光学反射镜组件离子束加工中的热效应
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
引用格式：王永刚, 李昂, 孟晓辉, 等. 光学反射镜组件离子束加工中的热效应[J]. 航天返回与遥感, 2021, 42(3): 72-78. WANG Yonggang, LI Ang, MENG Xiaohui, et al. Thermal Effect in Ion Beam Figuring of Optical Mirror Assembly[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(3): 72-78 (in Chinese)
离子束加工技术是高精度光学反射镜加工中最有优势的方法之一[6-11]，具有去除确定性高、非接触 加工、去除函数稳定、无污染等特点，特别适合于组件级光学反射镜的加工。但离子源产生的离子经过 加速并撞击反射镜表面后，发生能量转移，入射离子的大部分能量会沉积在镜体内，使反射镜被加工部 位的温度迅速升高。离子束加工产生的热效应不但会使镜面产生无法恢复的形变，导致面形加工与预期 值产生误差，降低加工效率。严重时，甚至会损坏光学零件。对于反射镜组件，过高的温度会使粘接胶 层发生非线性变化，破坏胶层物理特性，影响产品的性能。
第3期
王永刚 等: 光学反射镜组件离子束加工中的热效应
73
0 引言
随着空间光学载荷一体化设计、制造技术的发展，光学零件以组件级形式出现在加工阶段的现象越 来越多[1-5]。所谓组件级光学产品是指通过胶粘接、光胶合、螺接等手段将光学元件与结构件或其他光学 元件连接，形成具有特定功能的光学产品。其中胶粘接是空间光学系统中最常见的组件成型方式。组件 级光学产品的使用能极大减少光学系统装调误差的引入，减少复杂的试验项目，从而你缩短了空间光学 载荷的研制成本和研制周期。
为了方便分析计算，设定热源与物体间的坐标关系，热源的中心点为坐标系原点 O，在物体表面建 立 O-XYZ 坐标系，Z 指向物体内部，（x,y,z）为物体上任意点的坐标，如图 1 所示。
图 1 点热源在物体任意位置能量传输模型坐标示意 Fig.1 The coordination of thermal transfer model for point heat source
摘 要 针对空间光学载荷光学反射镜组件离子束加工时产生的能量传输及累积效应对组件胶粘
层的物理性能产生的不利影响，文章根据离子源的能量分布特点，建立了离子束加工过程中的动态热传
输模型；结合模型对驻留时间、束流分布参数、离子源功率产生的热效应进行了静态和动态分析；最后，
在某直径 1 000mm 非球面 ULE 玻璃材料反射镜组件的加工中进行试验，实测加工中的最高温度为
因此，本文通过建立光学反射镜组件离子束加工中的热效应模型，分析影响温度传输及累积而造成 胶粘层失效的主要因素，进而指导工艺参数的优化，并在光学反射镜组件上进行加工验证。
1 离子束加工时的热效应模型
离子束加工时，由于高速正离子的撞击以及阴极钨丝辐射作用，在反射镜表面产生能量累积效应， 形成一定的温度场分布，会影响组件级光学产品的性能。因此有必要建立离子束加工时的热效应模型， 分析温度累积效应，为离子束加工组件级光学产品提供工艺指导。
间； r 2 x2 y2 z2 为物体上任意位置距热源中心点的距离。
离子束加工时，离子源产生的热源不是一个理想的点，而是一个呈高斯形状分布的面热源函数 Q（x,
y）。此时，z=0，面热源函数可表示为
式中
σ 为离子源束流分布参数。
Q(
x,
y)
Q
exp(
x2 2
y2
2
)
（2）
因此，高斯形状分布的热源在光学零件上的能量分布可通过将式（2）与式（1）做卷积处理获得
分析中以 ULE 玻璃为例，其材料特性如下：c=821 J/（kg·K），ρ=2.53×103kg/m3，α=7.90×10–7m2/s。 令 z=0，v=0，高斯分布的离子束热源作用在镜面上，持续一段时间后，根据式（4）可计算得出镜 面的温度分布，如图 2 所示。 从图 2 可以看出，离子束热源作用在反射镜表面上，能量在传输过程中，围绕着作用点中心，产生 了高斯形的温度分布规律。 2.1 离子束加工过程热效应模型静态分析 从式（4）可以看出，当 v=0 时，影响镜面温度分布的参数主要有离子源驻留时间 t、离子源束流分 布参数 σ、离子源发射功率 P。此时，静态条件下温度分布呈高斯形，如图 2 所示。实际应用中，主要 关注多重高斯形温度场的叠加而形成的温度最高值对产品的影响。因此，后续分析主要针对不同工艺参 数对温度极值的影响。
式中
T (r,tn )
2P c
1 (2π)3/2
tn
dt
0
( tn 2
1 2 ) tn
exp
x2 y2 2( tn 2
2 ) exp(
z2 2 tn 2
)
P=dQ/dt，为热源功率； tn 为修正后的等效离子源束流分布参数。
（4）
2 离子束加工工艺参数的热效应分析
离子束加工时，同种反射镜材料的热学特性是确定的，是离子束加工时的热效应模型中的不变量。 决定反射镜热效应的主要有离子源静态参数和离子源运动参数。因此，需要对离子束加工过程分别进行 静态和动态分析。
DOI: 10.3969/j.issn.1009-8518.2021.03.008
Thermal Effect in Ion Beam Figuring of Optical Mirror Assembly
WANG Yonggang1,2 LI Ang1,2 MENG Xiaohui1,2 LI Wenqing1,2 ZHANG Jiyou1,2
航天返回与遥感
第 42 卷 第 3 期
72
SPACECRAFT RECOVERY & REMOTE SENSING
2021 年 6 月
光学反射镜组件离子束加工中的热效应
王永刚 1,2 李昂 1,2 孟晓辉 1,2 李文卿 1,2 张继友 1,2
（1 北京空间机电研究所，北京 100094）
（2 国防科技工业光学超精密加工技术创新中心（先进制造类），北京 100094）
由于离子源的运动，等效离子源束流分布参数 σt 不但与离子源加工总时间 tn 相关，还与离子源从加
工初始位置 x0 运行到当前位置 x 的时间 t 相关。因此，需要将 t2 2t 修正为 tn 2 2 (tn t) 。 可通过对式（3）积分，推导出离子源沿某一方向直线运行时，反射镜任意位置的温度场分布 T（ r , tn ）
47.19℃，与理论值基本一致，满足了胶层对温度阈值 70℃的需求。文章可为确定反射镜组件的离子束加
工工艺参数提供参考。
关键词 光学反射镜组件 热传输模型 驻留时间 束流分布参数 离子源功率 空间相机
中图分类号: TH706
文献标志码: A
文章编号: 1009-8518(2021)03-0072-07
Keywords optical mirror assembly; thermal transfer model; dwell time; beam profile parameters; ion source power; space camera
收稿日期：2020-11-18
基金项目：国防科技创新特区项目（19-163-18-ZT-013-023-01）
（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China） （2 Optical Ultraprecise Processing Technology Innovation Center for Science and Technology Industry of National
图 3 离子源驻留点最高温度与驻留时间的关系
Defense, Beijing 100094, China ）
Abstract According to the characteristics of energy distribution of the ion beam, a dynamic thermal transfer model in ion beam processing is established. The dynamic thermal transfer model can be used to resolve the negative effects of heat cumulative effect on the physical properties of the adhesive layer of the space mirror assembly. The thermal effects caused by parameters of dwell time, beam distribution and ion source power are analyzed statically and dynamically, which provides a guidance for determining the parameters in ion beam processing mirror assembly. Finally, the verification was carried out in figuring a Φ1000mm ULE mirror assembly. The highest temperature in the actual processing was 47.19℃ and consistent with the theoretical value, which meet the requirement of the adhesive layer for the temperature threshold of 70℃. This paper can provide a guidance for the determination of ion beam processing parameters in figuring mirror assembly.
离子束加工产生的温度对镜面面形的影响的研究已有 20 多年的历史，文献[12]利用 ANSYS 软件对 离子束加工过程工件的热变形进行了仿真分析，研究了热应力和热变形对工件面形精度影响；文献[13-19] 对离子束加工温度比较敏感的光学材料如 K9 玻璃、各类晶体等在加工中面形与温度的相互关系进行了 研究；文献[20-21]通过有限元分析及试验验证相结合的手段，研究了离子束加工时，铜带散热装置前 后的温度变化及其对光学元件面形精度的影响。但是上述研究缺少对组件级光学产品中胶粘层热影响 的研究。
74
航天返回与遥感
2021 年第 42 卷
根据文献[22]点热源在物体表面的能量沉积理论，可获得任意时间、物体任意位置的能量值 T(r, t)
式中
T
(r,t)
2Q 8π3/2c
3/ 2t 3/ 2
exp
r2 4t
（1）
Q 为点热源能量；c 为工件材料比热容；ρ 为材料密度；α 为材料热扩散率；t 为点热源作用时
第3期
王永刚 等: 光学反温度的影响 假设 σ=20mm，P=120W，其他参数取离子源常见参数，将参数代入式（4），获得了离子源驻留点最 高温度随时间的变化曲线，如图 3 所示。
图 2 离子源静止时镜面作用点周围的温度分布
Fig.2 Temperature distribution around the bombed point when ion source is stationary
T
(r,t)
(2π)3/2
2Q c (t2
2
) t
exp(
x2 y2 2(t2 2
) ) exp(
z2 2 t2
)
（3）
式中 t 为等效离子源束流分布参数， t2 2t ，与离子源加工时间相关。
考虑到实际情况，离子源由三轴运动机构控制运行，离子源垂直于镜面，以一定速度从加工初始位
置 x0 沿 X 方向运行，运行时间 t 后，x=x0+vt，v 为离子束运行速度。
离子束加工技术是高精度光学反射镜加工中最有优势的方法之一[6-11]，具有去除确定性高、非接触 加工、去除函数稳定、无污染等特点，特别适合于组件级光学反射镜的加工。但离子源产生的离子经过 加速并撞击反射镜表面后，发生能量转移，入射离子的大部分能量会沉积在镜体内，使反射镜被加工部 位的温度迅速升高。离子束加工产生的热效应不但会使镜面产生无法恢复的形变，导致面形加工与预期 值产生误差，降低加工效率。严重时，甚至会损坏光学零件。对于反射镜组件，过高的温度会使粘接胶 层发生非线性变化，破坏胶层物理特性，影响产品的性能。
第3期
王永刚 等: 光学反射镜组件离子束加工中的热效应
73
0 引言
随着空间光学载荷一体化设计、制造技术的发展，光学零件以组件级形式出现在加工阶段的现象越 来越多[1-5]。所谓组件级光学产品是指通过胶粘接、光胶合、螺接等手段将光学元件与结构件或其他光学 元件连接，形成具有特定功能的光学产品。其中胶粘接是空间光学系统中最常见的组件成型方式。组件 级光学产品的使用能极大减少光学系统装调误差的引入，减少复杂的试验项目，从而你缩短了空间光学 载荷的研制成本和研制周期。
为了方便分析计算，设定热源与物体间的坐标关系，热源的中心点为坐标系原点 O，在物体表面建 立 O-XYZ 坐标系，Z 指向物体内部，（x,y,z）为物体上任意点的坐标，如图 1 所示。
图 1 点热源在物体任意位置能量传输模型坐标示意 Fig.1 The coordination of thermal transfer model for point heat source
摘 要 针对空间光学载荷光学反射镜组件离子束加工时产生的能量传输及累积效应对组件胶粘
层的物理性能产生的不利影响，文章根据离子源的能量分布特点，建立了离子束加工过程中的动态热传
输模型；结合模型对驻留时间、束流分布参数、离子源功率产生的热效应进行了静态和动态分析；最后，
在某直径 1 000mm 非球面 ULE 玻璃材料反射镜组件的加工中进行试验，实测加工中的最高温度为
因此，本文通过建立光学反射镜组件离子束加工中的热效应模型，分析影响温度传输及累积而造成 胶粘层失效的主要因素，进而指导工艺参数的优化，并在光学反射镜组件上进行加工验证。
1 离子束加工时的热效应模型
离子束加工时，由于高速正离子的撞击以及阴极钨丝辐射作用，在反射镜表面产生能量累积效应， 形成一定的温度场分布，会影响组件级光学产品的性能。因此有必要建立离子束加工时的热效应模型， 分析温度累积效应，为离子束加工组件级光学产品提供工艺指导。
间； r 2 x2 y2 z2 为物体上任意位置距热源中心点的距离。
离子束加工时，离子源产生的热源不是一个理想的点，而是一个呈高斯形状分布的面热源函数 Q（x,
y）。此时，z=0，面热源函数可表示为
式中
σ 为离子源束流分布参数。
Q(
x,
y)
Q
exp(
x2 2
y2
2
)
（2）
因此，高斯形状分布的热源在光学零件上的能量分布可通过将式（2）与式（1）做卷积处理获得
分析中以 ULE 玻璃为例，其材料特性如下：c=821 J/（kg·K），ρ=2.53×103kg/m3，α=7.90×10–7m2/s。 令 z=0，v=0，高斯分布的离子束热源作用在镜面上，持续一段时间后，根据式（4）可计算得出镜 面的温度分布，如图 2 所示。 从图 2 可以看出，离子束热源作用在反射镜表面上，能量在传输过程中，围绕着作用点中心，产生 了高斯形的温度分布规律。 2.1 离子束加工过程热效应模型静态分析 从式（4）可以看出，当 v=0 时，影响镜面温度分布的参数主要有离子源驻留时间 t、离子源束流分 布参数 σ、离子源发射功率 P。此时，静态条件下温度分布呈高斯形，如图 2 所示。实际应用中，主要 关注多重高斯形温度场的叠加而形成的温度最高值对产品的影响。因此，后续分析主要针对不同工艺参 数对温度极值的影响。
式中
T (r,tn )
2P c
1 (2π)3/2
tn
dt
0
( tn 2
1 2 ) tn
exp
x2 y2 2( tn 2
2 ) exp(
z2 2 tn 2
)
P=dQ/dt，为热源功率； tn 为修正后的等效离子源束流分布参数。
（4）
2 离子束加工工艺参数的热效应分析
离子束加工时，同种反射镜材料的热学特性是确定的，是离子束加工时的热效应模型中的不变量。 决定反射镜热效应的主要有离子源静态参数和离子源运动参数。因此，需要对离子束加工过程分别进行 静态和动态分析。
DOI: 10.3969/j.issn.1009-8518.2021.03.008
Thermal Effect in Ion Beam Figuring of Optical Mirror Assembly
WANG Yonggang1,2 LI Ang1,2 MENG Xiaohui1,2 LI Wenqing1,2 ZHANG Jiyou1,2
航天返回与遥感
第 42 卷 第 3 期
72
SPACECRAFT RECOVERY & REMOTE SENSING
2021 年 6 月
光学反射镜组件离子束加工中的热效应
王永刚 1,2 李昂 1,2 孟晓辉 1,2 李文卿 1,2 张继友 1,2
（1 北京空间机电研究所，北京 100094）
（2 国防科技工业光学超精密加工技术创新中心（先进制造类），北京 100094）
由于离子源的运动，等效离子源束流分布参数 σt 不但与离子源加工总时间 tn 相关，还与离子源从加
工初始位置 x0 运行到当前位置 x 的时间 t 相关。因此，需要将 t2 2t 修正为 tn 2 2 (tn t) 。 可通过对式（3）积分，推导出离子源沿某一方向直线运行时，反射镜任意位置的温度场分布 T（ r , tn ）
47.19℃，与理论值基本一致，满足了胶层对温度阈值 70℃的需求。文章可为确定反射镜组件的离子束加
工工艺参数提供参考。
关键词 光学反射镜组件 热传输模型 驻留时间 束流分布参数 离子源功率 空间相机
中图分类号: TH706
文献标志码: A
文章编号: 1009-8518(2021)03-0072-07
Keywords optical mirror assembly; thermal transfer model; dwell time; beam profile parameters; ion source power; space camera
收稿日期：2020-11-18
基金项目：国防科技创新特区项目（19-163-18-ZT-013-023-01）
（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China） （2 Optical Ultraprecise Processing Technology Innovation Center for Science and Technology Industry of National
图 3 离子源驻留点最高温度与驻留时间的关系
Defense, Beijing 100094, China ）
Abstract According to the characteristics of energy distribution of the ion beam, a dynamic thermal transfer model in ion beam processing is established. The dynamic thermal transfer model can be used to resolve the negative effects of heat cumulative effect on the physical properties of the adhesive layer of the space mirror assembly. The thermal effects caused by parameters of dwell time, beam distribution and ion source power are analyzed statically and dynamically, which provides a guidance for determining the parameters in ion beam processing mirror assembly. Finally, the verification was carried out in figuring a Φ1000mm ULE mirror assembly. The highest temperature in the actual processing was 47.19℃ and consistent with the theoretical value, which meet the requirement of the adhesive layer for the temperature threshold of 70℃. This paper can provide a guidance for the determination of ion beam processing parameters in figuring mirror assembly.
离子束加工产生的温度对镜面面形的影响的研究已有 20 多年的历史，文献[12]利用 ANSYS 软件对 离子束加工过程工件的热变形进行了仿真分析，研究了热应力和热变形对工件面形精度影响；文献[13-19] 对离子束加工温度比较敏感的光学材料如 K9 玻璃、各类晶体等在加工中面形与温度的相互关系进行了 研究；文献[20-21]通过有限元分析及试验验证相结合的手段，研究了离子束加工时，铜带散热装置前 后的温度变化及其对光学元件面形精度的影响。但是上述研究缺少对组件级光学产品中胶粘层热影响 的研究。
74
航天返回与遥感
2021 年第 42 卷
根据文献[22]点热源在物体表面的能量沉积理论，可获得任意时间、物体任意位置的能量值 T(r, t)
式中
T
(r,t)
2Q 8π3/2c
3/ 2t 3/ 2
exp
r2 4t
（1）
Q 为点热源能量；c 为工件材料比热容；ρ 为材料密度；α 为材料热扩散率；t 为点热源作用时
第3期
王永刚 等: 光学反温度的影响 假设 σ=20mm，P=120W，其他参数取离子源常见参数，将参数代入式（4），获得了离子源驻留点最 高温度随时间的变化曲线，如图 3 所示。
图 2 离子源静止时镜面作用点周围的温度分布
Fig.2 Temperature distribution around the bombed point when ion source is stationary
T
(r,t)
(2π)3/2
2Q c (t2
2
) t
exp(
x2 y2 2(t2 2
) ) exp(
z2 2 t2
)
（3）
式中 t 为等效离子源束流分布参数， t2 2t ，与离子源加工时间相关。
考虑到实际情况，离子源由三轴运动机构控制运行，离子源垂直于镜面，以一定速度从加工初始位
置 x0 沿 X 方向运行，运行时间 t 后，x=x0+vt，v 为离子束运行速度。