金属反射镜超精密加工研究进展*

陈达任， 李占杰， 靳 刚， 戚厚军， 马苏常

(天津职业技术师范大学 天津市高速切削与精密加工重点实验室，天津 300222)

0 引 言

超精密加工技术在国防建设与国民经济发展中具有不可替代的作用，它是现代高技术战争的重要支撑技术，也是现代基础科学技术发展的重要保障，从某种意义上说，超精密加工技术是衡量一个国家科技实力的重要标志之一[1]。单点金刚石车削 (SPDT, single point diamond turning) 技术作为超精密加工技术的一个典型代表，具有良好的可控性，不仅可以获得亚微米级的形状精度，还可以获得纳米级的表面粗糙度，因而成为加工精密光学元器件最重要的方法之一。目前，大口径反射镜已成为光学系统主反射镜的发展方向和趋势，并广泛应用于空间光学、天文观察、高功率激光技术等领域。因此，大口径反射镜的制造已经成为当代科技前沿的关键支撑技术。随着口径加大，对制造工艺提出了更大挑战。单点金刚石超精密车削大口径金属反射镜时，由于多方面因素交互作用，使得已加工表面非常容易出现缺陷(例如划伤、麻点、波纹等)，导致无法完全满足光学系统的性能要求。如果被加工表面缺陷能够得到有效控制，则对未来超大口径反射式光学系统的发展具有重要军事意义、经济意义和社会意义。

为了能在金属反射镜上高效率地获得高精度、纳米级表面质量和优异的光学性能，国内外学者主要分别从加工工艺和材料两方面进行了研究。

1 金属反射镜在加工工艺方面的技术进展

超精密机床是实现超精密加工的关键载体，其可加工的面形精度正向深亚微米级精度发展，表面粗糙度正向亚纳米级精度发展。这为金属反射镜的高精度、纳米级表面加工提供了有力的保障。目前，超精密加工金属反射镜的工艺方法主要有单点金刚石车削、光学冷加工法和复制法等。

1.1 单点金刚石车削

1.1.1工艺因素的影响

(1) 工艺因素对面形精度的影响。美国Precitech公司Roblee[2]研究了单点金刚石车削过程中切削力和动态刚度、主轴、环境和外围设备、定位系统、传感器的分辨率以及平均化效应等对形状误差的影响。Zhou和Ngoi[3]研究了超精密车削光学零件过程中形状精度的影响因素，发现金刚石刀具安装高度误差对形状精度有重要影响。宫虎等人[4]提出了基于符号数学的超精密加工路径规划CAM系统的新方法，可有效地避免不同CAM系统曲面表达方式的转换带来的误差。关朝亮等人[5]采用Zernike多项式拟合的方法处理慢刀伺服车削加工的误差，提高了自由曲面车削加工精度。

(2) 工艺因素对表面完整性的影响。Cheung和Lee[6]研究了超精密车削铝和铜时影响表面粗糙度的工艺因素，实验结果表明，工艺因素对粗糙度的影响可以降低到最小甚至消除。Wang等人[7]研究了单点金刚石车削铝合金Al6061过程中刀尖的小振幅高频振动对表面生成的影响。尹自强和李圣怡[8]研究了超精密车削表面三维微观形貌仿真及特征分析，李丽伟等人[9]也做了相关研究并得出超精密加工表面形貌的形成由实际粗糙度表面与波纹度表面及几何形状特征表面叠加而成。苗忠等人[10]对单点金刚石车削表面的划伤机理进行了分析研究, 并将其划伤过程概括为四种状态: 摩擦、镶嵌、划沟、脱落。王雁飞[11]研究了金刚石车削光学自由曲面的刀具轨迹规划和表面形貌评价，对粗糙度不同的三维误差表面进行了二维功率谱分析。Komanduri等人[12]研究了晶向、切削方向以及刀具前角对纳米级切削单晶铝的影响。Lin等人[13]提出一种基于有限元分析法的形状函数和分子动力学技术相结合的方法，用于纳米级切削单晶铜过程中切屑形成、应变和应力分布的仿真。

(3) 工艺因素对光学性能的影响。Li等人[14]通过超精密车削加工和光学实验分析了不同加工方式中条件变化对表面的刀痕残留高度、反射光强度、一极大散射光强度的影响。房丰洲教授等人[15]利用阈值分析和Stratton-Chu电场积分法研究了SPDT加工锥形光学反射镜时产生的表面微观形貌对光学性能的影响以及表面微观形貌与切削参数之间的关系。目前，传统单点金刚石车削技术在红外光学系统应用中已经得到广泛认可，但在可见和紫外光学系统应用中还无法完全满足要求。美国Corning公司开发了一种LEC工艺[16]，可以直接超精密车削出超光滑表面，同时消除了金刚石刀痕及其所产生的衍射现象，但此技术仍处于保密状态。

1.1.2刀具几何形状的影响及刀具磨损的控制方法

(1) 刀具几何形状对加工精度、表面完整性和光学性能的影响。Komanduri等人[17]运用分子动力学研究了不同刃口半径和切削深度对切削力、亚表面变形等的影响。王毅和余景池[18]提出利用车削表面面形误差拟合后的Zernike多项式系数对刀具刃口误差进行加工补偿并取得了较好效果。袁哲俊教授等人[19]研究了单点金刚石车削铝合金时刃口锋利程度对最小切削厚度以及铝合金工件表面粗糙度、微观硬度、残余应力和位错密度的影响。Zhao等人[20]研究了圆弧形刀具和半圆弧形刀具加工镜面的散射问题，发现相同加工参数下，半圆弧形刀具切削得到的超精密加工表面散射更严重。

(2) 刀具磨损及其控制方法。单晶金刚石刀具切削有色金属方面的研究：赵清亮教授等人[21]对金刚石车刀在切削铜和铝合金时的不同磨损机理进行了实验研究和理论分析，并提出了控制刀具磨损的相应策略。Zhou等人[22]研究了超精密切削Al 6061时几何关系对刀具磨损的影响，发现金刚石各向异性和切削速度变化的交互作用对刀具不均匀磨损有重要影响。梁迎春教授等人[23]指出为了建立更切合实际的仿真模型，应该对势函数、多尺度仿真以及刀具加工表面变形和固-液界面间相互作用时刀具磨损情况进行深入研究。董国军博士[24]建立了金刚石刀具切削铝的分子动力学仿真模型，对金刚石刀具的磨损进行动态模拟。Lane等人[25]研究了超精密车削Al 6061时的刀具磨损，定量得出了拱形磨损系数为0.057 μm3N-1m-1。

单晶金刚石刀具切削黑色金属方面的研究：Narulkar等人[26]利用分子动力学仿真观察到了金刚石石墨化的过程。周明教授[27]深入研究了单晶金刚石刀具切削钢铁材料时的磨损机理，认为热-力耦合作用将是未来研究的重点。Moriwaki和Shamoto[28]在超精密加工领域提出超声振动切削方法来减少金刚石刀具和工件的接触时间，取得了较好的加工效果。Brinksmeier教授等人[29]发现氮化铁层对金刚石刀具磨损有显著抑制作用。房丰洲教授课题组[30]深入研究了表面改性方法并提出一种新型模具钢材料。郭东明院士课题组[31]提出了一种多势能函数耦合叠加方法，构建了模具钢类多元合金原子间的势能模型，为金刚石切削钢铁材料磨损机理的分子动力学研究提供了基础。

1.2 光学冷加工

光学冷加工是用金属加工机床精密切削金属反射镜面后，再对其进一步磨抛。Moeggenborg等人[32]使用化学机械抛光方法将铝平面镜抛光至平均表面粗糙度值在0.4 到1 nm之间，但是这种方法还不能够应用到三维抛光。Horst等人[33]报道了关于AA6061超精密抛光技术的研究以及在大尺寸光学反射镜上的应用。Carrigan等人[34]总结回顾了光学铝的超精密抛光技术发展过程，比较了不同时期的抛光技术成果，并提出了第四代铝合金抛光技术。孙涛教授课题组[35]对残留的进给走刀痕迹进行了抛光去除研究并得出了影响工件表面抛光效果和加工效率的主要因素。Beaucamp等人[36]利用水射流抛光的方法来降低非电解镍表面散射，抛光后存在于镜面表面的周期性刀痕消失。Li等人[37]对非电解镍镜面分别采用磁流变抛光技术、离子束修形技术以及计算机控制光学表面处理技术，对比了刀痕去除效果。潘龙等人[38]研究了抛光介质和加工参数对自由曲面铝合金超精密抛光结果的影响。

1.3 复制法

复制法制作轻质金属反射镜，是用环氧胶将很薄的光学反射膜从母板反贴到所需要的轻质金属基体上，制备出达到光学质量要求的各种反射镜。该技术是美国70年代开始发展起来的主要用在人造卫星、XM主战坦克、战术导弹红外寻的头、陶式反坦克导弹等军用产品上制作各种反射镜，对美国航天与军事技术的发展有一定的促进作用。我国是80年代开始研究该类反射镜，先后复制出了各种复曲面，离轴非球面，环带球面，铝基体反射式调制盘等轻质金属反射镜。

2 金属反射镜在材料方面的技术进展

从材料入手，各国学者主要研究了材料物理特性、工件表面镀层以及快速冷凝铸造合金对超精密加工表面质量和光学性能的影响。

2.1 材料物理特性

Cheung和Lee[6]研究了材料的各向异性、膨胀和晶向对粗糙度的影响，得出仅通过优化工艺参数和机床设计无法使之降到最低，还通过快速傅立叶谱分析定量研究了金刚石单点车削表面的膨胀率。Revel 等人[39]对铝合金超精密车削后的表面粗糙度和结构演变进行了表征研究，发现合金中的硬质沉淀物对粗糙度有重要影响。Tauhiduzzaman 和Veldhuis[40]研究了单点金刚石车削铝合金时表面生成过程，发现硬晶粒边界引起的材料诱发振动对表面粗糙度有重要影响。于劲等人[41]研究了无氧铜反射镜的SPDT技术及再结晶退火温度对其表面反射率的影响。

2.2 工件表面镀层

Arnold等人[42]在镍材料表面获得一层镍磷合金，发现金刚石车削镍磷合金层时刀具磨损随着含磷量和结晶度的增加而减小；Pramanik等人[43]研究了超精密车削刀具磨损对非电解镍表面质量的影响和刀具前角、磷含量和切削深度对刀具磨损、表面粗糙度和形貌的影响。姜伟等人[44]对大口径光学反射镜化学镀镍-磷合金工艺及质量进行了研究。Furushiro等人[45]采用静态腐蚀试验和分子动力学计算研究了镍-磷和镍对金刚石刀具磨损的影响。

2.3 快速冷凝铸造合金

为提高材料的力学性能，荷兰代尔夫特大学材料实验室开始研究熔体旋转快速冷凝铸造法(RSP, Rapid solidification processing)。与传统铸造方法相比，熔体旋转法的冷却速度可达106 K/s，用此工艺生产的铝合金(RSA, rapidly solidified aluminium)晶粒可以细化到1 μm(传统铝合金晶粒尺寸在10～20 μm)、大小分布均匀、没有额外枝晶、强度和硬度显著提高[46]。Gubbels等人[47]研究了RSA6061铝合金的单点金刚石可切削性和光学性能，把RSA6061的优越性归结为材料在硬度、晶体结构和晶粒尺寸上的差异；在光学性能方面，RSA6061和传统AA6061反射率几乎相同，显著优于镀镍层的反射率。Horst等人[48]进一步对RSA6061进行了适当热处理、改善了其中部分成分的数量和尺寸，结合优化的切削参数，直接超精密车削获得了Ra1 nm的表面粗糙度，在切削35 km后刀具没有明显磨损。

为了能在金属反射镜上获得超光滑表面和良好光学性能，国内外学者围绕加工工艺和材料方面做了大量研究工作，并取得了一定进展。表1对各种方法进行了归纳和总结。

3 结 语

目前，随着金属反射镜在社会上应用方面逐渐增加，对金属反射镜的超精密加工方法越来越多。单点金刚石车削技术以其高精度、高效性备受青睐，但其加工工艺仍需要深入研究；而材料自身性能的影响已经成为阻碍获得超光滑表面和优良光学性能的重要原因，对其研究刚刚起步。晶粒结构、晶向和晶粒尺寸以及合金沉积物等材料自身性能与金刚石可切削性之间的关系仍未被完全理解，材料微观组织结构及其物理化学特性对超精密加工工艺和光学性能影响需要再进行深入研究。

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