光学元件精密加工中的磁流变抛光技术工艺参数

光学元件精密加工中的磁流变抛光技术工艺参数秦北志 ， 杨李茗 ， 朱日宏 ， 侯 晶 ， 袁志刚 ， 郑 楠 ， 唐才学(1.成都精密光学工程研究中心，成都 610041； 2.南京理工大学 电子工程与光电信息技术学院，南京 210094)摘 要： 为了充分掌握磁流变抛光中磁场强度、浸入深度、抛光轮转速、磁流变液水分含量等工艺参数对抛光结果的影响规律，以期提高元件的面形精度和表面的质量，在研究了磁流变抛光材料的去除数学模型的基础上，结合实验室的 PKC100-P1型抛光设备 ，对上述的关键工艺参数分别进行了研究，设置了-系列的实验参数 ，进行了详细的实验探索，分析了单因素条件下材料的去除量以及元件表面质量同关键工艺参数 的内在联系，得出了相应影响关系曲线。从关系曲线表明：工艺参数对抛光斑的去除效率以及被加工元件表面质量存在着明显的影响规律，掌握这些影响关系就能用于分析和优化磁流变加工的结果，为高精度光学表面的加工提供可靠的保障，同时实验的结果也很好地验证了磁流变抛光材料去除理论的正确性。

关键词： 精密加工； 磁流变抛光 ； 去除函数； 磁流变液； Preston方程中图分 类号 ： TH161 文献标志码 ： A doi：10.3788/HPLPB20132509.2281随着现代科学技术的迅猛发展，在激光聚变、航天航空、太空探测等领域对高性能的光学元件的需求量越来越大，并且对元件本身的面型精、粗糙度等指标要求越发严格。传统的加工方法已经无法满足现行的加工要求 。磁流变抛光是 20世纪 90年代初美 国 Rochester大学光学 中心 的 I.V.Prokhorov，W.I.Kordonski，D。

Golini及其众多合作者将电磁学、流体动力学、分析化学相结合而提出的-种新型的光学元件加工方法[1 ]。

该项技术至今已有较大的发展，相关研究仍在继续，特别是将磁流变抛光与化学刻蚀等技术相结合，提高光学元件抗激光损伤阈值，因此，磁流变抛光技术在惯性约束聚变领域将有广阔的应用前景[4 利用磁流变抛光技术加工元件，需要找寻合适的工艺参数从而确保抛光斑适合要加工的面型。为了能够匹配出最佳的工艺参数就需要掌握各项参数对抛光效果影响的规律，相关的文献对此也有-定研究，但很少给出明确的优化指导。本文设计 了相关实验 ，找寻磁流变抛光技术中相关重要工艺参数 的影响规律 ，并得出相关影响关系曲线 。另外 ，在平常的加工中，磁流变抛光所用的磁流变液的稳定性对加工时抛光斑的稳定性影响也较大，其中比较明显的是磁流变液中水分含量的变化会导致抛光斑去除效率的变化，目前对于抛光斑稳定性的相关研究较少，针对该因素本文做了详细的实验研究，总结出了该因素的影响曲线图，便于进行水分控制。

1 磁流变抛光的材料去除原理磁流变液在磁场作用下形成具有-定厚度和硬度的小磨头”，见图 1 ]，代替传统抛光中的刚性抛光盘对加工材料进行抛光。通过控制机器的各种工艺参数对小磨头”的形状和大续行改变以满足加工中的各种要求。大量实验证明，磁流变抛光的去除函数符合 Preston[7 方程，材料去除率 r可以表示成r- K由 ：K - K (1)/z式 中：K为 Preston系数 ，它与磁流变液的组成 以及加工时的温度、被加工材料 的性质有关 ；P为抛光 区域 内受到的压力；W 为抛光功率； 为小磨头”与工件表面的摩擦系数；r为小磨头”对工件表面的剪切力； 为抛光区域内小磨头”与工件的相对速度，若工艺参数不变，口值只与抛光轮的线速度有关， -k。U，此时去除函数的形式变为r- K P -K (2)式中：K 为常系数；己，为抛光轮线速度。式(2)表明，磁流变抛光的材料去除率只与抛光轮线速度和流体动压 收稿 日期 ：2012-12-14； 修订 日期 ：2013-03-25基金项 目：中国工程物理研究 院双百人才”基金项 目(zxrl14)作者简介：秦北志(1987-)，男，硕士研究生，目前从事光学检测及先进光学制造工艺研究；qinbeizhi###126.corn。

通信作者：杨李茗(1967-)，男，博士生导师，主要从事先进光学制造技术、检测技术研究；lmyang###rip.sina.tom。

第 9期 秦北志等：光学元件精密加工中的磁流变抛光技术工艺参数(4)磁流变液水分质量分数变化对去除效率及表面粗糙度的影响：磁流变液的水分质量分数的变化会引起磁流变的粘度等变化，从而会影响抛光斑的去除效率和被加工件的表面粗糙度的变化。而这-因素，在相关的文献中提及较少，对其关注较少。本文设计实验，观察不同梯度水分质量分数变化对去除效率及粗糙度的影响。水分测试使用的是日本 AND公司 MX-50型水分测试仪，测量精度为 0.01 (质量比)。

3 实验结果与讨论3.1 浸入深度对抛光效率以及元件表面粗糙度的影响浸入深度是指被加工元件表面进入缎带 内部的深度。增加浸入深度 即是减少抛光轮与工件之间的间隙h 。，影响材料的去除效率和最终元件表面的粗糙度。相关的研究实验结果如表 1所示(实验中抛光轮的转速均为 1200 r/rain；磁场为恒磁场 ；磁流变液流量为 520 mL/min；缎带厚度为 1.3 mm)。

表 1 斑形长宽。去除率及表面粗糙度随浸深的变化统计Table 1 Size of polishing spo t，removal rates and roughncss changing with immersion从上述实验的结果来看，随着浸入深度的增加(抛光轮与工件之间的间隙 。减小)抛光液与元件的接触面积变大，抛光斑的尺寸也变大。相应的材料去除效率(峰值去除率和体积去除率)均增加，加工后元件表面的粗糙度也随浸入深度的增加而增加。对应 Preston方程，当浸深增加，抛光间隙 。减小，抛光区域的流体动压力 P相应增加，机械磨削增强，材料去除率 r变大；同时由于机械磨削作用的增强，元件表面的粗糙度也增加。

加工中，在初期的阶段属于大面积修面型材料，去除量大，可以采用较大的浸深，提高加工的效率；后续面型接近预定值时材料去除量减少，为了保证好的表面粗糙度就可以采用较小的浸深，精修面型。

3.2 抛光轮转速对抛光效率及元件表面粗糙度的影响抛光轮的转速直接影响抛光区域小磨头”与工件的相对速度 ，抛光轮的转速增加会影响材料去除率和被加工元件表面的粗糙度。对该因素进行了研究实验，结果如表 2所示(本轮实验中磁场为恒磁场；磁流变液流量为 520 mL/min；缎带厚度为 1.3 mm；浸入深度均为 0.4 mm)。

表 2 斑形长宽、去除率及表面粗糙 度随抛 光轮转速 的变化统计Table 2 Size of po lishing spo t，removal rates and ro ughness Rq changing with ro tating speed of polishing wheel上述实验中仅仅改变抛光轮的转速，对于循环系统的流量、缎带的厚度、浸入深度等参数都保持不变。这里与其他相关文献中关于抛光轮转速的实验略有区别 ，文中的实验每次都会调整喷嘴位置进行缎带标定 ，我们将缎带的厚度保持在 1.3 mm不变，并且浸入深度控制在 0.4 mm。这样在 520 mL/min的流量保持不变的情况下，抛光轮转速慢时缎带就会变宽，使得小磨头”与元件接触面积增加，打出来的斑形尺寸较大。从实验的数据来看，抛光轮的速度增加时，峰值去除率确实增加，但是由于转速增加时缎带变窄，导致抛光斑变小，故体积去除率降低。73增加时抛光区域机械磨削作用增强，那么峰值去除效率增加，被加工元件表面粗糙度变差。

实际加工中，我们抛光轮的转速不能过低或过高，过低时单位时间通过抛光区域的抛光液变多容易造成堵塞使抛光区域压力不均匀；过高时会导致缎带不连续造成去除函数不稳定。

强 激 光 与 粒 子 束 第 25卷3.3 磁流变液中水分质量分数的影响I质量比)传统抛光工艺中，我们知道抛光液中水分质量分数在加工中对材料的去除效率和最终元件表面粗糙度有- 定的影响，然而在MRF加工中较少考虑磁流变液中水分质量分数的变化对材料去除效率的影响，并且相关文献对水分的影响的分析也较少。本文就该因素做了实验研究，找寻出了-定的影响规律。

(1)对 QED公司的 1号磁流变液的研究，结果如表 3所示。

表 3 斑形长宽、去除率及表面租糙度随水允变化规律统计Table 3 W ater content affects removal rates。spot size and rollghll (2)对 QED公司的 2号磁流变液的研究对于 2号磁流变液，我们测试了不同水分质量分数及不同浸入深度下，材料去除的测试，结果如表4所示。

表 4 不同浸深下 。水分质量分数变化对去除率 以及粗糙度的影响Table 4 W ater content affec tsremoval ra tes and roughness传统的抛光工艺中，抛光液中水分质量分数对元件材料的去除效率以及被加工元件表面粗糙度有-定的影响。在抛光中起积极作用的水在很多文献中曾经讨论过，如果抛光被认为是很多小抛光事件的组合，那么水的作用可以由Michalske和Bunke的理论来解释。他们阐述了水如何在裂纹的尖头破坏 Si-O-Si的化学键，从而导致了玻璃断裂韧度的降低。水的存在以及由抛光粉对于玻璃表面产生的应力能显著地降低材料的断裂韧度以及加速整个动力学过程，这对于水在抛光中增加材料的去除量是-个可能的解释∩见传统抛光工艺中，玻璃的水解作用也是-个较为重要的材料去除因素。

通过观察磁流变抛光的实验结果发现，磁流变液中水分质量分数的变化，也引起了材料去除率的变化，这- 点在实验中的两种磁流变液中均有明显的体现。但区别于传统抛光工艺的是，这里磁流变抛光液中水分质量分数的增加却导致材料去除效率的降低，这是因为随着水分的增加使得磁流变液粘度变低，在小磨头”作用区域的流体动压力也相应的减小，导致抛光颗粒的机械磨削作用减弱，材料的去除率也会降低，同时由于机械磨削的减弱元件表面的粗糙度就会相应变小，从这-点上也能很好的说明 MRF加工中材料的去除机理主要还是机械磨削。从实验的结果来看，MRF抛光中，磁流变液水分质量分数对去除效率和表面粗糙度的影响相对较大，所以在日常加工中就要求控制好机床的补水频率，确保水分质量分数的稳定，这样才能使得加工中的去除函数稳定，保证最终的加工精度。

3.4 实验结果分析结合实验研究的得到的最终实验数据来分析以上几个工艺参数对 MRF加工中去除函数的影响。

关于浸深，浸深的改变主要引起了抛光区域流体动压力的变化，从而影响了去除函数 r抛光区域剪切力 r的变化。对应于式(2)和式(3)，浸深加大时，抛光轮与工件间隙 h 。减小，从式(3)中可以直观地体现出去除函数 r的增加，实验结果也能很好地说明这点〓深过小时打出来的斑形过小，虽然加工的元件表面粗糙度较好，但是去除效率太低，不适合初始加工阶段，适合精修面型；浸深过大时打出来的斑形大而且去除效率高，但第 9期 秦北志等：光学元件精密加工中的磁流变抛光技术工艺参数 2285是元件的表面粗糙度不好。从实验得到的数据来看，初始加工元件时由于需要大量的去除材料可以将浸深控制在 0.4～0.5 mm，此时材料去除率相对较大但加工的元件表面粗糙度不是很差；到后续精修阶段，可以将浸深控制在 0.2～O.3 mm，此时材料 的去除率大概只有初期 的 30 ，抛光斑也只有初期阶段抛光斑尺寸的 4O左右，去除率的下降使得机械磨削减弱，被加工元件的表面粗糙度确实得到较大的改善。所以实际加工中，要根据实际元件的面型 ，在加工的不同阶段选择合适 的浸入深度以满足加工的需要 。

关于抛光轮线速度u，若保持其他工艺参数不变，Preston方程中 7的变化只与抛光轮的线速度 u有关，并且满足线性关系。抛光轮线速度的增加也会直接导致去除率 r的增加，式(2)和式(3)也很好地反映了这-点，与实验的结果也是基本吻合。从实验数据结果来看，当抛光轮的转速高于 1300 r/min时，峰值去除率很高，但过高的转速会使得固定流量下的抛光缎带变窄体积导致抛光斑变小体积去除率很小，同时由于高转速下机械抛光区域的机械磨削加强，被加工元件的表面粗糙度很差；当转速低于 1000 r/min时，固定流量下的抛光缎带变宽，抛光区域抛光液过多造成堵塞压力也不均匀，故而打出来的抛光斑尺寸较大，但峰值去除率确实很低，同时去除函数也不稳定，实验中将转速控制在 1200 r/min左右较为合适。实际加工中，必须结合机床的条件选认适的转速，因为过快或过慢的速度都会导致缎带的不稳定从而引起抛光斑的不稳定，不利于加工。

关于磁流变液中水分的含量 ，当机床 的工艺参数保持不变后 ，实 际加工过程中会发现去除函数有 时不稳定，会在整个加工周期内发生变化。这里做了水分质量分数对去除函数影响的研究。实验中水分质量分数的增加导致了去除效率的降低，从最终数据来看，水分质量分数从初始的14.3 增加 3%到含量为 17.5%，峰值去除率下降为初始的 44.1 ，体积去除率下降为初始的32.5 9/6，可见水分质量分数的变化对去除效率的影响较大；另外在 15.5 ～1 7， 范围内，实验数据显示 当水分变化 0.5 时去除效率降低 1O ～25 ；加工中要将水分变化控制在 0.1 内，去除效率的变化量才会控制在 2 。对应到式(3)，水分增加后，磁流变液中磁性微粒的体积分数 也会随着降低，去除率 ，-减小，另外水分质量分数的增加使得同流量下抛光区域的流体动压力也会相应减小，抛光区域剪切力 r减小，去除率也降低。该去除函数模型也能很好地说明实验结果曲线的正确性 。

结合 Preston方程以及从 中推导的去除函数模型来看 ，本文实验中总结出的工艺参数的影响规律 以及得到的曲线图是 比较正确的，可 以用来指导抛光工艺的优化。

4 结 论磁流变抛光是-种新型的光学加工方法，利用磁流变液在抛光区域形成的柔性磨头”可以对硬脆材料进行抛光并且能够获得较好的表面质量♂合 Preston方程以及上述的工艺试验结果可以看出，当磁场强度增加，抛光间隙减少，抛光轮转速增加时，材料的去除效率均增加，但是元件的表面粗糙度也相应增加。磁流变液的流量，抛光轮的转速在-定程度上与缎带的厚度相互影响，为确保加工中抛光缎带的稳定，要根据机床的自身能力选择合适的流量以及与之匹配的抛光轮转速。从实验结果来看，磁流变抛光中，材料去除效率和元件表面粗糙度是-组相互矛盾的指标。材料去除效率高时，机械磨削作用很强，被加工的元件的表面粗糙度很差。

因此要根据元件加工的各个阶段，选认适的抛光参数。在加工的初始阶段由于面型较差需要大面积去除材料 ，可 以采用较大的抛光斑进行粗抛 ；后续精修面型时去除量小 ，则可选择较小的抛光斑精抛。另外 ，本文对磁流变液的研究中，将磁流变液水分质量分数这-因素对加工的影响引入实验研究，相关文献资料对该因素研究较少，可见这-因素没有被重视。实验的结果显示，在磁流变抛光中，水分质量分数的增加去除效率下降，这个结果和传统抛光中结果刚好相反。这个结果也较好的说明，磁流变抛光材料去除机理主要还是机械磨削，水解作用影响较校那么加工中，必须控制好磁流变液的水分，以保证抛光斑的准确性，才能确保加工的精度。