Φ124mm口径碳化硅质非球面镜面数控研抛技术研究

　　1　引　言

　　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,较高的导热系数和耐热冲击性,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,因此世界上各航天大国的研究者均将其列为空间光学遥感器优选的反射镜材料。目前,碳化硅材料的制造技术已经比较成熟,但碳化硅为多相陶瓷材料,其材质既硬且脆,所以,加工难度很大。从20世纪70年代开始,美国和俄罗斯相继开展碳化硅反射镜的加工研究,而且美国已经将其作为下一代空间望远镜的首选方案,目前正在加紧研究制备工作。国内中国科学院长春光学精密机械与物理研究所进行了反应烧结碳化硅的浮法抛光研究。

　　一直以来,很多非球面光学零件依赖技术熟练的工人通过反复地局部修抛和不断检测来完成,不仅成本高、效率低、劳动强度大,而且加工精度也无法保证,远远不能满足使用要求。长春光机所从1992年开始就开展了基于小磨头的数控加工技术的研究,并研制出第一代、第二代非球面数控光学加工中心。国际上,如美国的Rochester大学和德国LOH公司等,利用计算机自动控制技术,实现非球面元件的快速精密铣磨成型,并且能够保证光学零件具有较高的面形精度。

　　本文结合实际工程任务,依托德国LOH公司生产的SPM120SL非球面精密铣磨设备和自主开发研制的新型非球面抛光机,探讨如何对精密铣磨成型后的中小口径碳化硅质非球面元件进行超精密研磨抛光,使其满足了设计要求。

　　2　非球面数控研磨、抛光技术的理论基础

　　使用散粒磨料对光学材料进行研磨、抛光的物理过程比较复杂,很难找到和表面去除量有关参数之间的确定性数学关系,到目前为止对这个过程描述比较成功的数学模型还是Preston假设:

　　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压力;

　　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)。

　　在这个假设条件下,可以认为磨头与工件间相互作用的小区域内,磨头对工件表面材料的去除量与压力、相对速度以及驻留时间成正比。利用计算机的数字控制技术,精密控制多维机构职能部件的运动,从而实现用小工具磨头精密重复、多次修琢较大口径非球面元件表面,使被加工表面的面形精度逐步收敛,最终实现非球面元件的数控加工。

　　3　124 mm口径两面均为非球面碳化硅光学镜面加工工艺

　　3.1　加工手段

　　被加工元件两面均为非球面碳化硅材料,其参数为(R= 190, K= - 0.5; R= 127, K=-0.2),传统的人工修磨方法需要加工者有丰富的实践经验和良好的心理素质,通过反复修抛和不断检测完成,其加工周期长,重复精度不高。而该非球面碳化硅光学镜面相对口径接近1:1,传统的手工修抛技术对此无能为力。