专利名称：一种薄壁金属曲面镜面的制造方法
技术领域：
本发明涉及光学镜面的加工领域，属于金属曲面镜面的制作加工，特别是航天领域或其他光学仪器所需的在光学性质、重量、力学及导热性能等方面均有严格要求的薄壁大尺寸曲面镜面的制造。
在空间用光学仪器及设备中，如星用辐射计辐射致冷器等，是依靠另件表面的光学特性来达到工作目的，其中高反射率的光学镜面占有极重要的地位。在设计中，常根据实际工作条件对光学镜面提出各种限制性要求，如特殊面形、重量轻、导热性好、有优良的强度和刚度及表面的辐射和反射特性等。在文献“FLW-1辐射致冷器”(杨春江，制冷学报，1983年第三期)中，用于太阳同步轨道的辐射致冷器只需平面金属镜面即可，加工比较方便；在文献“用于空间光学仪器镜子的轻量化研究(裴云天等，中国空间科学技术，1991年第6期)中，虽镜面是曲面，但轴向尺寸不大，仍然以用整块材料精细加工为好；然而对于静止卫星用的辐射致冷器来说，应设计轴对称的曲面镜面，再考虑到其他要求，它最好由多种金属组成，其中有导热性能好的材料，也有机械性能优良的材料，其表面应对太阳光有优良的反射性能，且壁面要很薄，还必须具有良好的刚度和韧性，以满足卫星发射过程中不变形，故用普通的加工工艺难以达到目的。
本发明的目的在于提供一种在光学性质、重量、力学及导热性能等方面有严格要求的薄壁金属曲面镜面的制造方法，本发明的目的通过如下技术方案达到将合适的玻璃材料吹制成尺寸和形状适当的坯件，退火后经精密光学加工成在尺寸、面形及光洁度等方面均符合对镜面提出的技术要求的玻璃模具，再与其他另件合成电铸模具，然后在精密加工的玻璃模具上电铸成内表面面型和光洁度均与玻璃外表面相同的薄壁另件基体，再在真空中镀膜形成金属曲面镜面产品；或先在玻璃模具上真空镀膜形成镜面层再行电铸成型。本发明用精密加工的玻璃模具来保证光学镜面的面型及光洁度，用复合金属镜面基体来达到在力学及导热性能方面俱佳的目标。制造过程包括玻璃坯件的吹制、坯件退火、玻璃模具光学加工、玻璃表面金属化、组装成电铸模具、分层电铸成型、脱模及真空镀膜。
为方便地详细说明本发明细节，先对本发明
如下图1为本发明一个实施例的技术流程图。1为玻璃坯件吹制；2为玻璃坯件退火；3为玻璃模具光学加工；4为玻璃模具表面金属化；5为组装成电铸模具；6为电铸成型；7为脱模出光学另件；8为镜面镀制反射膜和保护膜。
图2为电铸模具的剖示图。图中9为电铸模具金属盖板，10为已完成光学加工和表面金属化的玻璃模具，11为胶封，12为橡胶片，13为塑料盖板，14为旋转轴。
图3为制成的光学另件及放大的局部剖面图。图中15为SiO2保护膜，16为银膜，17为铜层，18为镍层。
下面结合附图对本发明作进一步阐述。
(1)玻璃模具的吹制1。根据另件的尺寸大小，在留有足够加工余量的前提条件下制造出带排气孔的凹形吹制模具，将融熔态的玻璃体置于吹制模具内，从中间进行吹制，使玻璃体能厚度均匀地充满模具，用木板向模具口压去，使玻璃坯件丰满、完整。
(2)玻璃坯件退火2。在退火炉内使坯件处于所须的温度下持续足够长的时间，使其内应力水平下降到优于2级，使其可承受加工过程。
(3)玻璃模具光学加工3。通过精密光学加工使玻璃模具表面具有所需的面型和光洁度。加工前，先将玻璃坯件粘于夹具上。在专用机床上加工，先用接近目标面型的磨具进行磨砂，在细磨时不断修正曲面使其满足曲面方程，最后进行抛光。
(4)玻璃模具表面金属化4。表面金属化是玻璃模具电铸的前提。采用银镜反应以在玻璃外表面形成银膜。在此之前需进行彻底清洗，并用氯化亚锡进行活化，以锡离子为活化中心，在玻璃表面金属化时作催化剂。
(5)组装成电铸模具5。将玻璃模具与其他辅助件组合成电铸模具，并用软性胶(如硅橡胶等)在玻璃件、塑料盖板之间进行胶封以防电镀液渗入。
实施本发明的电铸模具在其对称轴线位置按置有整个电铸模具绕其旋转的旋转轴14，在玻璃模具10上下端各通过各自的塑料盖板13与各自的金属盖板9固定，旋转轴14连接在上下二块金属盖板9上，金属盖板9与玻璃模具10之间垫有橡胶片12，玻璃件及塑料盖板之间的间隙用软胶胶封11。
(6)电铸成型6。通过电铸形成另件基体。对电铸模具进行彻底清洗，然后在金属化的玻璃模具表面及其他指定部位进行电铸，过程中电铸模具保持在电铸溶液中旋转并适当设置电极以控制复杂形状另件各处的厚度均匀性，电铸层的厚度依对另件各方面性能的要求而定，电铸毕进行彻底清洗。
本发明电铸成型中是分层电铸多种金属而成，简单的例子是先电铸铜再电铸镍，铸铜是在硫酸铜溶液中进行的，使用下例配方及操作条件硫酸铜(CuSO4·5H2O) 200-250克/升硫酸(H2SO4) 65-75克/升温度 室温电流密度 2-5安培/平方分米铸镍是采用了硫酸盐—低氯化物型电铸工艺，其配方及操作条件如下硫酸镍(NiSO47H2O) 200-230克/升硼酸(H3BO3)35-40克/升氯化钠(NaCl) 15-18克/升硫酸钠(Na2SO4·10H2O) 80-100克/升糖精(C6H4COSO2·NH) 1-2克/升PH值 4.5-5.5温度 40-60 ℃电流密度 1-2安培/平方分米(7)脱模出光学另件7。先将电铸成的另件边缘与模具剥离，再利用金属的热胀系数比玻璃大的性质使用冷水和热水使电铸件与玻璃模具脱离，生产出内表面有银层的复合金属另件。
(8)真空镀膜8。先对另件内表面用胶棉液进行清洗，然后吊于真空镀膜设备内，在另件的旋转过程中并在离子枪辅助下完成镀制金属反射膜和保护膜，金属反射膜一般是银或铝，其保护膜为SiO或SiO2膜，如用金做反射膜则不需保护膜。
对上述方法能做出修改，即在玻璃模具光学加工3后，不进行玻璃表面金属化，而是在清洗之后先执行玻璃表面真空镀膜，即在真空下先镀一层脱膜剂(如硅油)，再镀一层保护膜(如用金为反射膜则不需镀保护膜)，最后镀上金属反射膜，即可组装成电铸模具后进行电铸，脱膜后即为薄膜金属曲面镜面产品。
本发明人用本发明方法进行了静止卫星辐射致冷器太阳反射屏的制造。该反射屏的面型为旋转抛物面，抛物面方程为X2+Y2＝149.491Z。它是一个在径向和轴向尺寸均较大的薄壁金属曲面镜面。其用途是将入射的阳光按指定角度高效率地反射回空间去。它还必须满足其他实用上的要求，如工作时，各处温差不大(最大不超过3K)，适应卫星发射时的恶劣力学环境和空间环境，重量限制在1200-1300克之间等。在本实例中，玻璃坯料为95#玻璃，吹制成的坯件侧壁厚度不小于10mm。光学加工在改造后的车床上进行。玻璃模具外表面的Ra优于0.012μm，图2示出了组合成的电铸模具。图3示出了制成的光学另件及放大的局部剖面图。其中金属反射膜为银膜，厚为1000-1500埃，保护膜为SiO2，厚度为1000埃左右，电铸的铜层厚度为约0.25mm，镍层厚度约0.25mm。实验证明该光学镜面完全满足使用要求。
本发明具有如下有益效果(1)在金属曲面镜面的制造中，如对金属表面进行抛光以达到精密镜面水平是一个很大的难题。按本发明提供的方法所制造的另件的内表面的面型和光洁度即为玻璃模具的面型和光洁度，而玻璃是较易加工成高光洁度镜面的。
(2)卫星用的金属光学镜面受重量严格限制，往往要求其厚度很薄才行，特别是尺寸较大的另件是很难直接加工制造的。用本发明所提供的方法能制造出尺寸大、壁很薄且光学性能极好的光学镜面。
(3)有的镜面，如卫星用辐射致冷器的镜面部分，要求另件兼有很好的温度均匀性和好的力学稳定性，即另件材料具有优良的热导率和较好的强度，这难以由一种金属或合金所满足。用本发明所提供的方法可分层电铸不同的金属，满足上述要求。
权利要求
1.一种薄壁金属曲面镜面的制造方法，包括将合适的玻璃材料吹制成尺寸和形状适当的坯件，退火后经精密光学加工成在尺寸、面形及光洁度等方面均符合对镜面提出的技术要求的玻璃模具，再与其他另件组合成电铸模具，用于制造产品；其特征在于在精密加工的玻璃模具上电铸成内表面面型和光洁度均与玻璃外表面相同的薄壁另件基体，再真空镀膜形成金属曲面镜面产品，或先在玻璃模具上真空镀膜形成镜面层后再行电铸成型。
2.根据权利要求1所规定的薄壁金属曲面镜面的制造方法，其特征在于用如下步骤加工(2-1)玻璃坯件的吹制将融熔的玻璃体在凹型金属模具内吹制成玻璃坯件；(2-2)玻璃坯件退火在退火炉内坯件处于所需温度下持续足够长的时间，降低内应力水平；(2-3)玻璃模具光学加工在专用机床上对玻璃坯件进行光学加工，制造出达到所需面型及光洁度的玻璃模具；(2-4)玻璃模具表面金属化在玻璃外表面进行银镜反应，使表面金属化；(2-5)组装成电铸模具将核玻璃模具与其他辅助件组装成电铸模具，并胶封间隙；(2-6)电铸成型对模具进行彻底清洗，然后在金属化的玻璃模具表面及其他指定部位进行电铸，形成光学镜面另件的基体；(2-7)脱模出光学另件利用模具玻璃与电铸层金属间热膨胀系数不同，靠冷、热交变进行脱模；(2-8)真空镀膜在脱模出的光学另件的内表面上在离子枪辅助下真空镀制金属反射膜和保护膜。
3.根据权利要求2所规定的薄壁金属曲面镜面的制造方法，其特征在于所说的步骤(2-4)玻璃模具表面金属化改为在精密加工好的玻璃模具上先实施真空镀制脱膜剂层(硅油)、保护膜和金属反射层，并实施其他工序，但省略步骤(2-8)。
4.根据权利要求2所规定的薄壁金属曲面镜面的制造方法，其特征在于，所说的在步骤(2-6)电铸成型中是分层电铸多种金属，并控制其金属层厚度；其电铸的铜层厚度为0.25mm，镍层厚度为的0.25mm。
5.根据权利要求1所规定的薄壁金属曲面镜面的制造方法，其特征在于，所说的实施该方法的电铸模具在其对称轴线按置有整个电铸模具绕其旋转的旋转轴(14)，在玻璃模具(10)上下端各通过各自的塑料盖板(13)与各自的金属盖板(9)固定，旋转轴(14)连接在金属盖板(9)上，金属盖板(9)与玻璃模具(10)之间垫有橡胶片(12)，玻璃件、塑料盖板之间的间隙用软胶胶封(11)。
全文摘要
本发明提供一种制造薄壁金属曲面镜面的方法。将合适的玻璃材料吹制成坯件，经光学加工成面形及光洁度均符合要求的玻璃模具。与其他辅助零件组合后形成可施以电铸的模具，可将玻璃模具表面金属化并根据需要在电镀槽内分层电铸多种金属，脱模后再真空镀膜形成镜面产品；或可在玻璃模具上在真空内镀以脱模层、保护膜及反射层后再行多层电铸，脱模后即成产品。适于制造光学、重量、力学及导热性能有严格要求的薄壁大尺寸曲面镜面。
文档编号C03B9/32GK1166461SQ9710632
公开日1997年12月3日 申请日期1997年3月18日 优先权日1997年3月18日
发明者杨春江, 潘国良, 王迁, 许步云, 王宪民, 周维邦, 朱招龙, 何长林 申请人:中国科学院上海技术物理研究所