[发明专利]一种Wolter-I型精密芯轴的制造工艺

说明书

本发明公开了一种Wolter‑I型精密芯轴的制造工艺，其工艺流程为：铝合金圆棒料毛坯→两步粗车削芯轴毛坯→测量→芯轴表面化学镀镍磷合金→低成本精密车削芯轴→测量→低成本自动抛光芯轴→测量→手工修正抛光芯轴→测量→芯轴完成。本发明在Wolter‑I型反射镜制造工艺过程中为保证加工轮廓的精度，对复制用光学芯轴的制造采用工具中心沿着待加工轨迹等距线运动的方法，在XZ两轴数控机床中完成光学芯轴的车削和抛光工艺，提高了车削和抛光后芯轴的表面轮廓形状精度，减少了使用三轴以上的多轴数控机床进行车削、磨削和抛光的设备成本和加工成本，从而降低了复制用光学芯轴和Wolter‑I型反射镜的制造成本。

技术领域

本发明属于光学和精密制造技术领域，涉及一种精密芯轴的制造工艺，尤其涉及一种采用2轴机床加工Wolter-I型精密芯轴的工艺。

背景技术

由于极紫外光、软X射线和硬X射线的波长很短，在介质中的折射率接近于1，从而不能采用折射的方法使其聚焦，必须采用反射式光学系统使其聚焦。然而这种短波长的光很容易被周围的物质所吸收或直接穿透大多数物质，其对大多数物质而言光的反射率是极低的。但是这种光在一般物质中的折射率略小于1，故光线从真空入射反射物质时，当入射角接近90度时，就能发生全反射现象。利用这种全反射现象，开创了X射线掠入射光学。目前广泛采用的Woler-I型成像系统就是掠入射成像系统中的重要一种。例如： X射线望远镜、X射线显微镜、极紫外（EUV）光刻系统中的收集器等。这种Woler-I型反射镜是由两个同轴共焦的轴对称非球面组合而成，非球面的陡度（长径比）一般较大，并且精度要求高，制造十分困难。图1是Wolter-I型反射镜结构示意图，其中A和B是反射镜子午截面轮廓曲线的端点，R是两片非球面子午截面轮廓曲线的交点。

目前制造这种Wolter-I型反射镜是基于现有的X射线光学设计和复制制造工艺，首先采用单点金刚石车削技术或磨削技术加工出与反射镜内表面质量相同的芯轴外表面；然后对芯轴表面进行超精密抛光，以获得符合应用需求的芯轴表面；最后将芯轴作为母模通过物理气象沉积（PVD）或化学气象沉积（CVD）工艺复制出反射镜内表面，并通过电铸工艺生长出镜壳，最终将反射镜从芯轴脱离，完成单个反射镜的制造。这种复制方法将对内表面的车削、磨削、抛光等加工转化为对外表面的加工，降低了加工难度，而且脱模后的芯轴母模经过简单修整可以再次使用，适合反射镜的批量生产。

然而，复制制造高精度Wolter-I型反射镜的工艺复杂而且加工精度要求高，对反射镜质量影响的关键因素是复制用的光学芯轴的表面质量，单个芯轴的表面是两片高陡度非球面组合而成，这种高陡度非球面具有较大的长径比，加工制造困难。芯轴毛坯的粗车削方法常常是用直线代替非球面，通过普通数控车削获得芯轴毛坯，这种方法得到的芯轴毛坯表面形状和所需非球面面形偏离较大，增加了精加工时的总的去除余量。或者使用三维CAM软件建模生成加工所需数控代码，直接进行数控加工以获取所需非球面面形，从而完成芯轴毛坯的粗加工，这种方法粗加工的高陡度非球面面形和理想面形之间仍然存在较大偏差。增加了精密车削加工时的总去除余量，会增加刀具的磨损。芯轴的精密车削、研磨或抛光常采用三轴以上的多轴超精密机床进行，以控制加工工具与工件之间的精确位置关系。相比于传统的XZ两轴超精密机床而言，增加一套精密旋转B轴及其控制系统的成本高达百万以上，使得这种多轴超精密机床的制造成本变得昂贵，而且使用这种多轴超精密机床进行加工的加工成本也是非常昂贵的，使得复制所用的光学芯轴的制造成本是非常昂贵的，这同时也增加了反射镜的制造成本。

发明内容

针对高精度Wolter-I型芯轴加工困难和制造成本高的问题，本发明进行了工艺的改进与优化，提供了一种Wolter-I型精密芯轴的制造工艺，采用2轴机床加工芯轴，解决了制造成本高的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种Wolter-I型精密芯轴的制造工艺，包括如下步骤：

第一步、两步粗车削芯轴毛坯：

（1）第一步粗车削：