鋁合金反射鏡是大型太空望遠(yuǎn)鏡等光學(xué)系統(tǒng)核心部件，表面質(zhì)量影響成像精度。NiP 鍍層經(jīng)單點(diǎn)金剛石車削后殘留螺旋狀刀痕，導(dǎo)致色散和重影，需進(jìn)一步拋光。磁流變拋光因高效、優(yōu)質(zhì)、低成本成為潛在方案。光子灣科技的光學(xué)輪廓儀等技術(shù)在精密檢測(cè)中作用顯著，本文結(jié)合其三維輪廓觀測(cè)技術(shù)，研究鋁合金反射鏡NiP 鍍層的磁流變超精密拋光，為高精度光學(xué)元件制造提供支撐。

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研究背景

磁流變拋光原理圖

超精密拋光技術(shù)現(xiàn)狀：主流技術(shù)有化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）、應(yīng)力盤拋光（SLP）、離子束拋光（IBF）、氣囊拋光（ABP）等，但各有局限：CMP 材料適應(yīng)性差且污染環(huán)境；SLP 對(duì)軟質(zhì)材料適用性有限；IBF 效率低且設(shè)備昂貴；ABP壓力控制難度大。

磁流變拋光與NiP 鍍層拋光研究現(xiàn)狀：磁流變拋光技術(shù)現(xiàn)有輪式、球頭式、集群式等形式，集群式更適用于平面工件高效拋光。NiP 鍍層拋光中，傳統(tǒng)技術(shù)難兼顧效率與精度，磁流變拋光雖已應(yīng)用，但需優(yōu)化工藝以去除周期性刀痕。

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NiP 鍍層的基本性質(zhì)與表征方法

經(jīng)SPDT后表面色散現(xiàn)象 (a)車削表面光鏡圖(b)反射鏡表面“彩虹斑圖

1.NiP 鍍層基本特性

實(shí)驗(yàn)所用NiP 鍍層為非晶結(jié)構(gòu)，P 含量 6.2wt.%，厚度 32.4μm，顯微硬度 HV1.0 約 460，結(jié)構(gòu)致密均勻，適合超精密拋光。

2.SPDT 加工缺陷

SPDT 加工后殘留的螺旋狀刀痕類似反射光柵，會(huì)導(dǎo)致“彩虹斑” 現(xiàn)象，影響成像質(zhì)量，需通過(guò)拋光去除。

3.形貌表征與分析方法

采用光學(xué)輪廓儀和原子力顯微鏡表征表面形貌，光學(xué)輪廓儀垂直分辨率達(dá)0.1nm，AFMZ 軸分辨率達(dá) 0.03nm。引入功率譜密度（PSD）定量分析表面粗糙度與空間頻率分布，彌補(bǔ)傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法的不足。

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磁流變拋光液的制備與表征

1.組成與配方

選用去離子水為基載液，羰基鐵粉為磁性顆粒，100nm 氧化鈰為磨粒，添加六偏磷酸鈉（分散劑）、氣相二氧化硅（觸變劑）等，優(yōu)化配方以提升穩(wěn)定性和剪切性能。

2.性能指標(biāo)

制備的拋光液剪切應(yīng)力（500mT）達(dá)35.6kPa，42h 沉降率僅 17.5%，零場(chǎng)粘度低，滿足超精密拋光要求。

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磁流變拋光試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)與搭建

1.設(shè)備組成

設(shè)備包括拋光盤、工件軸、勵(lì)磁裝置等，拋光盤轉(zhuǎn)速0~100rpm，工件軸轉(zhuǎn)速 0~800rpm，可加工尺寸 < 100mm。

2.勵(lì)磁裝置優(yōu)化

設(shè)計(jì)三種勵(lì)磁裝置，通過(guò)磁場(chǎng)仿真和去除率對(duì)比，確定海爾貝克陣列磁鐵（HB35）性能最優(yōu)，其 4mm 高度處最大磁通密度達(dá) 475mT，材料去除率達(dá) 55.86nm/min，為圓柱形磁鐵的 2.68 倍。

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拋光工藝優(yōu)化與表面質(zhì)量評(píng)價(jià)

光學(xué)輪廓儀表征試驗(yàn)拋光后的三維形貌圖

正交試驗(yàn)：以磨粒體積分?jǐn)?shù)等為因素，發(fā)現(xiàn)加工間隙對(duì)去除率影響最顯著，拋光盤轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度影響最顯著，最優(yōu)工藝實(shí)現(xiàn)表面粗糙度Sa=0.544nm。

表面質(zhì)量改善：拋光后，光學(xué)輪廓儀測(cè)得表面粗糙度Sq 從 3.776nm 降至 0.433nm（降88.5%），AFM 測(cè)得 Sq 從 5.338nm 降至 0.961nm（降 82%），螺旋狀刀痕完全去除。

PSD 分析：拋光后0.0012~12.7μm?1 頻段內(nèi)表面全誤差顯著改善，尤其空間頻率 < 1μm?1 誤差去除效果突出。

綜上，制備高性能磁流變拋光液、搭建試驗(yàn)設(shè)備及優(yōu)化工藝后實(shí)現(xiàn)NiP 鍍層超光滑表面（Sq<1nm），有效去除周期性刀痕，提升反射率。光子灣科技的光學(xué)輪廓儀可為本研究表面質(zhì)量評(píng)價(jià)提供關(guān)鍵支撐，其三維成像技術(shù)在光學(xué)制造領(lǐng)域的深度應(yīng)用，將持續(xù)推動(dòng)超精密加工技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新。

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光子灣光學(xué)輪廓儀

光子灣光學(xué)輪廓儀是一款用于對(duì)各種精密器件及材料表面，可應(yīng)對(duì)多樣化測(cè)量場(chǎng)景，能夠快速高效完成亞微米級(jí)形貌和表面粗糙度的精準(zhǔn)測(cè)量任務(wù)，提供值得信賴的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

超寬視野范圍，高精細(xì)彩色圖像觀察

提供粗糙度、幾何輪廓、結(jié)構(gòu)、頻率、功能等五大分析技術(shù)

采用針孔共聚焦光學(xué)系統(tǒng)，高穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

提供調(diào)整位置、糾正、濾波、提取四大模塊的數(shù)據(jù)處理功能

光子灣光學(xué)輪廓儀以原位觀察與三維成像能力，為鋁合金反射鏡NiP 鍍層的磁流變超精密拋光的研究提供表征技術(shù)支撐，助力從表面粗糙度與性能分析的精準(zhǔn)把控，成為推動(dòng)高端制造領(lǐng)域質(zhì)量升級(jí)的重要光學(xué)測(cè)量工具。

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感謝您本次的閱讀光子灣將持續(xù)為您奉上更多優(yōu)質(zhì)內(nèi)容，與您共同進(jìn)步。

原文參考：《鋁合金反射鏡NiP 鍍層的磁流變超精密拋光技術(shù)研究》

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