摘 要:磁流变抛光是近十年来的一种新兴的先进光学制造技术,它利用磁流变抛光液在梯度磁场中发生流变而形成的具有粘塑行为的柔性“小磨头”进行抛光。被抛光光学元件的材料去除是在抛光区内实现的。首先简要阐述了磁流变抛光的抛光机理,然后利用标准磁流变抛光液进行抛光实验。研究了磁流变抛光中几种主要工艺参数对抛光区的大小和形状以及材料去除率的影响情况。最后给出了磁流变抛光材料去除的规律。
1 引 言
20世纪90年代初,W I Kordonski,I V Prokhorov及其合作者[1,2]突破了传统光学加工的束缚,将电磁学和流体动力学理论结合于光学加工中,发明了磁流变抛光技术(MRF)。该抛光方法具有抛光效率高、不产生下表面破坏层、适合复杂表面加工、材料去除函数始终固定不变等传统抛光所不具备的优点。
图1为磁流变抛光的原理示意图。磁流变抛光是利用磁流变抛光液在磁场中的流变性进行抛光。在高强度的梯度磁场作用下,磁流变抛光液发生流变,成为具有粘塑性的Bingham介质。当这种介质进入工件与运动盘形成的很小空隙时,在工件与之接触的区域形成一个小的柔性抛光“磨头”。由于“小磨头”与工件之间具有快速的相对运动,使工件表面受到很大的剪切力,从而使工件表面材料被去除。磁流变抛光利用柔性“小磨头”进行子口径抛光。因此,这种抛光方法特别适合于中小口径光学元件的加工。
2 磁流变抛光区的研究
在磁流变抛光中,被加工光学元件的材料去除是在抛光区内实现的。因此,研究磁流变抛光的抛光区特点是十分必要的。工件的曲率半径、工件浸入磁流变抛光液中的深度、工件轴的摆角等因素对磁流变抛光的抛光区大小和形状影响较大。下面,用标准磁流变抛光液(各成分的体积比浓度为:36%的羰基铁,55%的硅油,6%的氧化铈,3%的稳定剂)进行磁流变抛光实验,研究标准抛光区的形状以及各种因素对抛光区的影响。
2·1 磁流变抛光的标准抛光区形状
如图2所示,抛光前,调节磁极的高度,使磁极到工件的最小距离为10 mm。实验所使用的抛光液为标准的水基磁流变抛光液,其用量为50 mL。具体的实验条件如下:实验件是曲率半径为30 mm,口径为20 mm的K9玻璃;工件与运动盘所形成的间隙是1 mm;工件浸入抛光液中约1 mm。工件轴与运动盘表面垂直,即工件轴与运动盘表面的法线方向重合。此时,球面顶点位于球面中心。抛光时,工件静止不动,运动盘以40 r/min的速度转动,这相当于抛光区内运动盘的线速度为0·6 m/s。抛光5 min后,用ZYGO干涉仪测得如图2所示的抛光区形状。在图2中,上图是整个工件及标准抛光区的俯视图。图中箭头所指的方向代表磁流变抛光液的流动方向。从上图可以看到,实验得到的抛光区是位于工件中央(顶点)偏左侧的6 mm×6 mm的一个区域,其形状与倒写的英文字母“D”的形状相似。下图是整个工件及标准抛光区的截面图,所截位置与上图箭头所在位置相一致。从下图中发现,在球面中心(顶点)右侧,材料去除函数曲线逐渐降低,看起来似乎球面中心右侧材料也被去除,其实不然。这是因为抛光区内工件表面材料被去除后,当用ZYGO干涉仪对工件面形进行测量时,干涉仪为了寻找最佳焦面,而对整个工件表面进行数字拟和的结果。实际上,球面中心右侧的材料并未被去除。可见,磁流变抛光只在抛光区内材料被去除,它实现的是子口径加工。
2·2 工件曲率半径对抛光区的影响
采用研究标准抛光区所用的实验条件,只是分别用曲率半径为30 mm和50 mm的工件进行抛光实验,得到如图3所示的抛光区图形。从图3中可以看到,曲率半径为30 mm的实验件的抛光区比曲率半径为50 mm的实验件的抛光区要小一些。这是因为,当工件浸入磁流变抛光液中的深度一定时,曲率半径大的工件与磁流变抛光液的接触面积比曲率半径小的工件与磁流变抛光液的接触面积大,因此曲率半径大的工件的抛光区也要大一些。另外,由于曲率半径大的工件和抛光液的接触面积较大,有可能与磁流变抛光液形成的缎带凸起的边缘接触,这会造成抛光不均匀。图3(b)中的抛光区形状不如图3(a)的标准就说明了这个问题。因此,磁流变抛光大曲率半径的工件时,工件浸入抛光液中的深度可以稍微小一些。
2·3 工件浸入磁流变抛光液中的深度对抛光区的影响
采用研究标准抛光区所用的实验条件。在抛光区内,磁流变抛光液形成的缎带凸起距运动盘底约2 mm。将工件浸入抛光液中的深度分别为0·3 mm、1 mm和1·6 mm,抛光5 min后,得到如图4所示的抛光区图形。
图4(a)是工件浸入抛光液0·3 mm,抛光5 min后得到的抛光区图形。由于工件浸入磁流变抛光液中较浅,工件与磁流变抛光液的接触面积小。同时,工件浸入磁流变抛光液中浅,就会使工件与运动盘形成的小间隙变大。从建立的磁流变抛光数学模型[3]可知,工件与运动盘形成的间隙变大,使流体动压力减小,于是被加工工件的材料去除率降低。因此,工件浸入抛光液中过浅,会降低抛光效率。可以看到,在图4(a)所示的抛光区内几乎没有多少材料被去除。
图4(b)是工件浸入抛光液1 mm,抛光5 min后得到的抛光区图形。由于工件浸入抛光液中的深度合适,获得了磁流变抛光标准的抛光区形状,抛光区的形状类似倒写的英文字母“D”。图4(c)是工件浸入抛光液1·6 mm,抛光5 min后得到的抛光区图形。工件浸入抛光液较深,虽然可以得到较高的材料去除率。但从图4(c)中可以看到,此时抛光区的形状很差。这是由于工件浸入抛光液过深,受到非常大的压力,使得磁流变抛光液内部不均匀,同时过大的压力会造成抛光装置的震动的缘故。这些因素都使抛光不稳定,从而使得抛光区的形状变得不规则。磁流变抛光时,工件浸入磁流变抛光液中的深度应根据磁流变抛光设备、抛光区的磁场强度以及磁流变抛光液的流变性等条件而定。最好根据实验来确定工件浸入抛光液的合适深度。
2·4 工件轴摆角对抛光区的影响
在磁流变抛光时,可以通过调整工件轴与运动盘表面法线的夹角来对工件的不同位置进行抛光。当工件轴与运动盘表面法线重合时,它们之间的夹角为零。当设工件轴向与磁流变光液运动方向相反的方向摆动时,工件轴与运动盘表面法线形成的夹角为正值。反之,角度为负值。采用研究标准抛光区所用的实验条件,通过改变工件轴与运动盘的夹角来抛光工件,每一个工件抛光5 min,得到如图5所示的不同工件轴摆角对应的抛光区的形状图。
当工件轴向正方向摆动时,抛光所用的工件为曲率半径30 mm、口径20 mm的一批K9光学玻璃元件;工件轴向负方向摆动时,抛光所用的工件为曲率半径50 mm、口径30 mm的一批K9光学玻璃元件。所以,工件轴摆角为正值时的抛光区形状与工件轴摆角为负值时的抛光区形状有所不同。但通过观察图5所示的不同工件轴摆角和抛光区在工件上的位置会发现:当工件轴摆角从某个正值逐渐变化到某个负值时,抛光区在工件上的位置由工件的最左侧渐渐移到工件的最右侧。因此,当工件轴旋转时,通过改变工件轴与运动盘表面法线的夹角就可以实现对整个工件表面的抛光。
按照图5,通过对工件轴的不同摆角时的抛光去除量最大位置的测量以及球面顶点位置的计算发现,抛光去除量最大位置总是与工件轴摆动后的顶点位置对应得很好。这样,通过调整工件轴的摆角就可以较为精确的控制抛光区的位置。
3 磁流变抛光材料去除的研究
在磁流变抛光中,抛光时间、运动盘的速度、工件与运动盘形成的间隙大小、磁场强度等是较能够影响磁流变抛光的几种参数。以加工凸球面为例,通过实验研究了这些参数对磁流变抛光的抛光区内材料去除函数的影响规律[4]。具体做法是只改变所要研究的那种磁流变抛光的工艺参数,而使其余的参数保持不变,通过研究磁流变抛光去除率随该工艺参数变化而变化的情况,来揭示工件的材料去除函数随该参数的变化规律。通过实验发现[4]:在磁流变抛光中,被抛光工件的材料去除量与抛光时间是成正比的,这符合建立的磁流变抛光模型,与传统抛光中时间对去除量的影响是一致的;当运动盘的速度增大时,工件受到的剪切力增大,其表面材料去除率提高,即工件材料的去除率随运动盘的速度的增大而增大;外磁场强度的增大会使磁流变抛光模型[3]中的流体动压力和磁化压力都增大,从而使材料去除率提高;随着工件表面与运动盘形成间隙的增大,工件表面受到的流体动压力减小,从而使材料去除率减小。这些规律对控制抛光以及实现磁流变抛光的各种工艺参数的最佳匹配具有重要意义。
4 结 论
磁流变抛光工件材料的去除是在抛光区内完成的。因此,本文着重研究了磁流变抛光的抛光区特点。磁流变抛光标准抛光区的大小为6 mm×6 mm的一个区域,其形状与倒写的英文字母“D”的形状相似。同时,以实验的形式研究了工件的曲率半径、工件浸入磁流变抛光液中的深度、工件轴的摆角等因素对磁流变抛光的抛光区的大小和形状的影响情况。在此基础上,阐明了抛光时间、运动盘的速度、工件与运动盘形成的间隙大小、磁场强度等几种重要的工艺参数对磁流变抛光材料去除率的影响规律。这些为今后实现磁流变抛光的各种工艺参数的最佳匹配,使该技术更加趋于成熟有着重要的意义。
参考文献:
[1] Wm I Kordonski·Adaptive Structures Based on MagnetorheologicalFluids[A]·Proc 3rd Int Conf, Adaptive StructSan[C]·Diego, 1992·
[2] I V Prokhorov, W I Kordonsky, L K Gleb, G R Gorodkin, M LLevin·New High-Precision Magnetorheological Instrument-BasedMethod of Polishing Optics[J]·OSA OF and T Workshop Digest,1992, 24: 134~136·
[3]张峰,张学军,余景池,王权陡,郭培基·磁流变抛光数学模型的建立[J]·光学技术, 2000,26(2):190~192·
[4]张峰·几种参数对磁流变抛光的影响[J]·光学技术, 2000,26(3):220~221·
基金项目:国家自然科学基金资助项目(69608006)
作者简介:张峰(1969-),男,吉林省吉林市人,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所副研究员,博士,主要从事超精加工与检测方面的研究,目前在吉林大学原子分子物理研究所从事博士后的研究工作。
