坯料的表面实现细晶改性处理，本发明旨在解决制备大口径、复杂曲面铝反射镜的加工困难以及加工成本高的问题，实现铝反射镜的表面质量提升。
Description
技术领域
本发明涉及铝反射镜制造领域，具体涉及一种基于激光表面处理的铝反射镜制造方法。
背景技术
反射镜是制导武器、预警战机、卫星、空间望远镜等空天装备光学系统重要元件，用于实现引导和聚焦光功能，其镜面质量直接影响装备对目标识别能力以及观测精度。铝合金具有轻质化、可加工性好、宽光谱反射率高等优异性能，成为反射镜优选材料，同时，铝反射镜可与其支撑结构采用同质材料，在大温变服役环境下，均匀的热变形可避免焦点偏移，保证了光学系统成像稳定性。
晶粒组织是影响铝反射镜镜面质量的重要因素之一。铝合金材料在制备过程中，由于凝固与流变不均匀性，极易形成尺寸粗大、非均匀分布的再结晶晶粒组织，晶体取向在粗大晶界两侧存在差异，超精密加工过程中，材料在粗晶界发生堆叠与非均匀回复，最终导致镜面粗糙度提升，光学性能下降，目前，常规工艺生产的铝反射镜表面粗糙度较高，多用于远红外波段成像，无法应用于近红外波段与可见光波段成像，因此，如何调控铝合金材料晶粒组态，实现材料在超精密加工过程中均匀去除，从而提升铝反射镜表面加工精度，一直是国内外学者研究的热点。
现有的调控金属反射镜坯料晶粒组织方法主要有：（1）公开号为CN 113512690 A的中国专利申请文献公开了一种均质细晶Al-Mg-Si合金镜面材料的制备方法，其记载了在高温条件下进行七墩六拔锻造变形，经过高温固溶后，在深冷条件下多向循环变形，最后进行热处理，该方法通过塑性变形积累高密度位错，诱导合金在热处理过程中形成均匀细小的晶粒组织。但该方法需要在深冷条件下进行塑性变形，对装备成形力要求较高，难以用于制造大口径铝反射镜，且该方法液氮消耗量较大，制备成本高昂。（2）公开号为CN114619207 A的中国专利申请文献公开了一种基于等径角挤压处理的高精度金属镜面加工方法，其记载了在深冷条件下对坯料进行等径角挤压6-8次，在室温条件下放置30天后，分别使用聚晶金刚石刀具与单晶金刚石刀具对工件进行加工，采用该方法可明显细化金属材料晶粒尺寸，加工后表面粗糙度由15.097nm降低至10.541nm。但该方法对模具要求较高，制造流程复杂，坯料在反复的深冷挤压过程中存在开裂风险，且同样难以制备大口径反射镜。（3）公开号为CN 113798930 A的中国专利申请文献公开了一种基于搅拌摩擦处理的高精度金属镜面加工方法，其记载了使用柱状搅拌头对工件上表面进行搅拌摩擦处理，通过梯度塑性变形方式细化铝反射镜坯料表面晶粒组织。虽然该方法对设备成形力要求较低，但该方法对反射镜表面破坏性较大，反射镜坯料细晶层较浅，后续超精密加工过程中工艺窗口较窄，难以推广至工程应用。同时，该方法采用柱状搅拌头对工件表面进行处理，无法适应大梯度、变曲率、局部特征多等复杂曲面光学反射镜制造。
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，提供一种基于激光表面处理的铝反射镜制造方法，本发明旨在解决制备大口径、复杂曲面铝反射镜的加工困难以及加工成本高的问题，实现铝反射镜的表面质量提升。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于激光表面处理的铝反射镜制造方法，包括对粘贴有保护层的铝反射镜坯料的表面进行激光冲击处理，通过激光诱导保护层发生等离子爆炸向铝反射镜坯料的表面产生的峰值压力达GPa级的冲击波，使得铝反射镜坯料发生塑性变形，引入包括亚晶界、位错胞、位错墙中的部分或全部在内的亚结构以碎化铝反射镜坯料中的粗大纤维晶粒结构，从而实现对铝反射镜坯料的表面实现细晶改性处理。
可选地，所述对粘贴有保护层的铝反射镜坯料的表面进行激光冲击处理时，所述保护层的表面还覆盖有用于限制冲击波向四周扩散的限制介质层。
可选地，所述限制介质层采用的限制介质为去离子水、液氮或者BK7光学玻璃。
可选地，所述保护层为黑色胶带、黑色油漆或铝箔。
可选地，所述对粘贴有保护层的铝反射镜坯料的表面进行激光冲击处理时，进行激光冲击处理的工艺参数包括：激光斑点直径3～5mm、激光波长为1053nm、激光频率为10～20Hz、激光能量2～6J以及激光冲击的脉冲持续时间为20ns。
可选地，所述对粘贴有保护层的铝反射镜坯料的表面进行激光冲击处理时，还包括预先根据表面覆盖率对大口径的粘贴有保护层的铝反射镜坯料的表面规划光斑移动轨迹和循环次数，控制激光头按照光斑移动轨迹进行激光冲击处理并重复预设的循环次数以实现大口径的铝反射镜制造。
可选地，所述粘贴有保护层的铝反射镜坯料的制备包括：
S101，将热处理后的铝合金安装在车削机床上通过粗加工与精加工获得铝反射镜坯料；
S102，将铝反射镜坯料清洗干净；
S103，将清洗干净后的铝反射镜坯料的表面粘贴保护层；
S104，往保护层的表面添加限制介质层，得到可进行激光冲击处理的粘贴有保护层的铝反射镜坯料。
可选地，所述对粘贴有保护层的铝反射镜坯料的表面进行激光冲击处理之后还包括：
S201，将完成细晶改性处理后的铝反射镜样品车削加工去除表面痕迹获得光滑表面；
S202，将铝反射镜样品利用单点金刚石机床进行超精密车削加工获得最终的光学镜面。
可选地，步骤S201中车削加工时，材料去除深度为40～60μm，单次进给深度为10～20μm。
可选地，步骤S202中利用单点金刚石机床进行超精密车削加工时，超精密车削加工的参数包括：主轴转速为1000～2000rpm，车削去除量为1～2μm，横向进给速度为1～2mm/min。
和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：
（1）相较于多向锻造、等径角挤压、累积叠轧等晶粒细化方法，本发明方法仅对材料表面进行细晶改性处理，并结合高精度单点金刚石车削方法，精确控制表层材料去除，提升铝反射镜表面质量。本发明方法无需对材料整体塑性变形，显著降低了反射镜坯料制造成本，并可用于大口径铝反射镜制造。
（2）相较于传统的摩擦搅拌焊接、机械喷丸、超声喷丸等方法，本发明方法采用激光冲击导致材料表面塑性应变速率达106s-1，超高的应变速率显著提升了细晶改性层深度，提升了后续超精密加工工艺窗口，工程应用价值高.
（3）激光冲击采用高精度斑点对试样表面进行改性处理，斑点直径、频率、能量等参数精确可调，从而可有效控制喷丸处理后表层晶粒组织与粗糙度，同时，通过多轴机械手辅助，可调控激光头移动路线、移动速度、入射角度，可应用于复杂曲面铝反射镜加工。
（4）激光冲击在铝反射镜表面形成压应力，可提高镜坯材料尺寸稳定性，从而保证光学成像稳定性。
综上所述，采用本发明提出的基于激光冲击处理的铝反射镜制造方法，对装备成形吨位要求低、工艺性好、成本低、加工后表面质量好等优势，为空天装备光学系统提供高表面质量铝反射镜，提升光学系统成像水平。
附图说明
图1为本发明实施例中激光冲击处理的原理示意图。
图2为本发明实施例中规划的光斑移动轨迹示意图。
图3为本发明实施例中加工样品和对照样品的晶粒组织对比。
图4为本发明实施例中加工样品和对照样品的表面粗糙度对比。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
如图1所示，本实施例提供一种基于激光表面处理的铝反射镜制造方法，包括对粘贴有保护层（如图1中的a所示）的铝反射镜坯料的表面进行激光冲击处理，通过激光诱导保护层发生等离子爆炸向铝反射镜坯料的表面产生的峰值压力达GPa级的冲击波，使得铝反射镜坯料发生塑性变形，引入包括亚晶界、位错胞、位错墙中的部分或全部在内的亚结构以碎化铝反射镜坯料中的粗大纤维晶粒结构，从而实现对铝反射镜坯料的表面实现细晶改性处理。
铝反射镜坯料的表面的保护层是用于实现对铝反射镜坯料的表面的覆盖保护，为防止铝反射镜坯料的表面材料发生烧蚀，其可以根据需要采用所需的材料制备，包括黑色胶带、黑色油漆或铝箔等，例如本实施例中保护层为黑色胶带。保护层的厚度和层数可以根据需要进行选择，本实施例中保护层为一层100μm厚度黑色胶带。
为了限制冲击波向四周扩散，作为一种可选的实施方式，本实施例中对粘贴有保护层的铝反射镜坯料的表面进行激光冲击处理时，所述保护层的表面还覆盖有用于限制冲击波向四周扩散的限制介质层（如图1中的b所示）。作为一种可选的实施方式，本实施例中限制介质层采用的限制介质为去离子水，此外也可以根据需要采用其他介质，例如液氮或者BK7光学玻璃等。
本实施例中对粘贴有保护层的铝反射镜坯料的表面进行激光冲击处理时，激光器类型二极管泵浦激光器，进行激光冲击处理的工艺参数包括：激光斑点直径3～5mm、激光波长为1053nm、激光频率为10～20Hz、激光能量2～6J以及激光冲击的脉冲持续时间为20ns。具体地，本实施例中激光冲击参数为：斑点直径为3mm，激光频率为10Hz，激光能量6J。
本实施例方法为点加工方式，可结合现有加工轨迹的方式实现大口径的铝反射镜制造。具体地，对粘贴有保护层的铝反射镜坯料的表面进行激光冲击处理时，还包括预先根据表面覆盖率对大口径的粘贴有保护层的铝反射镜坯料的表面规划光斑移动轨迹和循环次数，控制激光头按照光斑移动轨迹进行激光冲击处理并重复预设的循环次数以实现大口径的铝反射镜制造。本实施例中规划的光斑移动轨迹如图2所示，其中c为铝反射镜坯料，虚线表示光斑移动轨迹，虚线旁的箭头为光斑移动方向，覆盖率为60%，往复循环5次。
本实施例中粘贴有保护层的铝反射镜坯料的制备包括：
S101，将热处理后的铝合金安装在车削机床上通过粗加工与精加工获得铝反射镜坯料；具体地，本实施例步骤S101中取一件6061铝合金圆柱形（φ30×10mm）材料，热处理后将表面清洗干净，采用三抓卡盘夹具将材料固定在车削机床上，对圆柱上表面进行车削加工，加工参数为：主轴转速800rpm，单次切削深度0.5mm，横向进给速度160mm/min，粗加工后尺寸为φ30×9mm；然后，将粗加工坯料转移至精密车床上进行精密车削，精密车削加工参数为：主轴转速为1000rpm，单次切削深度为0.2mm，横向进给速度为100mm/min，切削后坯料尺寸为φ30×8.5mm；
S102，将铝反射镜坯料清洗干净；
S103，将清洗干净后的铝反射镜坯料的表面粘贴保护层；
S104，往保护层的表面添加限制介质层，得到可进行激光冲击处理的粘贴有保护层的铝反射镜坯料。
本实施例中对粘贴有保护层的铝反射镜坯料的表面进行激光冲击处理之后还包括：
S201，将完成细晶改性处理后的铝反射镜样品车削加工去除表面痕迹获得光滑表面；
S202，将铝反射镜样品利用单点金刚石机床进行超精密车削加工获得最终的光学镜面。
步骤S201为表面平整的工艺步骤，用于对激光冲击表面进行加工，去除激光冲击痕迹，降低表面材料粗糙度。步骤S201中车削加工时，材料去除深度为40～60μm，单次进给深度为10～20μm。具体地，本实施例中步骤S201中车削加工时，采用单点金刚石车床，加工之前在显微镜下检查金刚石刀具刃口锋利程度，单点金刚石车削加工参数为：主轴转速为2000rpm，单次切削去除量为20μm，总去除量为40μm，横向进给速度为1mm/min。
步骤S202为超精密车削加工的工艺步骤，步骤S202中利用单点金刚石机床进行超精密车削加工时，超精密车削加工的参数包括：主轴转速为1000～2000rpm，车削去除量为1～2μm，横向进给速度为1～2mm/min。具体地，本实施例中为将单点金刚石车床动平衡参数调节至20nm以内，超精密车削加工参数与步骤S201相同，车削去除量为1.2μm，最后获得光学镜面，加工完成后采用白光干涉仪测量镜面粗糙度，测试镜头为20X，测量区域为范围为0.47×0.35mm，取5个点取平均值，获得镜面粗糙度值。
为了验证本实施例基于激光表面处理的铝反射镜制造方法，将采用本实施例步骤S101制备的铝反射镜坯料作为对照样品，和采用本实施例方法进行激光冲击处理、表面平整和超精密车削加工的加工样品进行对比，图3为本实施例中加工样品和对照样品的晶粒组织对比。（a）为对照样品的晶粒组织；（b）为加工样品100μm级别的晶粒组织，（c）为加工样品20μm级别的晶粒组织。图4为本实施例中加工样品和对照样品的表面粗糙度对比，其中（a）为对照样品的表面粗糙度；（b）为加工样品的表面粗糙度。参见图3可知，采用本实施例方法得到的加工样品经过激光冲击处理后，距离材料表面0~500μm范围内组织形成较多变形带，这是由于表面发生高应变速率变形，位错回复被充分抑制，从而导致合金表层晶粒发生显著碎化。参见图4可知，相较于未经过激光冲击处理的对照样品，采用本实施例方法得到的加工样品经过激光冲击处理后表面粗糙度由2.835nm降低至1.655nm，上述结果表明本实施例基于激光表面处理的铝反射镜制造方法可有效改善铝反射镜表面质量。
综上所述，本实施例基于激光表面处理的铝反射镜制造方法包括坯料加工、激光冲击处理、表面平整与超精密车削加工，本实施例基于激光表面处理的铝反射镜制造方法通过在铝反射镜制造过程中引入激光冲击工序，通过高应变速率塑性变形、碎化铝合金中粗大晶粒组织，在反射镜表面形成细晶改性层，提升后续超精密加工过程中材料去除均匀性，从而显著降低反射镜表面粗糙度，本方法成本低，工艺流程简单，可用于大口径复杂曲面铝反射镜制造，满足空天装备光学系统对高表面质量铝反射镜需求。
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 (10)
1.一种基于激光表面处理的铝反射镜制造方法，其特征在于，包括对粘贴有保护层的铝反射镜坯料的表面进行激光冲击处理，通过激光诱导保护层发生等离子爆炸向铝反射镜坯料的表面产生的峰值压力达GPa级的冲击波，使得铝反射镜坯料发生塑性变形，引入包括亚晶界、位错胞、位错墙中的部分或全部在内的亚结构以碎化铝反射镜坯料中的粗大纤维晶粒结构，从而实现对铝反射镜坯料的表面实现细晶改性处理。
2.根据权利要求1所述的基于激光表面处理的铝反射镜制造方法，其特征在于，所述对粘贴有保护层的铝反射镜坯料的表面进行激光冲击处理时，所述保护层的表面还覆盖有用于限制冲击波向四周扩散的限制介质层。
3.根据权利要求2所述的基于激光表面处理的铝反射镜制造方法，其特征在于，所述限制介质层采用的限制介质为去离子水、液氮或者BK7光学玻璃。
4.根据权利要求1所述的基于激光表面处理的铝反射镜制造方法，其特征在于，所述保护层为黑色胶带、黑色油漆或铝箔。
5.根据权利要求1所述的基于激光表面处理的铝反射镜制造方法，其特征在于，所述对粘贴有保护层的铝反射镜坯料的表面进行激光冲击处理时，进行激光冲击处理的工艺参数包括：激光斑点直径3～5mm、激光波长为1053nm、激光频率为10～20Hz、激光能量2～6J以及激光冲击的脉冲持续时间为20ns。
6.根据权利要求5所述的基于激光表面处理的铝反射镜制造方法，其特征在于，所述对粘贴有保护层的铝反射镜坯料的表面进行激光冲击处理时，还包括预先根据表面覆盖率对大口径的粘贴有保护层的铝反射镜坯料的表面规划光斑移动轨迹和循环次数，控制激光头按照光斑移动轨迹进行激光冲击处理并重复预设的循环次数以实现大口径的铝反射镜制造。
7.根据权利要求2所述的基于激光表面处理的铝反射镜制造方法，其特征在于，所述粘贴有保护层的铝反射镜坯料的制备包括：
S101，将热处理后的铝合金安装在车削机床上通过粗加工与精加工获得铝反射镜坯料；
S102，将铝反射镜坯料清洗干净；
S103，将清洗干净后的铝反射镜坯料的表面粘贴保护层；
S104，往保护层的表面添加限制介质层，得到可进行激光冲击处理的粘贴有保护层的铝反射镜坯料。
8.根据权利要求1所述的基于激光表面处理的铝反射镜制造方法，其特征在于，所述对粘贴有保护层的铝反射镜坯料的表面进行激光冲击处理之后还包括：
S201，将完成细晶改性处理后的铝反射镜样品车削加工去除表面痕迹获得光滑表面；
S202，将铝反射镜样品利用单点金刚石机床进行超精密车削加工获得最终的光学镜面。
9.根据权利要求8所述的基于激光表面处理的铝反射镜制造方法，其特征在于，步骤S201中车削加工时，材料去除深度为40～60μm，单次进给深度为10～20μm。
10.根据权利要求8所述的基于激光表面处理的铝反射镜制造方法，其特征在于，步骤S202中利用单点金刚石机床进行超精密车削加工时，超精密车削加工的参数包括：主轴转速为1000～2000rpm，车削去除量为1～2μm，横向进给速度为1～2mm/min。
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| CN202311857448.0A CN117625943A (zh) | 2023-12-29 | 2023-12-29 | 一种基于激光表面处理的铝反射镜制造方法 |
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|---|---|---|---|
| CN202311857448.0A CN117625943A (zh) | 2023-12-29 | 2023-12-29 | 一种基于激光表面处理的铝反射镜制造方法 |
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| CN117625943A true CN117625943A (zh) | 2024-03-01 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202311857448.0A Pending CN117625943A (zh) | 2023-12-29 | 2023-12-29 | 一种基于激光表面处理的铝反射镜制造方法 |
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2023
- 2023-12-29 CN CN202311857448.0A patent/CN117625943A/zh active Pending
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