反应烧结碳化硅平面反射镜的光学加工

　　1　引　言

　　碳化硅是20世纪70年代发展起来的新型光学材料。由于碳化硅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,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[1~9]。我国在碳化硅材料研究方面已经比较成熟,但由于碳化硅的莫氏硬度高达9.25[10],在光学加工方面具有很大的难度,所以我国在碳化硅光学加工方面还是空白。运用H016型四轴透镜抛光机,采用自由研磨法和古典抛光法对100mm口径反应烧结碳化硅平面反射镜进行光学加工。加工完成后,其面形误差均方根值(RMS)小于(1/30)λ(λ=632.8nm),表面粗糙度的RMS优于1·5nm。

　　2　光学加工工艺与检测

　　由于H016型四轴透镜抛光机是被广泛使用的光学加工机床,所以其自由研磨法和古典抛光法加工平面镜的操作方法本文不再介绍,此处只对在加工反应烧结碳化硅平面反射镜时采用的工具、磨料、流程和工艺参数的选择进行描述。图1为碳化硅平面反射镜加工过程与相关检测方法的流程图。以下将按此流程图进行介绍。

　　2.1　粗磨成形

　　对工件直径为100mm、厚度为20mm的圆柱形反应烧结碳化硅镜体来说,由于镜体光学面的加工余量很大,且其粗糙度也很高,因此首先需要对其进行粗磨加工。采用的方法是自由研磨法:用两块相同的反应烧结碳化硅镜进行对研,磨料采用散粒碳化硅磨料,将磨料与水混合调匀,在研磨过程中不断的将调好的磨料加入磨具与工件之间,并以一定的压力和相对运动速度进行研磨。在理想状态下,研磨的效率与研磨的压力和相对运动速度成正比。但在实际研磨过程中,压力过大会造成碳化硅颗粒被压碎,使效率降低;速度过快会把磨料甩离磨具,同样使效率下降。在实际加工过程中采用的压力为60N,机床转速为45r/min。为了有效的去除上一道工序留下的凹凸层和下表面的破坏层,用150~125μm、125~106μm、106~75μm、90~63μm、75~53μm、63~40μm、53~30μm、40~20μm、20~10μm的碳化硅磨料依次进行研磨,每种粒径磨料研磨4h。在研磨过程中,每隔30min用刀刃平尺检查两块工件的面形,根据检测结果调节上下盘的位置和抛光机机头的摆距。粗磨结束后,碳化硅工件表面应比较均匀,而且略有光泽;用刀刃平尺检测时,刀刃与镜面之间应该没有光线漏过。

　　2.2　细磨抛光

　　选取两工件中面形较好的工件,采用古典抛光法抛光。磨具采用掺入松香的沥青盘;磨料是粒径为1~2μm的散粒金刚石微粉。在对碳化硅工件进行抛光时,其去除量也符合表面材料去除的数学模型,即Preston方程[11,12]: