大口径碳化硅平面反射镜的数控研磨与在线检测

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大口径轻质SiC反射镜的研究与应用

第7卷　第4期2014年8月　中国光学 Chinese Optics Vol.7　No.4Aug.2014 收稿日期:2014⁃03⁃25;修订日期:2014⁃05⁃18文章编号　2095⁃1531(2014)04⁃0552⁃07大口径轻质SiC 反射镜的研究与应用赵汝成1,2∗,包建勋1,2(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;2.光学系统先进制造技术中国科学院重点实验室,吉林长春130033)摘要:介绍了大口径轻质碳化硅反射镜镜坯的基本结构、性能测试指标、国内应用及发展前景;阐述了碳化硅凝胶注模成型(Gel⁃casting)、反应烧结SiC(RB⁃SiC)与压力成型、常压烧结SiC(SSiC)两种国内主要制备大口径轻质碳化硅反射镜的方法;并对两种方法制备得到的ϕ1.45m 碳化硅镜坯的性能、测试数据及光学加工后的光学特性进行分析和比对,提出存在的问题,以供商榷,进而促进国内大口径轻质碳化硅反射镜的研究和发展。

关　键　词:碳化硅;大口径碳化硅反射镜;制造工艺中图分类号:TH743 文献标识码:A doi:10.3788/CO.20140704.0552Investigation and application of large scale lightweight SiC mirrorZHAO Ru⁃cheng 1,2∗,BAO Jian⁃xun 1,2(1.Changchun Institute of Optics ,Fine Mechanics and Physics ,Chinese Academy of Sciences ,Changchun 130033,China ;2.Key Lab of Optics System Advanced Manufacturing Technology ,Chinese Academy of Sciences ,Changchun 130033,China )∗Corresponding author ,E⁃mail :zhaoruchengciomp@Abstract :The structures,performances and applications of large scale lightweight SiC mirror blank were in⁃troduced.Two fabricating process dominating in our country,namely gel⁃casting forming followed by reaction sintering(RB⁃SiC)and Sintered Silicon Carbide(SSiC)via pressure molding and pressureless sintering,wereelaborated which were adopted to produce ϕ1.45m lightweight SiC mirrors.By comparing the performances,testing results and optical properties SiC mirrors fabricated via two different processes mentioned above,we an⁃alyse the problems existing in the fabricating process to further improve the development of large scale light⁃weight SiC mirror.Key words :SiC;large scale SiC mirror;fabricating processing1　引　言随着空间科学研究的迅猛发展,涉及深空探测、天文光学及对地观测等领域的研究已成为发达国家的一个主要研究目标。

大口径碳化硅材料凸非球面反射镜的检验

第１卷ห้องสมุดไป่ตู้６
第１期２
光学精密工程
ＯｐｔｃｎｅｉｉｎＥｎｎｅｒｎｉｓａｄＰｒｃｓｏｇｉｅｉｇ
Ｖｏ．１Ｎｏ．２１６１Ｄｅ．２０８ｅＯ
２００８年１２月
文章编号
１０ — ２Ｘ（０８１ — ４１００４９４２０）２２９－６
关键词：非球面镜；化硅反射镜；凸碳零位检验；偿器设计补
中图分类号：ＴＨＴ３Ｔ１６０；Ｑ１．７
文献标识码：Ａ
ＴｅｔｎｅｈｄｏａｇｐｒｕｅｃｎｖｘＳＣｓｈｒｓｉｇｍｔｏｓｆｒｌｒｅａｅｔｒｏｅｉａｐｅｅｍ
ＡｂｔａｔｎｏｒｅｏｔｓａｇｅａｒｕｒＣｏｅｓｓｒｃ：ＩｄｒｔｅｔａｌｒｐｅｔｅＳｉｃｎｖｘａｐｈｅｅ，ｔｎａｔｇｍａｉｌｔｓｉｇｍｅｈｏｒｈｅａｓｉｔｃｎｕｌｅｔｎｔｄｓａｌｌｎｓｃｎｄｎｕｌｅｏｍｐｅａｏｅｔｎｔｄａｅａｌｚｄＡｆｅｏｍｐｒｓｎ，ｈｅｎｌｌｎｏｐｎｓｔｒｎｓｔｒｔｓｉｇｍｅｈｏｒｎａｙｅ．ｔｒｃａｉｏｔｕｌｅｓｃｍｅａｏｔｓｉｇｍｅｈｏｓｓｌｃｅｏｕｓｎｔｓｉｇｔｅａｐｈｒｒｏｎｄａｎｕｌｌｎｓｃｍｐｎａｏｏａｇｅｔｎｔｄｉｅｅｔｄｔｅｉｅｔｎｈｓｅｅｍｉｒｒａｌｅｏｅｓｔｒｆｒｌｒｅＳＣｏｖｅｓｈｅｅｉｓｇｄ．ＴｈｓｇｅｕｔｎｃｔｈｔｔｒｃｓｏｆｔｙｔｍｓＰＶ：ｉｃｎｘａｐｒｓｄｅｉｎｅｅｄｅｉｎｒｓｌｓｉｄｉａｅｔａｈｅｐｅｉｉｎｏｈｅｓｓｅｉ０．８２ＲＭＳ：．０２９一６２．００Ｘ，００Ｘ（３８ｎｍ）ＡａｇｅａｒｕｅＺｙｎｅｆｒ．ｌｒｐｅｔｒｇｏｉｔｒｅｏｍｅｅｓｕｅｎｔｓｉｇｔｔｒｉｓｄｉｅｔｎｈｅｌｒｐｅｔｒｉｒｒｔｉｌｔｓｉｇｒｓｌｓｉ．２（ａｇｅａｒｕｅｍｒｏ，ｈｅｆｎａｅｔｎｅｕｔｓ００２ＲＭＳ）．ＰｒｐｏｅｓｇｎｍｅｈｏｓｕｖｒａｏｓｄｄｅｉｔｄｉｎｉｅｓｌａｄｔｅｉｅｕｌｓｃｎｂｅｕｅｎｔｏｐｎａｏｅｉｏｈｒｃｎｖｘＳｉｍｉｒｒ．ｓｉｇｒ — ｎｈｅｄｓｇｎｒｓｔａｓｄｉｈｅｃｍｅｓｔｒｄｓｇｎｆｒｏｔｅｏｅＣｒｏｓＴｅｔｎｅｓｔｓｏｈｔｔｏｖｅｓｅｅｈｓｂｅｍｐｒｖｄ，ａｄｔｅｓｌｃｉｎａｐｃｓｏｔｒａ，ｄｓｇｎｕｌｈｗｓｔａｈｅｃｎｘａｐｈｒａｅｎｉｏｅｎｈｅｅｔｏｓｅｔｆｍａｅｉｌｅｉ

空间用碳化硅反射镜的设计制造与测试

捌谚
（ｃ）正六边形结构
（ｃ）Ｈｅｘａｇｏｎｃｅｌｌ
卫⑨
口口工二皿
剖面爿．Ａ
蛾册
（ｄ）扇形结构
（ｄ）Ｓｅｃｔｏｒｃｅｌｌ
图１空间用碳化硅反射镜结构示意图
Ｆｉｇ．１ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓｋｅｔｃｈｏｆＳｉＣｓｐａｃｅ－ｂｏｒｎｅｍｉｒｒｏｒ
（ａ）三角形结构
（ａ）Ｔｒｉａｎｇｌｅｃｅｌｌ
ＵＯ
ＯＯ
０
０
Ｕ
Ｏ一
∞
∽
Ｕ
０Ｉ膏挈最Ｏ
罚
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∞∞鲫∞吣∞ Ｏ
㈧置
鼍
０２０
４０
６０
８０
２０／（。）
（ａ）反应烧结碳化硅
（ａ）ＲＢ－ＳｉＣ
图２空间用碳化硅反射镜制备工艺示意图
Ｆｉｇ．２
ＰｒｅｐａｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｓｋｅｔｃｈｏｆＳｉＣｓｐａｃｅ—
ｂｏｒｎｅｍｉｒｒｏｒ
空间用碳化硅反射镜的制备工艺过程如图２所示。通过这种工艺，能够制备直径将近１Ｉｎ的空间用反应烧结碳化硅反射镜体，同时制造出直径为２５０ｍｍ的六边形蜂窝状加强筋结构的圆形平面反射镜镜片，用来证明整个工艺过程的可行性，并对其进行了各项性能的测试。
组织，薄膜为单相ＳｉＣ，反射镜的机械、热性能优异，薄膜与基体结合强度为３４５．５ＭＰａ，研磨后镜面表面粗糙度达到
１．４８７ｎｍｒｍｓ。采用本文工艺方法有能力制备米级直径的空间用碳化硅反射镜。
关键词：空间用反射镜；反应烧结；化学气相沉积；碳化硅；光学加工；光学检验
中图分类号：ＴＨ７０３
文献标识码：Ａ
表１侯选材料的机械性能和物理性能Ｔａｂ．１Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｅｌｅｃｔｅｄｍａｔｅｒｉａｌｓ

大口径碳化硅平面反射镜的数控研磨与在线检测

（ｉ）ｍｒｒａｅｍｎｏｅ．Ｔｅｍｃｉｅｏｌ，ａｒｓｅ，ｔｃｎｑｅａｄｔｔｇｍｅｏｓｄｉｔｅＳＣｉｏｅｔｎｄｈａｈｎ，ｔｓｂａｉｓｅｈｉｕｎｅｉｔｄｕｅｒｒｉｏｖｓｎｈｎｈ
ｇｎｉｇａｄｔｓｉｏｅｓａｅｉｔｏｃｄｒｓｅｔｖｌｉｒｄｎｅｔｐｒｃｓｎｒｄｕｅｅｐｃｉｅｙ．Ａｌｏｓｍｅｐｏｌｒｔｓｎｇｒｓｌｆｓｒａｅｆｇｒｎｎｇｒｓｏｒｆｅｅｔｅｕｔｏｕｆｃｕｅｉｉｓｉｒｉｅａｅｇｖｎ．Ｉ ’ ｈｗｎｔａｅｓｒａｅ＊ｇｒｅｋｔｉｙａｄｒｏｔＳｓｏｔｔｕｆｃｆｈｈｉｕｅｐａｏｖｌｌｎｏｔ—ｍｅ —ｓｕｒｒｅｕｅｒｍｎａｑａｅｗｅｅｒｄｃｄｆｏ
ＰａｅａｙＳｌｏａｂｄ（ｉｌｎｔｒｉｃｎＣｒｉｅＳＣ）Ｍｉｒｒｉｒｏ
ＮＵＨｉｎ，ＦＮＤ，ＺＥＧＬｇｎ，ＺＡＧＦｎ，ＺＮｕｊｎＩａａｙＡｉＨＮｉｏｇＨＮｅｇＨＡＧＸｅｕ
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４０ｍ × ８ｍ的船８ｍ２０ｍ
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（Ｖ）由初始的２．Ｐ１７微米收敛到
４６．２微米，均方根值（Ｍｓ由３７Ｒ）．Ｏ微米收敛到０５８米，并把轮廓检测结果与干涉检测结果进行了比较。．５微关键词：碳化硅反射镜；数控研磨；轮廓检测；面形精度

大口径碳化硅反射镜数控抛光工艺研究

［１］ＺｈｕＨｅｎｇ，ＬｉｕＸｉａｌａｉ，ＹａｎＤｉｎｇ — ＹａｏＡ．Ｓ．ＲａｐｉｄｆａｂｉｒｃａｔｉｏｎｏｆｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔＳｉＣｍｉｒｒｏｒｕｓｉｎｇＣＣＯＳ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ．２０１１，
＞
副恒
数控抛光加工次数
数控抛光加工次数
图５碳化硅加工过程中表面面形ＰＶ值和ＲＭＳ值收敛曲线图
科学意义采用国产ＯＰ１０００数控研磨抛光机床对一块６００ｍｍｘ４８０ｍｍ的方形碳化硅元件进行数控抛光加工，在经过两周的加工时间，碳化硅光学元件的通光口径ＲＭＳ值收敛到了３５ｎｍ（约为１／１８Ｌ，Ｌ＝６３２．８ｎｍ）；在加工过程中针对大口径椭圆形碳化硅反射镜采用了合适的加工参数；利用计算机控制数控加工技术使得高硬度大口径碳化硅反射镜实现了快速收敛；为碳化硅材料光学元件的批量成产打下了良好的基础。
２００７．６７２１：６７２ｌ０９．
、 ■ ＿＿．＿＿

２００６，６１４９：６１４９３１．
［３］ＺｈａｎｇＸｕｅｊｕｎ，ＺｈａｎｇＺｈｏｎｇｙｕ，ＬｉＺｈｉｌａｉ．Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇａｎｄｔｅｓｔｉｎｇｏｆ１－ｍｃｌａｓｓＳｉＣａｓｐｈｅｒｉｃａｌｍｉｒｒｏｒ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃ．ｏｆＳＰＩＥ．

空间用碳化硅反射镜的设计制造与测试

（ｅｔｏｏｏｉｔｒｌ，ｒｉｎｔｕｅｏｅｈｏｏｙ，Ｈａｂｎ１００，ｈｎ）ＣｎｅｆｒＣｍｐｓｔＭａｅｉｓＨａｂｎＩｓｔｔｆＴｃｎｌｇｒｅａｉｒｉ５０１Ｃｉａ
Ａｂｔａｔｉｃｎｃｒｉｅ（ｉｓｒｃ：ＳｌｏａｂｄＳＣ）ｉａｔｒｃｉｅｍｉｒｒｍａｅｉｌｕｏｉｕｅｉｒｍｅｈｎｃｌｎｈｒｉＳｎａｔａｔｖｒｏｔｒａｅｔｔｓｐｒｏｃａｉａｄｔｅ — ｄｓａｍａｈｓｃｌｒｐｒｉｓｃｍｐｒｄｔｏｖｎｉｎｌｐｉａｔｒｌ．Ｉｈｓｐｐｒａｓａｅｂｒｅｍｉｒｒｌｐｙｉａｏｅｔｅｏａｅｏｃｎｅｔａｔｃｌｐｏｏｍａｅｉｓｎｔｉａｅ，ｐｃ — ｏｎｒｏａｂａｋｗａａｒｃｔｄｂｅｃｉｎｂｎｅｉｃｎｃｒｉｅ（ — ｉ。ｎｕｌｄｎｉｙＳＣｔｉｉｗａｌｎｓｆｂｉａｅｙｒａｔｏｏｄｄｓｌｏａｂｄｉＲＢＳＣ）ａｄｆｌｅｓｔｉｈｎｆｌｍｓｃａｅｎｔｅｓｒａｅｏｉｏｌｎｙＣｈｒｉｌｐｒＤｅｏｉｉｎ（ｏｔｄｏｈｕｆｃｆｍｒｒｂａｋｂｅｎｃｒａＶａｏｐｓｔｏＣＶＤ）ｐｏｅｓＴｈｐｃｏｎｒｃｓ．ｅｓａｅｂｒｅｍｉｒｒｉｉｈｗｅｇｔｓｒｃｕｅｗｉｏｅｃｍｂｂｃｐｎｄＴｈｉｒｓｒｃｕｅａｄｐｏｅｔｅｆａｒｏｓｌｔｉｈｔｕｔｒｔｈｎｙｏａｋｏｅｅ．ｇｈｅｍｃｏｔｕｔｒｎｒｐｒｉｓｏ

大尺寸单晶硅反射镜超精密连续抛光和检测的研究的开题报告

大尺寸单晶硅反射镜超精密连续抛光和检测的研究的开题报告一、研究背景单晶硅反射镜具有广泛的应用场景，如在太阳能电池板、光纤通信、半导体制造等领域中，都需要使用到大尺寸单晶硅反射镜。

这些领域对单晶硅反射镜的品质和精度要求非常高，因此需要进行超精密的连续抛光和检测。

目前，对大尺寸单晶硅反射镜的超精密连续抛光和检测技术研究还存在一些问题，例如，传统的研磨和抛光技术难以达到高品质反射镜的抛光要求，同时，传统的检测方法也难以满足高精度的反射镜检测要求。

因此，有必要对大尺寸单晶硅反射镜超精密连续抛光和检测技术进行探究。

二、研究目的本研究旨在开发一种适用于大尺寸单晶硅反射镜的超精密连续抛光技术，并结合高精度的检测方法对反射镜进行品质评估。

具体包括以下几个方面：1. 探索适用于大尺寸单晶硅反射镜的超精密连续抛光方法，研究不同抛光参数对反射镜表面质量的影响。

2. 设计并实现一套高精度的反射镜表面质量检测系统，并与传统的检测方法进行比较。

3. 进行大尺寸单晶硅反射镜的连续抛光和检测实验，验证所提出的超精密连续抛光技术和检测方法的有效性和可靠性。

三、研究内容1. 大尺寸单晶硅反射镜的超精密连续抛光技术研究：（1）分析反射镜表面质量对反射性能的影响，探索抛光参数的合理选择。

（2）设计和制造适用于大尺寸单晶硅反射镜的超精密抛光设备，研究抛光工艺和参数。

（3）对抛光后的反射镜表面进行形貌和质量的表征和分析。

2. 高精度反射镜表面质量检测系统研究：（1）研究反射镜检测技术，分析不同检测方法及其优缺点。

（2）设计并实现一套高精度的反射镜表面质量检测系统。

（3）对比传统检测方法，对反射镜表面的平面度、粗糙度及其他质量指标进行评估。

3. 大尺寸单晶硅反射镜的连续抛光和检测实验：（1）进行大尺寸单晶硅反射镜准备工作。

（2）采用所研发的超精密连续抛光技术对反射镜进行抛光。

（3）使用所研发的高精度反射镜表面质量检测系统对抛光后的反射镜表面进行测试和评估，与传统检测方法进行比较。

大口径碳化硅轻质反射镜镜坯制造技术的研究进展

第３３卷第４期２００７年７月光学技术ＯＰＴＩＣＡＬＴＥＣＨＮＩＱＵＥＶｄ．３３Ｎｏ．４Ｊｕｌｙ２００７文章编号：１００２．１５８２（２００７）０４．０５１０．０４大口径碳化硅轻质反射镜镜坯制造技术的研究进展＋唐裕霞１，张舸２（１．重庆工商大学理学院，重庆４０００６７；２．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春１３００３３）摘要：比较了目前空间遥感相机中常用的四种反射镜镜体材料——仉Ｅ，Ｚｅｒｏｄｕｒ，铍（Ｂｅ）和碳化硅（ｓｉｃ）的各项性能。

结果表明：ＳｉＣ陶瓷具备比较明显的综合优势，是制备空间用反射镜的最佳候选材料。

阐述了碳化硅反射镜镜坯的四种制备工艺。

介绍了当前国内外碳化硅质轻型反射镜镜坯的发展情况。

关键词：碳化硅；轻型反射镜；制备工艺中图分类号：ＴＱｌ６文献标识码：ＡＴｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｉｎｌａｒｇｅｓｃａｌｅｌｉｇｈｔ－ｗｅｉｇｈｔｅｄＳｉＣｍｉｒｒｏｒｂｌａｎｋＴＡＮＧＹｕ－ｘｉａｌ．ＺＨＡＮＧＧ∥（１．ＴｈｅＳｄｅｎｃｅＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＢｕｓｉｎｅｓｓ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００６７，Ｃｈｉｎａ）（２．ＣｈａｎｇｃｈｕｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｉｃｓ，ＦｉｎｅＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＰｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｍｅｙｏｆＳｄｅｎｅｅ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００３３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｆｏｕｒｍａｔｅｒｉａｌｓｆｏｒｓｐａｏｅｃａｍｅｒａ，ｓｕｃｈ弱ＵＬＥ，Ｚｅｒｏｄｔｌｒ，Ｂｅａｎｄｓｉｌｉｃｏｎｃａｒｂｉｄｅ（ＳｉＣ），Ｒｔ＇ｅｒ埘ｒｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔ￥［ＫＹＷＳｔｈａｔｔｈｅｖａｒｉｅｔｙｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＳｉＣｅｘｃｅｌｌｅｎｔ．ａｎｄ∞ＳｉＣｃｅｒａｍｉｃｉｓｔｈｅｂｅａｔｍａｔｅｒｉａｌｆｏｒｓｐａｃｅｃａｍｅｒａｍｉｒｒｏｒ．ＦｏｕｒｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆＳｉＣａｎｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｌａｒｇｅｓｃａｌｅｌｉｇｈｔ－ｗｅｉｇｈｔｅｄＳｉＣｍｉｒｒｏｒｂｌａｎｋｉｎｈｏｎｌｅａｎｄａｂｒｏａｄｒｅｃｅｎｔｌｙｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｉｌｉｃｏｎｃａｒｂｉｄｅ；ｌｉｇｈｔ－ｗｅｉｇｈｔｅｄｍｉｒｒｏｒ；ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ１引言为了提高空间望远镜、遥感侦察相机等大型光学遥感系统的分辨率，通常采用长焦距和大相对孔径的全反式或折反式光学系统。

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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。