具有微小角度零件的加工及檢驗方法

翟巖, 姜會林, 梅貴

(1.長春理工大學(xué)， 吉林 長春 130022； 2.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所， 吉林 長春 130033)

0 引言

空間遙感對空間分辨率要求的提高使得長焦距、大口徑遙感相機占據(jù)越來越主要的地位[1]。隨著焦距的增加，各光學(xué)零件的空間間隔也隨之增加。對于同軸光學(xué)系統(tǒng)來說，由于其光學(xué)元件中心都位于光軸上，僅需要控制各光學(xué)元件之間光軸方向的位置[2]，因此影響相對較小；而對于離軸三反系統(tǒng)來說，需要同時控制各反射鏡鏡面位置的6個自由度，使其綜合誤差需要滿足光學(xué)設(shè)計要求[3]。

離軸三反系統(tǒng)，特別是長焦距而F數(shù)較小的光學(xué)系統(tǒng)中，為減小系統(tǒng)體積，通常孔徑光闌會設(shè)置在主鏡處，這將導(dǎo)致第3鏡的尺寸較主鏡尺寸大[4]。為避免反射鏡間相互干涉，也為了各反射鏡安裝空間及工裝體積考慮，需要使某兩個反射鏡之間的間隔進一步增大，甚至第3鏡會在主鏡背后較遠的位置，使得從次鏡鏡面到第3鏡鏡面的光程較長。而離軸三反系統(tǒng)中各反射鏡的相互位置關(guān)系誤差并不會由于2個反射鏡間光程的增加而降低，由此將導(dǎo)致裝調(diào)期間反射鏡調(diào)整墊的精度極高，采用傳統(tǒng)加工方法不易實現(xiàn)[5]。

彈性力學(xué)表明，物體受壓時會產(chǎn)生變形。如果在調(diào)整墊各處受力不均勻時，調(diào)整墊的各處變形也不均勻。因此在通常情況下，在希望獲得調(diào)整墊具有微小傾角時，會通過對調(diào)整墊兩側(cè)緊固螺釘施加不同力矩實現(xiàn)。但由于沒有相應(yīng)的測量和檢測手段，最終獲得的傾角與設(shè)計師期望達到的結(jié)果是否一致并不確定，且調(diào)整墊上各螺釘受力不均勻，在外界環(huán)境變化時，可能出現(xiàn)螺釘斷裂或螺紋斷裂等事故。但就目前為止，這是處理微小角度所使用的最常用方法，常使用在例如立方鏡調(diào)整、星敏感器指向等需要高精度角度結(jié)果的領(lǐng)域[6]。

隨著空間相機的焦距增加，對反射鏡面型的要求也隨之提高。為避免在應(yīng)力重新分配時對反射鏡面型造成不必要的影響，需要在系統(tǒng)裝調(diào)時采用可控、可追溯、可重現(xiàn)的技術(shù)手段。

1 對具有微小角度零件的需求

在某相機技術(shù)設(shè)計中，主鏡與次鏡間隔1 150 mm，次鏡與第3鏡間隔1 712.5 mm. 光學(xué)設(shè)計的光路如圖1所示。

圖1 某相機光學(xué)設(shè)計圖Fig.1 Optical design of a camera

為減小鏡頭的體積，在次鏡與第3鏡間設(shè)置了一塊折疊反射鏡，距次鏡850 mm.

光學(xué)設(shè)計對結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工制造和裝配提出的各反射鏡表面不規(guī)則面型誤差及位置誤差要求如表1所示。表1中λ為可見光波長，λ=632.8 nm. 由表1可見，各反射鏡鏡面的空間位置誤差要求為：間隔不超過0.3 mm，轉(zhuǎn)角不超過10″.

表1 各反射鏡表面不規(guī)則面型誤差及位置誤差要求

通過對鏡頭的有限元分析，得到反射鏡組件安裝在機身組件上后，在重力場和溫度場(5 ℃溫差)共同作用下各反射鏡鏡面的位置誤差及轉(zhuǎn)角誤差，如表2所示。

表2 鏡頭在重力場和溫度場共同作用下反射鏡鏡面的位移和轉(zhuǎn)角

通過表2可以看出，各反射鏡鏡面的位置誤差全部滿足光學(xué)設(shè)計要求，并留有較大余量，在裝調(diào)過程中可較易實現(xiàn)。但各反射鏡鏡面的轉(zhuǎn)角誤差與光學(xué)設(shè)計要求的誤差接近，其中第3鏡鏡面的轉(zhuǎn)角誤差僅有0.42″的余量，使鏡頭的總成難度增加。

2 零件尺寸誤差分析

由光學(xué)系統(tǒng)允差和反射鏡在鏡頭中的變形量可知，第3鏡組件的安裝轉(zhuǎn)角極限誤差不能大于0.42″，預(yù)留50%裕量后為0.21″. 對應(yīng)次鏡至第3鏡間隔1 712.5 mm，第3鏡組件安裝面相對光軸的高差δT=1 712.5×tan 0.21″=0.001 744 mm. 由于機械零件的研磨工藝技術(shù)限制，第3鏡組件在機身上的安裝面最高僅能加工到平面度0.001 mm，即第3鏡組件3塊調(diào)整墊的綜合高差為(0.001 744±0.001)mm，以下計算分析和設(shè)計均針對其中的較小值0.000 744 mm作出。

如圖2所示，第3鏡是面積為1 630 mm×710 mm的長條形凹面非球面反射鏡，采用3點背部支撐形式，第3鏡組件的接口為3處120 mm×80 mm的長方形平面，其中一個位于第3鏡的上方中間，兩個位于第3鏡下方，相對第3鏡對稱軸對稱，間隔960 mm.

圖2 某相機中的第3鏡組件Fig.2 The third mirror assembly in a camera

3 材料與方法選擇

根據(jù)計算結(jié)果，第3鏡上部調(diào)整墊的厚度及誤差均為納米級，目前市場上能夠采購到的長度測量儀最小的可測距離為0.000 2 mm，即200 nm，不能夠滿足設(shè)計需求。

調(diào)整墊上需使用的表面，為與機身組件接觸的下表面和與反射鏡背板接觸的上表面，其最終形式均為平面。現(xiàn)有的針對平面或具有一定夾角的平面的加工手段，包含銑削、磨削、研磨和拋光。其中磨削和拋光針對不同元件，又有光學(xué)磨削、光學(xué)拋光與針對普通金屬結(jié)構(gòu)件的磨削和拋光的區(qū)分。對于精密零件來說，通常采用先銑削達到誤差范圍，然后通過磨削或者研磨來保證零件面型誤差的方法。應(yīng)用此種方法，可將零件加工至0.001～0.002 mm的精度范圍內(nèi)。

現(xiàn)階段加工和檢驗中，能夠得到高精度平面結(jié)果的方法是應(yīng)用在光學(xué)零件加工的磨削加工方法和使用干涉儀進行檢測的干涉檢驗法[7]。針對光學(xué)零件的加工方式，即光學(xué)磨削和光學(xué)拋光，可將光學(xué)零件的表面面型加工至λ/20，即31.64 nm；采用干涉儀對光學(xué)元件面型的檢驗精度可以達到λ/1 000，即0.632 8 nm. 因此，此零件的加工可采用光學(xué)拋光的方法進行，檢驗手段可使用干涉儀進行干涉檢驗。

由于零件所需達到的尺寸精度為亞納米級，采用傳統(tǒng)機械加工手段已經(jīng)不能滿足需求，需要采用光學(xué)加工手段和檢測手段來保證零件的加工和檢測[8]。

反射鏡組件調(diào)整墊材料為鈦合金材料。鈦合金材料的一些物理學(xué)性能給切削加工帶來了較大的難度。鈦合金切削時變形系數(shù)小，使得切屑在前刀面上滑動摩擦路徑增大，加速刀具磨損。鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)小，切削時產(chǎn)生的熱量不易傳出，集中在切削刃附近的小范圍內(nèi)。由于鈦合金對刀具材料的化學(xué)親和性強，在切削溫度高和單位面積上切削力大的情況下，刀具容易產(chǎn)生粘結(jié)磨損。切屑呈擠裂狀，加工表面易生成硬脆變質(zhì)層[9-10]。

可見單純采用光學(xué)加工的方法，通過車削、磨削和拋光的手段，都會導(dǎo)致鈦合金調(diào)整墊自身溫度升高、“糊”刀等現(xiàn)象，導(dǎo)致零件精度不能達到設(shè)計要求[11]。在拋光階段由于調(diào)整墊溫度較高，使得零件本身變形，拋光去量不可控，導(dǎo)致零件報廢。

4 加工工裝設(shè)計

為避免在加工過程中發(fā)生加工零件溫度升高，表面層在切削力、切削熱的作用下，會產(chǎn)生不同程度的塑性變形和金屬組織的變化導(dǎo)致其體積改變，使墊圈表面層產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。再次加工后，內(nèi)應(yīng)力重新分布，墊圈產(chǎn)生變形[12]。可使用水淋的方法使其降溫,并在零件周邊設(shè)置適于進行磨削加工的硬質(zhì)材料以保證加工的進給量均勻。設(shè)計如圖3所示的工裝，以保證零件在拋光過程中去量的可監(jiān)控性。

圖3 加工檢測工裝與調(diào)整墊圖Fig.3 Inspection tooling and adjustable pad

如圖3所示，在工裝板上零件的周圍設(shè)計4個支撐柱，在磨削盤的工作范圍外設(shè)置第5個支撐柱，5個支撐柱上面各粘接一塊平面反射鏡。在工裝板零件安裝的平面粘接第6塊反射鏡，作為調(diào)整墊下表面的標(biāo)記。

工裝材料選用6061鋁合金，其下表面通過銑削、研磨手段獲得優(yōu)于0.001 mm的平面度。安裝第6塊反射鏡，調(diào)整反射鏡，使反射鏡的上表面與工裝本體的底面平行。5個支撐柱上粘接的反射鏡采用碳化硅材料。采用較大的磨削盤，將零件上表面連同5塊反射鏡一同加工，形成同一平面，檢測5塊反射鏡材料共同形成的面，使其整體面型峰谷值小于λ/10，并與第6塊反射鏡法線垂直。然后對零件周邊的4塊反射鏡進行加工，并不碰觸圖3中最右側(cè)的反射鏡，使零件周圍的4塊反射鏡共同形成面的法線與磨削盤外側(cè)反射鏡的法線成設(shè)定的角度。此時可認為，零件上表面的法線與磨削盤外的反射鏡法線成既定的角度。最后通過對零件及周邊4塊反射鏡表面進行拋光，并保持加工所得角度，即可得到所需要的零件。

工作過程中，以干涉儀監(jiān)視各反射鏡所成平面的面型。通過獲得的干涉條紋計算4個反射鏡所成面與初始面的夾角，推算零件高點與低點的高差[13]，指導(dǎo)進一步加工的加工量和加工角度。通過4塊反射鏡所成面與反映零件背面反射鏡面之間干涉條紋的差別，計算二者所成角度的數(shù)值[14]。

5 加工和檢測結(jié)果

使用如圖3設(shè)計的工裝對零件進行加工，取得第3鏡上部調(diào)整墊傾斜面加工結(jié)果，干涉儀檢驗結(jié)果如圖4所示，其中圖4(a)為調(diào)整墊安裝平面面型檢測結(jié)果，圖4(b)為調(diào)整墊安裝平面的傾角面面型檢測結(jié)果，圖4(c)為調(diào)整墊安裝面傾角面型等效結(jié)果。

圖4 第3鏡上部調(diào)整墊干涉儀檢測結(jié)果Fig.4 Test result of adjustable pad on the top of the third mirror

由圖4(b)與圖4(c)中所知，第3鏡上部調(diào)整墊的上邊緣和下邊緣高度差近似為0.100λ，即63.28 nm，處于分析結(jié)果中第3鏡上部調(diào)整墊的上、下邊緣厚度差(59±14)nm的范圍內(nèi),即45～73 nm. 調(diào)整墊傾角面表面面型均方根值為0.020λ，即12.656 nm. 通過將加工面的面型檢測結(jié)果與傾角面面型檢測結(jié)果合成(見圖4(c))可以看出，加工平面的傾角平面過度均勻平滑，無凸點等影響安裝精度的加工缺欠。

在安裝過程中，3個調(diào)整墊周邊的4個螺釘均使用力矩扳手以定力矩緊固，鏡頭實驗室檢測結(jié)果與力學(xué)試驗、熱光學(xué)試驗后檢測結(jié)果一致性好，系統(tǒng)完全滿足設(shè)計要求。

6 結(jié)論

本文通過高精度磨削工藝加工制造了上下邊緣高度差為63 nm的調(diào)整墊，可以滿足反射鏡組件裝配所需的精度。調(diào)整墊的檢驗結(jié)果準(zhǔn)確可靠，使得整個光學(xué)系統(tǒng)能夠在重力場和溫度場共同作用下，各反射鏡的鏡面轉(zhuǎn)角滿足光學(xué)設(shè)計要求。得出以下主要結(jié)論：

1) 采用有針對性的工裝設(shè)計，可以將光學(xué)加工、光學(xué)檢驗方法應(yīng)用于具有超高精度需求的結(jié)構(gòu)件加工工藝中。

2) 采用干涉儀對受加工件進行檢驗，計算加工量，可以指導(dǎo)超高精度機械加工。

采用光學(xué)加工手段進行加工和檢測的方法處理結(jié)構(gòu)件，取得了很好的加工效果，可以成為其他零件進行超高精度加工、檢測的一種可行方法，具有一定的借鑒作用。