真空自励研磨抛光工艺的研究

　　1　引　　言

　　空间光学系统中,元件的超薄化、高度轻量化以及离轴设计,已得到了光学工作者的特别重视。如何利用新工艺新技术解决这些元件的加工问题,是我们所面临的新挑战。

　　国际上空间光学发达的国家,如美国、俄罗斯等早在80年代,就开展了这方面的研究工作,曾成功的解决了2.4m哈勃太空望远镜和10m抛物镜面的数控加工,目前正着手于下一代太空间望远镜NGST中6m超薄镜面的研制工作,已取得初步的进展。长春光机所在数控加工技术的基础上,开展了对超薄元件的研磨抛光工具及工艺技术的研究,并将气体润滑和流体力学原理,引入光学加工,成功的克服了超薄镜面在加工中的传统磨头自身重力对工件表面的“施力”和“印痕”作用,有效地提高了元件的加工精度。

　　2　真空自励研磨抛光的基本原理

　　2.1　计算机控制表面抛光(CCOP)的基本原理

　　光学表面的精细研磨和抛光受多种因素影响,定量控制比较困难。在1927年由Preston首先提出了磨头工作的基本原理模型:

　　ΔZ(x,y) = kP(x,y)V(x,y) (1)

　　其中:

　　ΔZ(x,y)为磨头与工件接触区域中某点(x,y)单位时间内的材料去除量;

　　P(x,y)为磨头与工件间的相对正压力(既加工力);

　　V(x,y)为磨头与工件间的相对运动速度;

　　k为与加工过程有关的比例常数(温度、磨头材料等)

　　我们假设磨头的工作函数(去除函数)是单位工作时间内工件和磨头相互作用区域内材料平均去除量的分布函数,用R(x,y)表示,则有:

　　T为加工周期。再假设D(x,y)为磨头的驻留时间函数,它表示磨头中心在点(x,y)处的停留时间。这样,如果磨头在工件表面上移动并且在表面各区域停留相应的时间,然后将每一区域材料的去除量进行叠加即可确定整个工件表面的材料去除量的分布函数E(x,y),即:

　　式(3)表明在CCOP加工过程中,材料的去除量等于小磨头的工作函数R(x,y)与其停留时间函数D(x,y)沿其运动路径的卷积:

　　这是实现CCOP加工过程基本的原理模型.

　　2.2　真空自励研磨抛光的原理

　　2.2.1真空自励研磨抛光的工作方式

　　本装置依托于FSGJ-1非球面数控加工中心,自励磨头的工作方式示意图如图1,其中数控加工中心提供了工件的两维运动,一是X方向的移动,二是绕回转中心的转动,满足加工过程中磨头能覆盖整个工作表面,同时控制磨头在抛光表面每一点的停留时间。另一往复运动机构驱动自励磨头,在一定幅度下沿X轴方向的往复运动,实现磨头对表面的快速去除。实际的自励磨头研磨抛光装置如图2: