光學(xué)反射鏡組件離子束加工中的熱效應(yīng)

王永剛 李昂 孟曉輝 李文卿 張繼友

光學(xué)反射鏡組件離子束加工中的熱效應(yīng)

王永剛1,2李昂1,2孟曉輝1,2李文卿1,2張繼友1,2

（1北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）（2國防科技工業(yè)光學(xué)超精密加工技術(shù)創(chuàng)新中心（先進(jìn)制造類），北京 100094）

針對(duì)空間光學(xué)載荷光學(xué)反射鏡組件離子束加工時(shí)產(chǎn)生的能量傳輸及累積效應(yīng)對(duì)組件膠粘層的物理性能產(chǎn)生的不利影響，文章根據(jù)離子源的能量分布特點(diǎn)，建立了離子束加工過程中的動(dòng)態(tài)熱傳輸模型；結(jié)合模型對(duì)駐留時(shí)間、束流分布參數(shù)、離子源功率產(chǎn)生的熱效應(yīng)進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析；最后，在某直徑1 000mm非球面ULE玻璃材料反射鏡組件的加工中進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)測加工中的最高溫度為47.19℃，與理論值基本一致，滿足了膠層對(duì)溫度閾值70℃的需求。文章可為確定反射鏡組件的離子束加工工藝參數(shù)提供參考。

光學(xué)反射鏡組件 熱傳輸模型 駐留時(shí)間 束流分布參數(shù) 離子源功率 空間相機(jī)

0 引言

隨著空間光學(xué)載荷一體化設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)零件以組件級(jí)形式出現(xiàn)在加工階段的現(xiàn)象越來越多[1-5]。所謂組件級(jí)光學(xué)產(chǎn)品是指通過膠粘接、光膠合、螺接等手段將光學(xué)元件與結(jié)構(gòu)件或其他光學(xué)元件連接，形成具有特定功能的光學(xué)產(chǎn)品。其中膠粘接是空間光學(xué)系統(tǒng)中最常見的組件成型方式。組件級(jí)光學(xué)產(chǎn)品的使用能極大減少光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)誤差的引入，減少復(fù)雜的試驗(yàn)項(xiàng)目，從而你縮短了空間光學(xué)載荷的研制成本和研制周期。

離子束加工技術(shù)是高精度光學(xué)反射鏡加工中最有優(yōu)勢的方法之一[6-11]，具有去除確定性高、非接觸加工、去除函數(shù)穩(wěn)定、無污染等特點(diǎn)，特別適合于組件級(jí)光學(xué)反射鏡的加工。但離子源產(chǎn)生的離子經(jīng)過加速并撞擊反射鏡表面后，發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，入射離子的大部分能量會(huì)沉積在鏡體內(nèi)，使反射鏡被加工部位的溫度迅速升高。離子束加工產(chǎn)生的熱效應(yīng)不但會(huì)使鏡面產(chǎn)生無法恢復(fù)的形變，導(dǎo)致面形加工與預(yù)期值產(chǎn)生誤差，降低加工效率。嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)p壞光學(xué)零件。對(duì)于反射鏡組件，過高的溫度會(huì)使粘接膠層發(fā)生非線性變化，破壞膠層物理特性，影響產(chǎn)品的性能。

離子束加工產(chǎn)生的溫度對(duì)鏡面面形的影響的研究已有20多年的歷史，文獻(xiàn)[12]利用ANSYS 軟件對(duì)離子束加工過程工件的熱變形進(jìn)行了仿真分析，研究了熱應(yīng)力和熱變形對(duì)工件面形精度影響；文獻(xiàn)[13-19]對(duì)離子束加工溫度比較敏感的光學(xué)材料如K9玻璃、各類晶體等在加工中面形與溫度的相互關(guān)系進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[20-21]通過有限元分析及試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的手段，研究了離子束加工時(shí)，銅帶散熱裝置前后的溫度變化及其對(duì)光學(xué)元件面形精度的影響。但是上述研究缺少對(duì)組件級(jí)光學(xué)產(chǎn)品中膠粘層熱影響的研究。

因此，本文通過建立光學(xué)反射鏡組件離子束加工中的熱效應(yīng)模型，分析影響溫度傳輸及累積而造成膠粘層失效的主要因素，進(jìn)而指導(dǎo)工藝參數(shù)的優(yōu)化，并在光學(xué)反射鏡組件上進(jìn)行加工驗(yàn)證。

1 離子束加工時(shí)的熱效應(yīng)模型

離子束加工時(shí)，由于高速正離子的撞擊以及陰極鎢絲輻射作用，在反射鏡表面產(chǎn)生能量累積效應(yīng)，形成一定的溫度場分布，會(huì)影響組件級(jí)光學(xué)產(chǎn)品的性能。因此有必要建立離子束加工時(shí)的熱效應(yīng)模型，分析溫度累積效應(yīng)，為離子束加工組件級(jí)光學(xué)產(chǎn)品提供工藝指導(dǎo)。

為了方便分析計(jì)算，設(shè)定熱源與物體間的坐標(biāo)關(guān)系，熱源的中心點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)，在物體表面建立坐標(biāo)系，指向物體內(nèi)部，（,,）為物體上任意點(diǎn)的坐標(biāo)，如圖1所示。

圖1 點(diǎn)熱源在物體任意位置能量傳輸模型坐標(biāo)示意

根據(jù)文獻(xiàn)[22]點(diǎn)熱源在物體表面的能量沉積理論，可獲得任意時(shí)間、物體任意位置的能量值(,)

離子束加工時(shí)，離子源產(chǎn)生的熱源不是一個(gè)理想的點(diǎn)，而是一個(gè)呈高斯形狀分布的面熱源函數(shù)（,）。此時(shí)，=0，面熱源函數(shù)可表示為

式中為離子源束流分布參數(shù)。

因此，高斯形狀分布的熱源在光學(xué)零件上的能量分布可通過將式（2）與式（1）做卷積處理獲得

考慮到實(shí)際情況，離子源由三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制運(yùn)行，離子源垂直于鏡面，以一定速度從加工初始位置0沿方向運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間后，=0+，為離子束運(yùn)行速度。

2 離子束加工工藝參數(shù)的熱效應(yīng)分析

離子束加工時(shí)，同種反射鏡材料的熱學(xué)特性是確定的，是離子束加工時(shí)的熱效應(yīng)模型中的不變量。決定反射鏡熱效應(yīng)的主要有離子源靜態(tài)參數(shù)和離子源運(yùn)動(dòng)參數(shù)。因此，需要對(duì)離子束加工過程分別進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析。

分析中以ULE玻璃為例，其材料特性如下：=821 J/（kg·K），=2.53×103kg/m3，=7.90×10–7m2/s。

令=0，=0，高斯分布的離子束熱源作用在鏡面上，持續(xù)一段時(shí)間后，根據(jù)式（4）可計(jì)算得出鏡面的溫度分布，如圖2所示。

從圖2可以看出，離子束熱源作用在反射鏡表面上，能量在傳輸過程中，圍繞著作用點(diǎn)中心，產(chǎn)生了高斯形的溫度分布規(guī)律。

2.1 離子束加工過程熱效應(yīng)模型靜態(tài)分析

從式（4）可以看出，當(dāng)=0時(shí)，影響鏡面溫度分布的參數(shù)主要有離子源駐留時(shí)間、離子源束流分布參數(shù)、離子源發(fā)射功率。此時(shí)，靜態(tài)條件下溫度分布呈高斯形，如圖2所示。實(shí)際應(yīng)用中，主要關(guān)注多重高斯形溫度場的疊加而形成的溫度最高值對(duì)產(chǎn)品的影響。因此，后續(xù)分析主要針對(duì)不同工藝參數(shù)對(duì)溫度極值的影響。

（1）離子源駐留時(shí)間對(duì)溫度的影響

假設(shè)=20mm，=120W，其他參數(shù)取離子源常見參數(shù)，將參數(shù)代入式（4），獲得了離子源駐留點(diǎn)最高溫度隨時(shí)間的變化曲線，如圖3所示。

圖2 離子源靜止時(shí)鏡面作用點(diǎn)周圍的溫度分布

圖3 離子源駐留點(diǎn)最高溫度與駐留時(shí)間的關(guān)系

從圖3可以看出：隨著加工時(shí)間的增加，駐留點(diǎn)最高溫度在開始階段快速增加，隨著時(shí)間的增加溫度逐步趨向飽和。因此，為降低離子束加工溫度，需要控制離子源在同一位置的駐留時(shí)間。

（2）離子源束流分布參數(shù)對(duì)溫度的影響

假設(shè)=100s，=120W，其他參數(shù)取離子源常見參數(shù)，將參數(shù)代入式（4），獲得了離子源駐留點(diǎn)最高溫度隨離子源束流分布參數(shù)的變化曲線，如圖4所示。

從圖4可以看出：隨著離子源束流分布參數(shù)的增大，束流能量越來越分散，導(dǎo)致駐留點(diǎn)最高溫度隨著離子源束流分布參數(shù)的增大而快速減小。因此，為降低離子束加工溫度，在相同的離子束發(fā)射功率需要選擇合適的離子束。

（3）離子源功率對(duì)溫度的影響

假設(shè)=20mm，=100s，其他參數(shù)取離子源常見參數(shù)，將參數(shù)代入式（4），獲得了離子源駐留點(diǎn)最高溫度隨離子源功率的變化曲線，如圖5所示。

圖4 離子源駐留點(diǎn)最高溫度與離子源束流分布參數(shù)的關(guān)系

圖5 離子源駐留點(diǎn)最高溫度與離子源功率的關(guān)系

從圖5可以看出：隨著離子源功率的增大，離子源駐留點(diǎn)最高溫度呈線性增長。因此，可通過設(shè)置離子源功率的大小，控制加工時(shí)的溫度。

2.2 離子束加工熱效應(yīng)模型動(dòng)態(tài)分析

從式（4）可以看出，當(dāng)≠0時(shí)，離子源以一定的速度在鏡面上運(yùn)動(dòng)，能量將在鏡面上動(dòng)態(tài)累積。

假設(shè)=20mm，=120W，其他參數(shù)取離子源常見參數(shù)，分析離子源以不同的速度沿方向運(yùn)行0.3m時(shí)，鏡面最高溫度的大小及出現(xiàn)在鏡面的位置，如圖6所示。

從圖6可以看出：在離子源運(yùn)行一定距離后，運(yùn)行速度越慢，運(yùn)行路徑上的最高溫度越高，最高溫度點(diǎn)離加工起始點(diǎn)越近；運(yùn)行速度越快，運(yùn)行路徑上的最高溫度相對(duì)較低，最高溫度點(diǎn)離加工起始點(diǎn)越遠(yuǎn)。

圖6 離子源不同速度時(shí)鏡面最高溫度的大小及位置

實(shí)際加工時(shí)，離子源以柵線運(yùn)動(dòng)軌跡的形式掃描鏡面，柵線緊密。加工時(shí)間相對(duì)較長意味著離子束運(yùn)行速度慢，能量累積多。可通過將離子源一次加工所掃描的稠密路徑拆分成多次稀疏的加工路徑，即離子源從初始加工位置開始運(yùn)行第一行后，不直接轉(zhuǎn)入到第二行，而是跨越到第+1（為行數(shù)，>1）行開始加工，重復(fù)此跨行加工，直至到最后一行，然后再轉(zhuǎn)到第二行進(jìn)行加工，直到離子源覆蓋所有加工路徑，如圖7所示。

圖7 離子源加工路徑優(yōu)化

3 組件級(jí)光學(xué)產(chǎn)品離子束加工驗(yàn)證

本文結(jié)合某型號(hào)直徑為1 000mm雙凹型結(jié)構(gòu)的非球面反射鏡組件開展研究，鏡體材料也為ULE玻璃，包含對(duì)溫度敏感的粘接膠層，溫度閾值為70℃。

加工過程采用德國NTG 離子束設(shè)備，綜合考慮實(shí)際情況及分析數(shù)據(jù)，優(yōu)化選擇的參數(shù)為：RF60離子源，=35mm，=120W。通過分解加工路徑，使原來的加工柵線路徑間隔由5mm變成5個(gè)間隔為25mm的柵線疊加，即=5。同時(shí)控制加工最小速度的不小于3mm/s。在反射鏡組件的嵌套位置布置了4個(gè)測溫點(diǎn)，用于監(jiān)控膠層附近的實(shí)時(shí)溫度。

將上述參數(shù)帶入模型，計(jì)算得到了加工過程中反射鏡最高溫度隨時(shí)間的變化曲線，最高溫度為51.36℃，如圖8所示。加工中的實(shí)測最高溫度為47.19℃，與理論值基本一致，滿足了膠層對(duì)溫度閾值的需求。

圖8 仿真計(jì)算的反射鏡最高溫度隨時(shí)間變化曲線

4 結(jié)論

基于離子束加工過程中的動(dòng)態(tài)熱傳輸理論模型，分析了駐留時(shí)間、束流分布參數(shù)、離子源功率以及加工速度對(duì)加工能量累積過程的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)影響，為確定加工過程的合適工藝參數(shù)提供指導(dǎo)。在某直徑為1 000mm非球面ULE反射鏡組件的加工中進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)測加工中的最高溫度為47.19℃，滿足了膠層對(duì)溫度閾值70℃的需求，實(shí)現(xiàn)了反射鏡組件的低溫加工，極大的減少光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)誤差的引入，減少復(fù)雜的試驗(yàn)項(xiàng)目，縮短了空間光學(xué)載荷的研制成本和研制周期。

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Thermal Effect in Ion Beam Figuring of Optical Mirror Assembly

WANG Yonggang1,2LI Ang1,2MENG Xiaohui1,2LI Wenqing1,2ZHANG Jiyou1,2

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）（2 Optical Ultraprecise Processing Technology Innovation Center for Science and Technology Industry of National Defense, Beijing 100094, China ）

According to the characteristics of energy distribution of the ion beam, a dynamic thermal transfer model in ion beam processing is established. The dynamic thermal transfer model can be used to resolve the negative effects of heat cumulative effect on the physical properties of the adhesive layer of the space mirror assembly. The thermal effects caused by parameters of dwell time, beam distribution and ion source power are analyzed statically and dynamically, which provides a guidance for determining the parameters in ion beam processing mirror assembly. Finally, the verification was carried out in figuring a Φ1000mm ULE mirror assembly. The highest temperature in the actual processing was 47.19℃ and consistent with the theoretical value, which meet the requirement of the adhesive layer for the temperature threshold of 70℃. This paper can provide a guidance for the determination of ion beam processing parameters in figuring mirror assembly.

optical mirror assembly; thermal transfer model; dwell time; beam profile parameters; ion source power; space camera

TH706

A

1009-8518(2021)03-0072-07

10.3969/j.issn.1009-8518.2021.03.008

2020-11-18

國防科技創(chuàng)新特區(qū)項(xiàng)目（19-163-18-ZT-013-023-01）

王永剛, 李昂, 孟曉輝, 等. 光學(xué)反射鏡組件離子束加工中的熱效應(yīng)[J]. 航天返回與遙感, 2021, 42(3): 72-78. WANG Yonggang, LI Ang, MENG Xiaohui, et al. Thermal Effect in Ion Beam Figuring of Optical Mirror Assembly[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(3): 72-78 (in Chinese)

王永剛，男，1982年生，2010年獲得中科院長春光機(jī)所光學(xué)專業(yè)博士學(xué)位，研究員。研究方向?yàn)榇罂趶椒瓷溏R先進(jìn)加工及檢測技術(shù)。E-mail：vangernh@126.com。

（編輯：王麗霞）