一种3D打印碳化硅反射镜的加工方法技术

本发明专利技术公开了一种3D打印碳化硅反射镜的加工方法，包括：对3D打印碳化硅工件进行磨削得到平整的工件表面，然后进行研磨以及粗抛光加工，得到满足初始面形与表面质量要求的反射镜面，再对反射镜面迭代进行磁流变修形以及保形光顺，直至满足指标要求。本发明专利技术的方法能够解决3D打印碳化硅反射镜加工过程中的多相组织去除不均匀等问题，克服了现有的碳化硅反射镜抛光技术的面形和表面质量的缺陷，实现了对3D打印碳化硅反射镜的超精密加工，加工面形精度高、表面质量质量好。表面质量质量好。表面质量质量好。

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印碳化硅反射镜的加工方法


[0001]本专利技术涉及一种光学元件的加工技术，具体涉及一种3D打印碳化硅反射镜的加工方法。

技术介绍

[0002]空间天文光学、卫星遥感技术的迅猛发展，对光学系统的工作波段、成像分辨率、热稳定性以及系统重量等指标提出了越来越严格的要求。选择合适的反射镜材料对满足这些指标具有重要意义，考虑到空间光学系统的制造、发射、运行成本以及工作环境，空间用反射镜材料的选择必须考虑以下几个方面：1)各向同性，尺寸稳定；2)镜体可以抛光，并能镀上高反射率膜层，良好的可抛光性则是反射镜材料的基本要求，尤其是用于可见光侦查时，良好的可抛光性是决定反射镜性能的重要指标；3)抗辐射，在空间辐射条件下反射镜面形精度保持不变，在空间工作环境下反射镜镜体会不断受到宇宙高能射线的辐射，辐射后反射镜应在形状和物理性质方面保持稳定，一般来说，原子系数低的材料辐射稳定性较好；4)选择比刚度大、热变形系数小的材料，比刚度大，则反射镜直径厚度比值可以增大，从而能够减少镜体以及框架的质量，此外，比刚度越大则轻量化率越高，从而能有效降低镜面的温度梯度，保证面形精度的稳定性，热变形系数小则能有效降低对于热控系统的要求，减少热控系统的质量与功耗。目前作为反射镜的材料主要有金属铝、金属铍、单晶硅、各种光学玻璃、复合材料、碳化硅等。从图1中我们可以看出，就比刚度而言，铍和碳化硅的比刚度远优于其它材料，铍加工时有毒，为防止在加工过程中其毒性给人体健康带来影响，需要采取一系列的防护措施，增加了制造成本，且碳化硅材料的热稳定性又远优于铍。因此碳化硅光学材料是制作空间反射镜的最佳材料。
[0003]由于碳化硅有质地脆、硬度大等特性，导致其难以加工成型，尤其是一些复杂结构(如为轻量化所设计的多孔结构)更是难以加工成型。传统方法制备碳化硅存在以下缺点：制备精度低，且难于制备形状复杂的制件，特别像反射镜这样的复杂制件，需要精密的加工模具和配套加工刀具，导致其制备成本高。采用3D打印技术可以克服以上困难，适合制备任何形状复杂的碳化硅反射镜，提高反射镜的轻量化率，缩短加工周期，降低加工成本，可实现近净成型。
[0004]3D打印碳化硅光学材料的组分众多，各相材料分布不均匀，如图2，其中含量最高的Si、SiC两种成分物理性质的差异较大，传统抛光方法在抛光过程中Si的去除速率较快而SiC则较慢，因而在两相成分交界之处形成微台阶，如图3所示，碳化硅表面存在的这种凹凸不平导致其直接抛光后获得的光学表面质量并不是很高。3D打印碳化硅光学材料中还存在打印粘结剂等杂质成分，孔隙率较高，影响材料致密度，如图4，杂质和孔隙的存在会对提高镜面表面质量产生不利影响。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种3D打印碳化硅反射镜
的加工方法，对3D打印碳化硅材料中的多相成分进行了比较均匀的去除，实现了对3D打印碳化硅反射镜的超精密加工，加工面形精度高、表面质量质量好。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]一种3D打印碳化硅反射镜的加工方法，包括：
[0008]1)对待加工的3D打印碳化硅工件进行磨削，得到平整的工件表面；
[0009]2)对经磨削的3D打印碳化硅工件进行小磨头研磨与粗抛光，得到满足初始面形与表面质量要求的3D打印碳化硅反射镜表面；
[0010]3)对3D打印碳化硅反射镜表面进行磁流变修形；
[0011]4)对3D打印碳化硅反射镜表面进行保形光顺；
[0012]5)检测3D打印碳化硅反射镜表面是否满足指标要求，如果不满足指标要求则跳转执行步骤3)，否则加工结束并退出。
[0013]上述的3D打印碳化硅反射镜的加工方法，优选地，步骤2)包括：
[0014]2.1)对经磨削的工件进行小磨头研磨加工；
[0015]2.2)对经研磨加工后的工件进行小磨头粗抛光加工；
[0016]2.3)对加工后的工件使用波面干涉仪和白光干涉仪进行检测，如果面形误差与表面质量满足要求进入步骤3)的要求，则执行步骤3)；否则，跳转执行步骤2.1)。
[0017]上述的3D打印碳化硅反射镜的加工方法，优选地，步骤2.1)中，采用小磨头研磨时，采用的研磨方式为线性路径均匀扫描研磨；采用的研磨盘是铸铁研磨盘；，机床转速为公转75～120rpm，自转150～240rpm，气压0.1～0.2MPa，研磨时所用抛光液为金刚石抛光液。
[0018]上述的3D打印碳化硅反射镜的加工方法，优选地，步骤2.1)中，研磨次数为2次；第一次研磨使用的磨料粒度为W14，第二次研磨使用的磨料粒度为W7。
[0019]上述的3D打印碳化硅反射镜的加工方法，优选地，步骤2.2)中，采用小磨头粗抛光时，采用的抛光方式为线性路径均匀扫描研磨抛光；采用的抛光盘是聚氨酯盘；机床转速为公转60～90rpm，自转120～180rpm，气压0.08～0.12MPa；抛光时所用抛光液为金刚石抛光液。
[0020]上述的3D打印碳化硅反射镜的加工方法，优选地，步骤2.2)中，抛光次数为2次，第一次研磨使用的磨料粒度为W5，第二次研磨使用的磨料粒度为W1。
[0021]上述的3D打印碳化硅反射镜的加工方法，优选地，步骤3)包括如下步骤：
[0022]3.1)获取待加工3D打印碳化硅工件的磁流变加工去除函数，根据初始面形和去除函数计算加工驻留时间，选择扫描路径，生成数控加工代码，对待加工工件进行磁流变修形；
[0023]3.2)对磁流变修形后的工件使用波面干涉仪进行面形检测，如果面形误差达到要求，则执步骤4)；否则，重复执行步骤3.1)。
[0024]上述的3D打印碳化硅反射镜的加工方法，优选地，步骤3.1)中，采用磁流变修形时，所用磁流变液磨料粒度W1；抛光轮转速为180～260rpm；磁流变液流量为60～120L/h。
[0025]上述的3D打印碳化硅反射镜的加工方法，优选地，步骤4)包括：
[0026]4.1)选择光顺盘的大小、形状，使得抛光盘与待加工面贴合；
[0027]4.2)选择合理的抛光参数和运动轨迹，实现3D打印碳化硅反射镜的表面光顺；
[0028]4.3)对光顺完成的工件进行清洗。
[0029]上述的3D打印碳化硅反射镜的加工方法，优选地，步骤4.2)中，进行保形光顺时，采用的抛光方式为线性路径均匀扫描抛光；采用的抛光盘是沥青盘；机床转速为公转40～60rpm，自转80～120rpm，气压0.02～0.04MPa；所用抛光液磨料粒度W 0.1，光顺次数为2次
[0030]与现有技术相比，本专利技术的优点在于：
[0031]本专利技术3D打印碳化硅反射镜的加工方法针对3D打印碳化硅反射镜光学抛光机理与工艺进行了研究和探索。由于碳化硅质地脆、硬度大，导致其难以加工成型，尤其是一些复杂结构更是难以加工成型，采用3D打印技术可以克服以上困难，适合制备任何形状本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种3D打印碳化硅反射镜的加工方法，其特征在于，包括：1)对待加工的3D打印碳化硅工件进行磨削，得到平整的工件表面；2)对经磨削的3D打印碳化硅工件进行小磨头研磨与粗抛光，得到满足初始面形与表面质量要求的3D打印碳化硅反射镜表面；3)对3D打印碳化硅反射镜表面进行磁流变修形；4)对3D打印碳化硅反射镜表面进行保形光顺；5)检测3D打印碳化硅反射镜表面是否满足指标要求，如果不满足指标要求则跳转执行步骤3)，否则加工结束并退出。2.如权利要求1所述的3D打印碳化硅反射镜的加工方法，其特征在于，步骤2)包括：2.1)对经磨削的工件进行小磨头研磨加工；2.2)对经研磨加工后的工件进行小磨头粗抛光加工；2.3)对加工后的工件使用波面干涉仪和白光干涉仪进行检测，如果面形误差与表面质量满足要求进入步骤3)的要求，则执行步骤3)；否则，跳转执行步骤2.1)。3.如权利要求2所述的3D打印碳化硅反射镜的加工方法，其特征在于，步骤2.1)中，采用小磨头研磨时，采用的研磨方式为线性路径均匀扫描研磨；采用的研磨盘是铸铁研磨盘；，机床转速为公转75～120rpm，自转150～240rpm，气压0.1～0.2MPa，研磨时所用抛光液为金刚石抛光液。4.如权利要求2所述的3D打印碳化硅反射镜的加工方法，其特征在于，步骤2.1)中，研磨次数为2次；第一次研磨使用的磨料粒度为W14，第二次研磨使用的磨料粒度为W7。5.如权利要求2所述的3D打印碳化硅反射镜的加工方法，其特征在于，步骤2.2)中，采用小磨头粗抛光时，采用的抛光方式为线性路径均匀扫描研磨抛光；采用的抛光盘是聚氨酯盘；机床转速为公转60～90rpm，...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡皓，徐超，彭小强，关朝亮，戴一帆，杨启霖，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：