金屬反射鏡超精密加工研究進展*

陳達任， 李占杰， 靳 剛， 戚厚軍， 馬蘇常

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學 天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津 300222)

0 引 言

超精密加工技術(shù)在國防建設(shè)與國民經(jīng)濟發(fā)展中具有不可替代的作用，它是現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭的重要支撐技術(shù)，也是現(xiàn)代基礎(chǔ)科學技術(shù)發(fā)展的重要保障，從某種意義上說，超精密加工技術(shù)是衡量一個國家科技實力的重要標志之一[1]。單點金剛石車削 (SPDT, single point diamond turning) 技術(shù)作為超精密加工技術(shù)的一個典型代表，具有良好的可控性，不僅可以獲得亞微米級的形狀精度，還可以獲得納米級的表面粗糙度，因而成為加工精密光學元器件最重要的方法之一。目前，大口徑反射鏡已成為光學系統(tǒng)主反射鏡的發(fā)展方向和趨勢，并廣泛應(yīng)用于空間光學、天文觀察、高功率激光技術(shù)等領(lǐng)域。因此，大口徑反射鏡的制造已經(jīng)成為當代科技前沿的關(guān)鍵支撐技術(shù)。隨著口徑加大，對制造工藝提出了更大挑戰(zhàn)。單點金剛石超精密車削大口徑金屬反射鏡時，由于多方面因素交互作用，使得已加工表面非常容易出現(xiàn)缺陷(例如劃傷、麻點、波紋等)，導致無法完全滿足光學系統(tǒng)的性能要求。如果被加工表面缺陷能夠得到有效控制，則對未來超大口徑反射式光學系統(tǒng)的發(fā)展具有重要軍事意義、經(jīng)濟意義和社會意義。

為了能在金屬反射鏡上高效率地獲得高精度、納米級表面質(zhì)量和優(yōu)異的光學性能，國內(nèi)外學者主要分別從加工工藝和材料兩方面進行了研究。

1 金屬反射鏡在加工工藝方面的技術(shù)進展

超精密機床是實現(xiàn)超精密加工的關(guān)鍵載體，其可加工的面形精度正向深亞微米級精度發(fā)展，表面粗糙度正向亞納米級精度發(fā)展。這為金屬反射鏡的高精度、納米級表面加工提供了有力的保障。目前，超精密加工金屬反射鏡的工藝方法主要有單點金剛石車削、光學冷加工法和復制法等。

1.1 單點金剛石車削

1.1.1工藝因素的影響

(1) 工藝因素對面形精度的影響。美國Precitech公司Roblee[2]研究了單點金剛石車削過程中切削力和動態(tài)剛度、主軸、環(huán)境和外圍設(shè)備、定位系統(tǒng)、傳感器的分辨率以及平均化效應(yīng)等對形狀誤差的影響。Zhou和Ngoi[3]研究了超精密車削光學零件過程中形狀精度的影響因素，發(fā)現(xiàn)金剛石刀具安裝高度誤差對形狀精度有重要影響。宮虎等人[4]提出了基于符號數(shù)學的超精密加工路徑規(guī)劃CAM系統(tǒng)的新方法，可有效地避免不同CAM系統(tǒng)曲面表達方式的轉(zhuǎn)換帶來的誤差。關(guān)朝亮等人[5]采用Zernike多項式擬合的方法處理慢刀伺服車削加工的誤差，提高了自由曲面車削加工精度。

(2) 工藝因素對表面完整性的影響。Cheung和Lee[6]研究了超精密車削鋁和銅時影響表面粗糙度的工藝因素，實驗結(jié)果表明，工藝因素對粗糙度的影響可以降低到最小甚至消除。Wang等人[7]研究了單點金剛石車削鋁合金Al6061過程中刀尖的小振幅高頻振動對表面生成的影響。尹自強和李圣怡[8]研究了超精密車削表面三維微觀形貌仿真及特征分析，李麗偉等人[9]也做了相關(guān)研究并得出超精密加工表面形貌的形成由實際粗糙度表面與波紋度表面及幾何形狀特征表面疊加而成。苗忠等人[10]對單點金剛石車削表面的劃傷機理進行了分析研究, 并將其劃傷過程概括為四種狀態(tài): 摩擦、鑲嵌、劃溝、脫落。王雁飛[11]研究了金剛石車削光學自由曲面的刀具軌跡規(guī)劃和表面形貌評價，對粗糙度不同的三維誤差表面進行了二維功率譜分析。Komanduri等人[12]研究了晶向、切削方向以及刀具前角對納米級切削單晶鋁的影響。Lin等人[13]提出一種基于有限元分析法的形狀函數(shù)和分子動力學技術(shù)相結(jié)合的方法，用于納米級切削單晶銅過程中切屑形成、應(yīng)變和應(yīng)力分布的仿真。

(3) 工藝因素對光學性能的影響。Li等人[14]通過超精密車削加工和光學實驗分析了不同加工方式中條件變化對表面的刀痕殘留高度、反射光強度、一極大散射光強度的影響。房豐洲教授等人[15]利用閾值分析和Stratton-Chu電場積分法研究了SPDT加工錐形光學反射鏡時產(chǎn)生的表面微觀形貌對光學性能的影響以及表面微觀形貌與切削參數(shù)之間的關(guān)系。目前，傳統(tǒng)單點金剛石車削技術(shù)在紅外光學系統(tǒng)應(yīng)用中已經(jīng)得到廣泛認可，但在可見和紫外光學系統(tǒng)應(yīng)用中還無法完全滿足要求。美國Corning公司開發(fā)了一種LEC工藝[16]，可以直接超精密車削出超光滑表面，同時消除了金剛石刀痕及其所產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象，但此技術(shù)仍處于保密狀態(tài)。

1.1.2刀具幾何形狀的影響及刀具磨損的控制方法

(1) 刀具幾何形狀對加工精度、表面完整性和光學性能的影響。Komanduri等人[17]運用分子動力學研究了不同刃口半徑和切削深度對切削力、亞表面變形等的影響。王毅和余景池[18]提出利用車削表面面形誤差擬合后的Zernike多項式系數(shù)對刀具刃口誤差進行加工補償并取得了較好效果。袁哲俊教授等人[19]研究了單點金剛石車削鋁合金時刃口鋒利程度對最小切削厚度以及鋁合金工件表面粗糙度、微觀硬度、殘余應(yīng)力和位錯密度的影響。Zhao等人[20]研究了圓弧形刀具和半圓弧形刀具加工鏡面的散射問題，發(fā)現(xiàn)相同加工參數(shù)下，半圓弧形刀具切削得到的超精密加工表面散射更嚴重。

(2) 刀具磨損及其控制方法。單晶金剛石刀具切削有色金屬方面的研究：趙清亮教授等人[21]對金剛石車刀在切削銅和鋁合金時的不同磨損機理進行了實驗研究和理論分析，并提出了控制刀具磨損的相應(yīng)策略。Zhou等人[22]研究了超精密切削Al 6061時幾何關(guān)系對刀具磨損的影響，發(fā)現(xiàn)金剛石各向異性和切削速度變化的交互作用對刀具不均勻磨損有重要影響。梁迎春教授等人[23]指出為了建立更切合實際的仿真模型，應(yīng)該對勢函數(shù)、多尺度仿真以及刀具加工表面變形和固-液界面間相互作用時刀具磨損情況進行深入研究。董國軍博士[24]建立了金剛石刀具切削鋁的分子動力學仿真模型，對金剛石刀具的磨損進行動態(tài)模擬。Lane等人[25]研究了超精密車削Al 6061時的刀具磨損，定量得出了拱形磨損系數(shù)為0.057 μm3N-1m-1。

單晶金剛石刀具切削黑色金屬方面的研究：Narulkar等人[26]利用分子動力學仿真觀察到了金剛石石墨化的過程。周明教授[27]深入研究了單晶金剛石刀具切削鋼鐵材料時的磨損機理，認為熱-力耦合作用將是未來研究的重點。Moriwaki和Shamoto[28]在超精密加工領(lǐng)域提出超聲振動切削方法來減少金剛石刀具和工件的接觸時間，取得了較好的加工效果。Brinksmeier教授等人[29]發(fā)現(xiàn)氮化鐵層對金剛石刀具磨損有顯著抑制作用。房豐洲教授課題組[30]深入研究了表面改性方法并提出一種新型模具鋼材料。郭東明院士課題組[31]提出了一種多勢能函數(shù)耦合疊加方法，構(gòu)建了模具鋼類多元合金原子間的勢能模型，為金剛石切削鋼鐵材料磨損機理的分子動力學研究提供了基礎(chǔ)。

1.2 光學冷加工

光學冷加工是用金屬加工機床精密切削金屬反射鏡面后，再對其進一步磨拋。Moeggenborg等人[32]使用化學機械拋光方法將鋁平面鏡拋光至平均表面粗糙度值在0.4 到1 nm之間，但是這種方法還不能夠應(yīng)用到三維拋光。Horst等人[33]報道了關(guān)于AA6061超精密拋光技術(shù)的研究以及在大尺寸光學反射鏡上的應(yīng)用。Carrigan等人[34]總結(jié)回顧了光學鋁的超精密拋光技術(shù)發(fā)展過程，比較了不同時期的拋光技術(shù)成果，并提出了第四代鋁合金拋光技術(shù)。孫濤教授課題組[35]對殘留的進給走刀痕跡進行了拋光去除研究并得出了影響工件表面拋光效果和加工效率的主要因素。Beaucamp等人[36]利用水射流拋光的方法來降低非電解鎳表面散射，拋光后存在于鏡面表面的周期性刀痕消失。Li等人[37]對非電解鎳鏡面分別采用磁流變拋光技術(shù)、離子束修形技術(shù)以及計算機控制光學表面處理技術(shù)，對比了刀痕去除效果。潘龍等人[38]研究了拋光介質(zhì)和加工參數(shù)對自由曲面鋁合金超精密拋光結(jié)果的影響。

1.3 復制法

復制法制作輕質(zhì)金屬反射鏡，是用環(huán)氧膠將很薄的光學反射膜從母板反貼到所需要的輕質(zhì)金屬基體上，制備出達到光學質(zhì)量要求的各種反射鏡。該技術(shù)是美國70年代開始發(fā)展起來的主要用在人造衛(wèi)星、XM主戰(zhàn)坦克、戰(zhàn)術(shù)導彈紅外尋的頭、陶式反坦克導彈等軍用產(chǎn)品上制作各種反射鏡，對美國航天與軍事技術(shù)的發(fā)展有一定的促進作用。我國是80年代開始研究該類反射鏡，先后復制出了各種復曲面，離軸非球面，環(huán)帶球面，鋁基體反射式調(diào)制盤等輕質(zhì)金屬反射鏡。

2 金屬反射鏡在材料方面的技術(shù)進展

從材料入手，各國學者主要研究了材料物理特性、工件表面鍍層以及快速冷凝鑄造合金對超精密加工表面質(zhì)量和光學性能的影響。

2.1 材料物理特性

Cheung和Lee[6]研究了材料的各向異性、膨脹和晶向?qū)Υ植诙鹊挠绊?，得出僅通過優(yōu)化工藝參數(shù)和機床設(shè)計無法使之降到最低，還通過快速傅立葉譜分析定量研究了金剛石單點車削表面的膨脹率。Revel 等人[39]對鋁合金超精密車削后的表面粗糙度和結(jié)構(gòu)演變進行了表征研究，發(fā)現(xiàn)合金中的硬質(zhì)沉淀物對粗糙度有重要影響。Tauhiduzzaman 和Veldhuis[40]研究了單點金剛石車削鋁合金時表面生成過程，發(fā)現(xiàn)硬晶粒邊界引起的材料誘發(fā)振動對表面粗糙度有重要影響。于勁等人[41]研究了無氧銅反射鏡的SPDT技術(shù)及再結(jié)晶退火溫度對其表面反射率的影響。

2.2 工件表面鍍層

Arnold等人[42]在鎳材料表面獲得一層鎳磷合金，發(fā)現(xiàn)金剛石車削鎳磷合金層時刀具磨損隨著含磷量和結(jié)晶度的增加而減?。籔ramanik等人[43]研究了超精密車削刀具磨損對非電解鎳表面質(zhì)量的影響和刀具前角、磷含量和切削深度對刀具磨損、表面粗糙度和形貌的影響。姜偉等人[44]對大口徑光學反射鏡化學鍍鎳-磷合金工藝及質(zhì)量進行了研究。Furushiro等人[45]采用靜態(tài)腐蝕試驗和分子動力學計算研究了鎳-磷和鎳對金剛石刀具磨損的影響。

2.3 快速冷凝鑄造合金

為提高材料的力學性能，荷蘭代爾夫特大學材料實驗室開始研究熔體旋轉(zhuǎn)快速冷凝鑄造法(RSP, Rapid solidification processing)。與傳統(tǒng)鑄造方法相比，熔體旋轉(zhuǎn)法的冷卻速度可達106 K/s，用此工藝生產(chǎn)的鋁合金(RSA, rapidly solidified aluminium)晶?？梢约毣? μm(傳統(tǒng)鋁合金晶粒尺寸在10～20 μm)、大小分布均勻、沒有額外枝晶、強度和硬度顯著提高[46]。Gubbels等人[47]研究了RSA6061鋁合金的單點金剛石可切削性和光學性能，把RSA6061的優(yōu)越性歸結(jié)為材料在硬度、晶體結(jié)構(gòu)和晶粒尺寸上的差異；在光學性能方面，RSA6061和傳統(tǒng)AA6061反射率幾乎相同，顯著優(yōu)于鍍鎳層的反射率。Horst等人[48]進一步對RSA6061進行了適當熱處理、改善了其中部分成分的數(shù)量和尺寸，結(jié)合優(yōu)化的切削參數(shù)，直接超精密車削獲得了Ra1 nm的表面粗糙度，在切削35 km后刀具沒有明顯磨損。

為了能在金屬反射鏡上獲得超光滑表面和良好光學性能，國內(nèi)外學者圍繞加工工藝和材料方面做了大量研究工作，并取得了一定進展。表1對各種方法進行了歸納和總結(jié)。

3 結(jié) 語

目前，隨著金屬反射鏡在社會上應(yīng)用方面逐漸增加，對金屬反射鏡的超精密加工方法越來越多。單點金剛石車削技術(shù)以其高精度、高效性備受青睞，但其加工工藝仍需要深入研究；而材料自身性能的影響已經(jīng)成為阻礙獲得超光滑表面和優(yōu)良光學性能的重要原因，對其研究剛剛起步。晶粒結(jié)構(gòu)、晶向和晶粒尺寸以及合金沉積物等材料自身性能與金剛石可切削性之間的關(guān)系仍未被完全理解，材料微觀組織結(jié)構(gòu)及其物理化學特性對超精密加工工藝和光學性能影響需要再進行深入研究。

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