Characterization of Ultra-precision Machined Surfaces for High-Quality Optical Mirrors Using Power Spectral Density Analysis

Abstract

Este trabalho apresenta a caracterização de superfícies espelhadas produzidas por usinagem de ultraprecisão por meio da análise de densidade espectral de potência. O estudo foca na liga de alumínio RSA-501, amplamente utilizada em aplicações de usinagem de ultra-precisão devido à sua estrutura de grãos ultrafinos, que permite alcançar uma rugosidade significativamente menor em comparação com as ligas de alumínio padrão. As superfícies foram fabricadas por flycutting sob condições ambientais controladas em um centro de usinagem de ultra-precisão. A investigação teve como objetivo identificar como oscilações mecânicas e desalinhamentos ao longo do eixo vertical da máquina afetam a topografia resultante da superfície e avaliar a análise espectral de potência para diagnosticar tais efeitos. Os dados das superfícies foram obtidos por interferometria de luz branca e microscopia de força atômica, cada uma cobrindo faixas distintas de frequência espacial. Um procedimento computacional foi desenvolvido para processar, combinar e interpretar os dados espectrais, permitindo a geração de curvas contínuas de densidade espectral de potência ao longo de várias décadas de frequência espacial. A concordância entre os valores calculados pela integração da densidade espectral de potência e aqueles obtidos diretamente no domínio espacial confirmou a consistência da análise. A comparação entre as superfícies produzidas antes e depois da correção do movimento do eixo Z2 mostrou diferenças espectrais claras, especialmente nas frequências. Após a correção, esses picos foram reduzidos, indicando maior estabilidade do processo. Os resultados demonstram que a análise de densidade espectral de potência fornece uma descrição mais completa dos mecanismos de formação da superfície do que os parâmetros convencionais de rugosidade, permitindo identificar assinaturas relacionadas ao processo e apoiar a otimização da usinagem de ultra-precisão para a fabricação de espelhos ópticos de alta qualidade

ABSTRACT This work presents the characterization of mirror surfaces produced by ultra-precision machining through power spectral density analysis. The study focuses on aluminum alloy RSA-501, widely used in ultra-precision applications because its ultra-fine grain structure allows the achievement of significantly lower surface roughness compared to standard aluminum alloys. Surfaces were fabricated by flycutting under controlled environmental conditions on an ultra-precision machining center. The investigation aimed to identify how mechanical oscillations and misalignments along the machine tool’s vertical axis affect the resulting surface topography and to evaluate the potential of spectral analysis for diagnosing such effects. Surface data were acquired using white light interferometry and atomic force microscopy, each covering distinct spatial frequency ranges. A computational procedure was developed to process, merge, and interpret the spectral data, allowing the generation of continuous power spectral density curves across several decades of spatial frequency. The agreement between values calculated from the power spectral density integration and those obtained directly from the spatial domain confirmed the consistency of the analysis. The comparison between surfaces produced before and after correcting the Z2-Axis motion showed clear spectral differences, particularly at mid frequencies. After correction, these peaks were reduced, indicating improved process stability. The results demonstrate that power spectral density analysis provides a more comprehensive description of surface formation mechanisms than conventional roughness parameters, enabling the identification of process-related signatures and supporting the optimization of ultra-precision machining for high-quality optical mirrors.