大口径碳化硅平面反射镜的数控研磨与在线检测

第29卷第4期长春理工大学学报Vo l 129No 142006年12月Journal of Changchun University of Science and Technol ogyD ec.2006 收稿日期:2006-09-15 基金项目:国家杰出青年基金资助项目(No .69925512) 作者简介:牛海燕(1976-),女,长春人,硕士研究生,从事光学超精密加工和检测技术研究,E -mail:niuhaiy@sina 1com 。

大口径碳化硅平面反射镜的数控研磨与在线检测牛海燕,范镝,郑立功,张峰,张学军(中国科学院长春光机与物理研究所　光学技术中心,长春　130022)摘　要:本文介绍了480mm ×280mm 的船形碳化硅平面反射镜数控研磨的工艺参数的确定和工艺流程;并介绍了在研磨过程中使用的机床、磨具、磨料及采用的工艺参数和检测方法。

给出了研磨前后480mm ×280mm 的船形碳化硅平面反射镜面形精度和表面粗糙度的检测结果:面形精度峰谷值(P V )由初始的2117微米收敛到4162微米,均方根值(R M S )由3170微米收敛到01558微米,并把轮廓检测结果与干涉检测结果进行了比较。

关键词:碳化硅反射镜;数控研磨;轮廓检测;面形精度中图分类号:T Q 171168 文献标识码:A文章编号:1672-9870(2006)04-0008-04Co mputer Controlled Gri n di n g and On -li n e Testi n g of Large -aperture Pl anet ary Sili con Carbi de (Si C )M i rrorN I U Haiyan,F AN D i,Z HE NG L igong,Z HANG Feng,ZHANG Xuejun(O ptical Technology Research Center ,Changchun Institute of O ptics,Fine M echanics and Physics,Chinese A cade m y of Sciences,Changchun 130022)Abstract:Computer contr olled grinding and testing p r ocess of 480mm ×280mm flat silicon carbide (Si C )m irr or are menti oned .The machine,t ools,abrasives,technique and testing method used in the grinding and testing p r ocess are intr oduced res pectively .A ls o s ome p r ofiler testing results of surface figure are given .It ’s shown that the surface figure peak t o villy and r oot -mean -square were reduced fr om2117μm and 3170μm t o 4162μm and 01558μm res pectively .And the interfer ometric test result is als o shown .Key words :Si C m irr or;computer contr olled grinding;p r ofiler testing;surface figure 随着空间应用技术和激光技术的迅猛发展,对光学系统提出了更高的要求,对系统所采用的反射镜和光学元件的要求也越来越高。

[1,2]为了保证反射镜和光学元件在工作条件下的稳定性和加工,检测过程中性能的一致性,并考虑到空间光学系统对反射镜轻量化的要求和激光系统光学元件工作状况下的稳定性,对反射镜材料的一系列物理指标也提出了要求,诸如低密度、高弹性模量、低热膨胀系数、无热应力、高热导率热性能与机械性能的各向同性。

传统材料已经不能满足这些要求。

碳化硅材料具有较高的弹性模量、适中的密度、较小的热膨胀系数、较高的导热系数、耐热冲击性、高的比刚度和高度的尺寸稳定性等一系列优秀的物理性质,成为一种特别具有应用前景的反射镜材料。

[1-8]我国在碳化硅材料研究方面已经比较成熟。

但是,碳化硅反射镜在光学加工方面具有很大的难度,所以碳化硅的光学加工在我国还处于起步阶段。

[8-10]中国科学院长春光机所光学技术研究中心自2000年起,在应用传统方法加工小口径平球面碳化硅反射镜方面进行了大量的探索,并加工完成了100mm 口径平面和250mm 口径球面碳化硅反射镜,面形精度(R MS )均优于1/25波长。

[11-12]随着FSGJ -II 非球面数控加工中心的研制成功,我们开展了大口径平面碳化硅反射镜的数控加工研究。

我们应用FSGJ -II 非球面数控加工中心(见图1)对480mm ×280mm 的船形碳化硅平面反射第4期牛海燕,等:大口径碳化硅平面反射镜的数控研磨与在线检测镜进行了研磨和在线轮廓检测,使其面形精度由初始的PV=2118微米,RM S=317微米收敛到PV=416微米,RM S=0156微米。

图1　FSGJ-II非球面加工中心结构示意图F i g11　Schem e o f FS GJ-II a sp he ri c op ti ca lsu rfa ce m anufa c tu ri ng cen te r1　研磨的工艺参数根据传统方法加工小口径平球面碳化硅反射镜的经验,我们选用碳化硅磨具和W24碳化硼磨料。

[11-12]选定磨料、磨具后,我们在镜体光学面上选择相对较高的区域进行不同工艺参数下的研磨实验。

对碳化硅工件进行研磨,其去除量符合表面材料去除的数学模型Prest on方程[11-12]:d h d t =CLQd sd t(1)d hd t为磨具与工件接触区域单位时间内的材料去除量;L为磨具与工件间的相对压力;Q磨具与工件之间的接触面积;d sd t单位时间内磨具与工件间的相对运动的距离;C为Prest on参数,是与工件材料、磨具材料和加工温度等因素相关的常数。

对Prest on方程进行变形我们得到[17-18]:Δh=CPΔs(2) P为磨头与工件间的相对压强从方程(2)发现去除量与时间无关,而只与C、P和Δs有关,方程中Δs与磨头转数Δr成正比,即Δs=DΔr,D为磨头在一个转动周期内与工件的相对位移,当磨头面积确定后认为是定值由此可以得到:[18]Δh=CD PΔr(3)d hd r=CD P(4) d hd r为磨具与工件接触区域单位转数内的材料去除量。

磨具与工件间的相对压强P为磨头压强;Pres2 t on参数C是与工件材料、磨具材料和加工温度等因素相关的常数,一般认为它的理论值与工件材料的杨氏模量成反比。

因此,当工件材料、磨具材料、加工温度等因素以及磨头转数确定后,还要确定磨头压强,另外在实际加工过程中磨头面积对加工精度也有一定影响。

FSGJ-II非球面数控加工中心的磨头可以提供4～7个大气压的压强,选取4、5、515、6、615和7大气压的压强,应用30毫米直径的碳化硅磨头进行研磨实验,每种压力定点研磨1000转。

图1显示了去除量d hd r与磨头压强P的关系,按照Prest on方程去除量应随着压强的增大而变大,但是,如图2所示,当磨头压力介于4和615大气压时,去除量与磨头压力间关系是符合Prest on方程的,而当磨头压力达到最大值350牛顿时,去除量反而变小,认为这是由于当磨头压力过大时,磨头会将磨料研碎,使去除量变小。

因此,在实际研磨过程中应用的压强为6-615个大气压。

图2　去除量d hd r与磨头压力L的关系F i g12　The effec t o f p re s su re l o ad upo nthe m a te ri a l rem o va l e ffi c i ency在磨头直径的选择上,有三种选择30mm, 70mm和100mm。

采取了FSGJ-II非球面数控加工中心提供的计算机虚拟加工的方法对磨头直径进行选择,图3显示了不同磨头直径下虚拟加工的结果,可以看到磨头直径越小加工精度越高,同时,工件表面的加工痕迹比较明显;磨头直径越大,加工精度越低,但是,表面加工痕迹越不明显。

因9长春理工大学学报2006年此,在实际加工中我们采用30mm 直径小磨头进行面形修整,以提高面形精度;然后,应用100mm 直径的大磨头进行均匀研磨以消除加工痕迹。

图3　选用不同磨头直径下虚拟加工的结果F i g 13　The virtua lm a nufa c tu ri ng re su lts o f t oo lsw ith va ry d i am e ter图4　研磨流程图F i g 14　The theo ri c -cha rt o f g ri nd i ng p e ri o d2　实际研磨与检测结果当加工参数确定后,我们就利用FSGJ -II 非球面数控加工中心对反射镜光学面进行研磨。

由于FSGJ -II 非球面数控加工中心可以实现Ф200-1200mm 平面、球面和非球面反射镜的快速铣磨成形、在线轮廓检测、数控研磨、抛光(轮廓检测精度为±1微米,PV 值),所以,整个研磨的流程是一个在线轮廓检测和研磨的往复过程(如图4)。

根据在线轮廓检测的面形检测数据,利用计算机控制一个相对于被加工工件要小得多的磨头(直径通常小于工件直径的1/4),通过控制磨头在工件表面的驻留时间、磨头与工件间的相对压力以及磨头的转速来控制材料的去除量对工件进行研磨;然后,再次进行在线轮廓检测;如此过程循环往复,最终获得规定的面形精度。

研磨前,面形精度为PV =2118微米,RM S =317微米,经过5天10个周期的研磨收敛到PV =416微米,RM S =0156微米(见图5)。

经过10小时均匀抛光后,使用ZY 2G O24英寸波长调制干涉仪干涉检测结果为PV 值=61123波长(合3188微米),RM S 值=01577微米(见图6),与轮廓检测结果基本符合,这说明对船形碳化硅平面反射镜的数控研磨是准确而有效的。

3　结束语480mm ×280mm 的船形碳化硅平面反射镜数控研磨的完成为下一步抛光工作奠定了基础,并为大口径同、离轴非球面碳化硅反射镜的研磨提供了技术保障。