光学轮廓仪应用：铝合金反射镜 NiP 镀层的磁流变抛光技术研究

 

铝合金反射镜是大型太空望远镜等光学系统核心部件，表面质量影响成像精度。NiP 镀层经单点金刚石车削后残留螺旋状刀痕，导致色散和重影，需进一步抛光。磁流变抛光因高效、优质、低成本成为潜在方案。光子湾科技的光学轮廓仪等技术在精密检测中作用显著，本文结合其三维轮廓观测技术，研究铝合金反射镜NiP 镀层的磁流变超精密抛光，为高精度光学元件制造提供支撑。

 

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研究背景

磁流变抛光原理图

超精密抛光技术现状：主流技术有化学机械抛光（CMP）、应力盘抛光（SLP）、离子束抛光（IBF）、气囊抛光（ABP）等，但各有局限：CMP 材料适应性差且污染环境；SLP 对软质材料适用性有限；IBF 效率低且设备昂贵；ABP压力控制难度大。

磁流变抛光与NiP 镀层抛光研究现状：磁流变抛光技术现有轮式、球头式、集群式等形式，集群式更适用于平面工件高效抛光。NiP 镀层抛光中，传统技术难兼顾效率与精度，磁流变抛光虽已应用，但需优化工艺以去除周期性刀痕。

 

 

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NiP 镀层的基本性质与表征方法

 

 

经SPDT后表面色散现象 (a)车削表面光镜图(b)反射镜表面“彩虹斑图

1. NiP 镀层基本特性

实验所用NiP 镀层为非晶结构，P 含量 6.2wt.%，厚度 32.4μm，显微硬度 HV1.0 约 460，结构致密均匀，适合超精密抛光。

2. SPDT 加工缺陷

SPDT 加工后残留的螺旋状刀痕类似反射光栅，会导致“彩虹斑” 现象，影响成像质量，需通过抛光去除。

3. 形貌表征与分析方法

采用光学轮廓仪和原子力显微镜表征表面形貌，光学轮廓仪垂直分辨率达0.1nm，AFMZ 轴分辨率达 0.03nm。引入功率谱密度（PSD）定量分析表面粗糙度与空间频率分布，弥补传统评价方法的不足。

 

 

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磁流变抛光液的制备与表征

1. 组成与配方

选用去离子水为基载液，羰基铁粉为磁性颗粒，100nm 氧化铈为磨粒，添加六偏磷酸钠（分散剂）、气相二氧化硅（触变剂）等，优化配方以提升稳定性和剪切性能。

2. 性能指标

制备的抛光液剪切应力（500mT）达 35.6kPa，42h 沉降率仅 17.5%，零场粘度低，满足超精密抛光要求。

 

 

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磁流变抛光试验设备设计与搭建

1. 设备组成

设备包括抛光盘、工件轴、励磁装置等，抛光盘转速0~100rpm，工件轴转速 0~800rpm，可加工尺寸 < 100mm。

2.励磁装置优化

设计三种励磁装置，通过磁场仿真和去除率对比，确定海尔贝克阵列磁铁（HB35）性能最优，其 4mm 高度处最大磁通密度达 475mT，材料去除率达 55.86nm/min，为圆柱形磁铁的 2.68 倍。

 

 

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抛光工艺优化与表面质量评价

光学轮廓仪表征试验抛光后的三维形貌图

正交试验：以磨粒体积分数等为因素，发现加工间隙对去除率影响最显著，抛光盘转速对表面粗糙度影响最显著，最优工艺实现表面粗糙度Sa=0.544nm。

表面质量改善：抛光后，光学轮廓仪测得表面粗糙度 Sq 从 3.776nm 降至 0.433nm（降 88.5%），AFM 测得 Sq 从 5.338nm 降至 0.961nm（降 82%），螺旋状刀痕完全去除。

PSD 分析：抛光后0.0012~12.7μm⁻¹ 频段内表面全误差显著改善，尤其空间频率 < 1μm⁻¹ 误差去除效果突出。

综上，制备高性能磁流变抛光液、搭建试验设备及优化工艺后实现NiP 镀层超光滑表面（Sq<1nm），有效去除周期性刀痕，提升反射率。光子湾科技的光学轮廓仪可为本研究表面质量评价提供关键支撑，其三维成像技术在光学制造领域的深度应用，将持续推动超精密加工技术的发展与创新。

 

 

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光子湾光学轮廓仪

 

 

光子湾光学轮廓仪是一款用于对各种精密器件及材料表面，可应对多样化测量场景，能够快速高效完成亚微米级形貌和表面粗糙度的精准测量任务，提供值得信赖的高质量数据。

 

超宽视野范围，高精细彩色图像观察

提供粗糙度、几何轮廓、结构、频率、功能等五大分析技术

采用针孔共聚焦光学系统，高稳定性结构设计

提供调整位置、纠正、滤波、提取四大模块的数据处理功能

光子湾光学轮廓仪以原位观察与三维成像能力，为铝合金反射镜NiP 镀层的磁流变超精密抛光的研究提供表征技术支撑，助力从表面粗糙度与性能分析的精准把控，成为推动高端制造领域质量升级的重要光学测量工具。

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原文参考：《铝合金反射镜 NiP 镀层的磁流变超精密抛光技术研究》

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