一种轻质基材薄壁反射镜的制作方法技术

本发明专利技术提供一种轻质基材薄壁反射镜的制作方法，包括以下步骤：S1：采用近净成形方法制备反射镜轻质基底，制备反射镜轻质基底材料采用热塑性工程塑料，近净成形的方法采用近净尺寸精密注塑成形方法或激光近净成形方法；S2：在五轴数控机床上，采用单点金刚石超精密车削方法或超细粒度砂轮超精密磨削方法在轻质基底表面进行超精密成形加工；S3：对反射镜轻质基底表面进行金属化，对反射镜轻质基底表面依次进行等离子体刻蚀、化学刻蚀和真空蒸镀；S4：对完成表面金属化的反射镜轻质基底进行抛光得到反射镜，表面Ra小于1nm。本发明专利技术解决了现有制造方法存在的制造工艺复杂、加工精度难以保证、镜体质量大等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种轻质基材薄壁反射镜的制作方法
本专利技术涉及反射镜制造
，具体而言，尤其涉及一种轻质基材薄壁反射镜的制作方法。
技术介绍
X射线通信和X射线脉冲星导航是未来航天器深空通信和高精度自主导航的新一代技术。X射线通信和X射线脉冲星导航技术可为我国深空探测和空间技术实验的发展提供有力支撑。X射线聚焦反射镜是X射线通信系统和X射线脉冲星导航系统中重要的部件。其作用在于将X射线精确聚焦在接收解调装置上进行数据处理。为收集更高强度的X射线，多采用多层嵌套的方式增大X射线的反射面积。而反射镜的曲面设计通常基于同轴共焦二次曲面的掠入射反射镜，即WolterI型结构，如图1所示多层嵌套X射线聚焦反射镜示意图。其分别利用抛物面与双曲面(或椭圆面)的内外反射面的不同组合来实现对X射线的聚焦成像。此结构也是目前实现X射线聚焦的最有效手段之一。这种聚焦反射镜具有大口径的薄壁筒状结构和反射面精度高的特点，反射面的表面粗糙度接近原子尺度，对制造精度和质量的要求苛刻，制造难度大。目前轻质基材薄壁反射镜的制作方法主要有电铸镍复制工艺和热弯玻璃成形工艺。所谓电铸镍复制工艺，首先在超精密车削的铝芯模上电镀一层薄镍并抛光，然后在抛光表面镀金膜，而后电镀厚度为0.5～1mm的镍层。最后采用急冷分离的方法与芯模分离形成薄镍壳反射镜。如图3所示，该工艺方法能复制阴极芯模的表面微观形貌、微细结构和尺寸精度，并且电铸过程中芯模不会有任何损耗，理论上可无限次使用。因此芯模的表面质量在制造工艺中是极其重要的，需要对芯模表面进行超精密抛光和修型。同时镍金属密度大，相同质量下镜片的嵌套层数受限，从而影响反射镜集光效率。由于电沉积极限电流密度的存在使得电铸速度不能过高，这大大限制了加工效率。所谓热弯玻璃成形工艺是利用玻璃的粘滞性随温度变化而改变的特性，将超薄平面玻璃镜片放置于成型柱状模具之上，成型柱状模具的表面经精密加工，其面型为WolterI型反射镜设计面型。经加热达到玻璃的软化点后，超薄玻璃在重力的作用下弯曲为柱面，复制了成型柱状模具的面型。最后通过真空蒸镀等工艺在镜片反射面制备金属铱膜，提高镜片对X射线的反射率，工艺过程如图2所示，图中1表示平面镜片，2表示成型模具。该工艺方法多采用超薄微晶玻璃，易实现轻量化，但对温控曲线、模具表面质量以及空气洁净度等因素极为敏感，成品率低，加工效率低。综上所述，X射线聚焦反射镜制造中存在的以下问题是制约现有反射镜加工技术的主要难题：1、现用反射镜的基底材料密度较大，如镍金属(8.9g/cm3)、微晶玻璃(2.5g/cm3)等，相同质量下镜片的嵌套层数受限，影响反射镜的集光效率。2、现用制造工艺均采用对成型模具面型复制的方法，反射镜的精度与成型模具的表面质量具有极大相关性。成型模具表面的低频面型误差，高频表面粗糙度误差以及中频波纹度误差对反射镜的聚焦性能有直接关系。3、电铸镍复制工艺过程复杂，废弃电镀液会污染环境，不符合绿色发展的理念。由于电沉积极限电流密度的存在使得电铸速度不能过高，生产效率低，产品周期长。4、热弯玻璃成型工艺对温度控制和空气环境要求苛刻，成品率低，加工效率低，不利于大规模生产。因此一种高效率，轻量化、低成本地X射线聚焦反射镜加工技术亟需解决。
技术实现思路
根据上述提出现有制造方法存在的制造工艺复杂、加工精度难以保证、镜体质量大等技术问题，而提供一种轻质基材薄壁反射镜的制作方法。本专利技术提出依次通过“轻质反射镜基底近净成形→基底表面超精密成形加工→基底表面金属化→基底表面抛光”的轻质基材薄壁反射镜整体精密制造新方法；多层嵌套式X射线反射镜是由多层超薄大曲率复杂曲面的反射镜精密装配而成，每层反射镜的加工要求一致，本专利技术针对单层反射镜制造提出一种新方法。本专利技术采用的技术手段如下：一种轻质基材薄壁反射镜的制作方法，包括以下步骤：S1：采用近净成形方法制备反射镜轻质基底，制备反射镜轻质基底材料采用热塑性工程塑料，近净成形的方法采用近净尺寸精密注塑成形方法或激光近净成形方法；S2：根据反射镜的自由曲面面型，在五轴数控机床上，采用单点金刚石超精密车削方法或超细粒度砂轮超精密磨削方法在轻质基底表面进行超精密成形加工；S3：对反射镜轻质基底表面进行金属化，步骤S3具体包括以下步骤：S3-1：采用氩气和氧气混合等离子体对反射镜轻质基底表面进行等离子体刻蚀；S3-2：采用CrO3-H2SO4溶液对反射镜轻质基底进行化学刻蚀；S3-3：采用真空蒸镀法对反射镜轻质基底进行表面金属层镀覆；S3-4：真空蒸镀之前采用丙酮对反射镜轻质基底进行去油去污处理，并进行干燥；S3-5：将干燥后的反射镜轻质基底放入真空蒸镀设备的腔体内，抽真空至0.5×10-4Pa以上；对金属靶材进行加热，使金属靶材在反射镜轻质基底表面形成金属镀层薄膜；停止加热，冷却腔体至室温，充入惰性气体恢复至大气压，将完成表面金属化后的成品取出；S4：采用磁流变抛光方法或离子束抛光方法对完成表面金属化的反射镜轻质基底进行抛光得到反射镜，使反射镜轻质基底的表面Ra小于1nm。进一步地，步骤S1采用近净尺寸精密注塑成形方法：S1-1：将热塑性工程塑料颗粒置于烘箱中，在150℃-160℃下干燥3-4小时，使热塑性工程塑料颗粒含水量降至0.1％以下；S1-2：根据反射镜形状及尺寸制备反射镜热流道精密模具，制备模具的材料采用Cr12MoV、5CrMnMo或5CrNiMo；S1-3：对反射镜热流道精密模具进行预热并合模，保持模具温度在180℃-280℃；S1-4：将干燥的热塑性工程塑料颗粒倒入单螺杆往复式注塑机的料筒中，对料筒进行加热，保持注塑温度在360℃-400℃，注塑机喷嘴温度在380℃-420℃；通过电机带动螺杆将熔融热塑性工程塑料通过喷嘴注射到模具腔体内，注塑压力保持在10MPa-12MPa，注塑时间为5s-6s，然后进行保压，保持压力在50MPa-80MPa，保压时间为5s-10s；S1-5：对模具腔体进行冷却，使热塑性工程塑料凝固，冷却时间为5min-8min；S1-6：由脱模机构将制品顶出，完成脱模，采用近净尺寸精密注塑成形方法制得的反射镜壁厚度为0.8mm-1mm。进一步地，步骤S1采用激光近净成形方法：S1-1：根据预设的反射镜形状及尺寸对反射镜轻质基底进行计算机三维建模，对三维数字模型进行切片离散化处理，得到各层切片的轮廓信息；S1-2：将轮廓信息逐层输入到选择性激光烧结成型系统中；选用粒径为20μm-50μm的热塑性工程塑料粉末进行逐层烧结，进行每一层烧结前由铺粉辊在工作台上均匀铺满一层热塑性工程塑料粉末，并用刮板刮平，粉末厚度在150μm-200μm；烧结时通过高能激光束按照该层的轮廓信息进行选择性烧结，整个烧结过程在惰性气氛下进行，烧结区温度为380℃-420℃；上一层烧结完毕后，工作台下降一个层厚，由铺粉辊铺设下一层热塑性工程塑料粉末本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轻质基材薄壁反射镜的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：采用近净成形方法制备反射镜轻质基底，制备反射镜轻质基底材料采用热塑性工程塑料，近净成形的方法采用近净尺寸精密注塑成形方法或激光近净成形方法；/nS2：根据反射镜的自由曲面面型，在五轴数控机床上，采用单点金刚石超精密车削方法或超细粒度砂轮超精密磨削方法在轻质基底表面进行超精密成形加工；/nS3：对反射镜轻质基底表面进行金属化，步骤S3具体包括以下步骤：/nS3-1：采用氩气和氧气混合等离子体对反射镜轻质基底表面进行等离子体刻蚀；/nS3-2：采用CrO

【技术特征摘要】
1.一种轻质基材薄壁反射镜的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采用近净成形方法制备反射镜轻质基底，制备反射镜轻质基底材料采用热塑性工程塑料，近净成形的方法采用近净尺寸精密注塑成形方法或激光近净成形方法；
S2：根据反射镜的自由曲面面型，在五轴数控机床上，采用单点金刚石超精密车削方法或超细粒度砂轮超精密磨削方法在轻质基底表面进行超精密成形加工；
S3：对反射镜轻质基底表面进行金属化，步骤S3具体包括以下步骤：
S3-1：采用氩气和氧气混合等离子体对反射镜轻质基底表面进行等离子体刻蚀；
S3-2：采用CrO3-H2SO4溶液对反射镜轻质基底进行化学刻蚀；
S3-3：采用真空蒸镀法对反射镜轻质基底进行表面金属层镀覆；
S3-4：真空蒸镀之前采用丙酮对反射镜轻质基底进行去油去污处理，并进行干燥；
S3-5：将干燥后的反射镜轻质基底放入真空蒸镀设备的腔体内，抽真空至0.5×10-4Pa以上；对金属靶材进行加热，使金属靶材在反射镜轻质基底表面形成金属镀层薄膜；停止加热，冷却腔体至室温，充入惰性气体恢复至大气压，将完成表面金属化后的成品取出；
S4：采用磁流变抛光方法或离子束抛光方法对完成表面金属化的反射镜轻质基底进行抛光得到反射镜，使反射镜轻质基底的表面Ra小于1nm。


2.根据权利要求1所述的轻质基材薄壁反射镜的制作方法，其特征在于，步骤S1采用近净尺寸精密注塑成形方法：
S1-1：将热塑性工程塑料颗粒置于烘箱中，在150℃-160℃下干燥3-4小时，使热塑性工程塑料颗粒含水量降至0.1％以下；
S1-2：根据反射镜形状及尺寸制备反射镜热流道精密模具，制备模具的材料采用Cr12MoV、5CrMnMo或5CrNiMo；
S1-3：对反射镜热流道精密模具进行预热并合模，保持模具温度在180℃-280℃；
S1-4：将干燥的热塑性工程塑料颗粒倒入单螺杆往复式注塑机的料筒中，对料筒进行加热，保持注塑温度在360℃-400℃，注塑机喷嘴温度在380℃-420℃；通过电机带动螺杆将熔融热塑性工程塑料通过喷嘴注射到模具腔体内，注塑压力保持在10MPa-12MPa，注塑时间为5s-6s，然后进行保压，保持压力在50MPa-80MPa，保压时间为5s-10s；
S1-5：对模具腔体进行冷却，使热塑性工程塑料凝固，冷却时间为5min-8min；
S1-6：由脱模机构将制品顶出，完成脱模，采用近净尺寸精密注塑成形方法制得的反射镜壁厚度为0.8mm-1mm。


3.根据权利要求1所述的轻质基材薄壁反射镜的制作方法，其特征在于，步骤S1采用激光近净成形方法：
S1-1：根据预设的反射镜形状及尺寸对反射镜轻质基底进行计算机三维建模，对三维数字模型进行切片离散化处理，得到各层切片的轮廓信息；
S1-2：将轮廓信息逐层输入到选择性激光烧结成型系统中；选用粒径为20μm-50μm的热塑性工程塑料粉末进行逐层烧结，进行每一层烧结前由铺粉辊在工作台上均匀铺满一层热塑性工程塑料粉末，并用刮板刮平，粉末厚度在150μm-200μm；烧结时通过高能激光束按照该层的轮廓信息进行选择性烧结，整个烧结过程在惰性气氛下进行，烧结区温度为380℃-420℃；上一层烧结完毕后，工作台下降一个层厚，由铺粉辊铺设下一层热塑性工程塑料粉末，高能激光束按照下一层轮廓信息进行选择性烧结，直至完成整个反射镜轻质基底的烧结成型；采用激光近净成形方法制...

【专利技术属性】
技术研发人员：高尚，康仁科，李洪钢，董志刚，朱祥龙，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21