磁流体辅助抛光工件表面粗糙度研究

磁流体辅助抛光工件表面粗糙度研究

第13卷　第1期

OpticsandPrecisionEngineering2005年2月　　

　光学精密工程

Vol.13　No.1

Feb.2005

文章编号　10042924X(2005)0120034206

磁流体辅助抛光工件表面粗糙度研究

张　峰,张斌智

(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光学技术研究中心,吉林长春130033)

摘要:给出了磁流体辅助抛光的机理,以及依据Preston方程建立的磁流体辅助抛光的数学模型。并通过实验详细研究了磁流体辅助抛光后工件的抛光区形状,以及抛光区内表面粗糙度情况。最终加工出

了表面粗糙度为0.76nm(rms值)的光学元件,其高频表面粗糙度达到0.471nm(值),满足了对一定短波段光学研究的要求。结果表明:;在磁流体辅助抛光过程中,,可以获得更加光滑的光学表面。

关　键　词:磁流体辅助抛光;;;中图分类号:TH161ofopticalelementsfabricatedby

magneticfluid2assistedpolishing

ZHANGFeng,ZHANGBin2zhi

(OpticsTechnologyResearchCenter,ChangchunInstituteofOptics,FineMechanics

andPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China)

Abstract:Themechanismofmagneticfluid2assistedpolishingisgiveninbrief.BasedonPrestonfunc2tion,amathematicsmodelofmagneticfluid2assistedpolishingisconstructed.Thepolishingspotandsurfaceroughnessofopticalelementsfabricatedbymagneticfluid2assistedpolishingarestudiedinde2tailbymeansofexperiment.Finally,anopticalelementwithsurfaceroughnessof0.76nm(rms)andhighspatial2frequencysurfaceroughnessof0.471nm(rms)ispresented.Opticalelementswithsuchlowsurfaceroughnessvaluecanmeettherequirementforstudyingshortwavelengthopticstosomeextent.So,magneticfluid2assistedpolishingissuitableformanufacturingopticalelementswithsuper2smoothsurface.Itisverifiedthatthesurfaceroughnessvalueofanopticalelementreducesfleetlyinmagneticfluid2assistedpolishingprocesswithbiggersizemagneticparticles;however,super2smoothsurfacecanbeacquiredinmagneticfluid2assistedpolishingprocesswithsmallersizemagneticparti2cles.

收稿日期:2004211222;修订日期:2005201209.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.60108003)

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　　　张　峰,等:磁流体辅助抛光工件表面粗糙度研究35

Keywords:magneticfluid2assistedpolishing;magnetorheologicalfinishing;polishingspot;super2

smoothsurface

1　引　言

早在20世纪80年代初期,日本有人

将磁场应用于光学加工中,形成了磁介质辅助抛光。一般来说磁介质辅助抛光可分为磁场辅助精密抛光、磁力研抛法、磁流变抛光以及磁流体辅助抛光等几种方法。

磁场辅助精密抛光[1]是将磁场对磁流体作用力传递到抛光盘(橡胶垫)上进行光学加工。这种方法抛光效率较低,且不能获得很好的光学表面。

磁力研抛法[2]中聚结成的,易产生下表面破坏层,不能加工出精密的光学元件。

磁流变抛光(MRF)技术是20世纪90年代初,美国Rochester大学光学研究中心的W.I.Kordonski,I.V.Prokhorov及合作者发明的[3],并于90年代末将该项技术商业化。这种抛光方法利用磁流变抛光液在磁场中的流变性进行抛光,抛光效率高、不产生下表面破坏层,倍受世人青睐。该方法可在短短的几分钟内迅速使光学表面的面形精度收敛到1/20λ(PV值),但表面粗糙度在1nm左右[4]。1997年长春光学精密机械与物理研究所的科研人员在国家自然科学基金资助下,展开了磁流变抛光技术的研究,取得了较好的研究成果。被加工光学元件的表面粗糙度接近1nm(rms)[526],这已与美国技术水平相接近,同时编制了实用的适合光学数控加工的通用软件[7]。

表面粗糙度高于1nm(rms)的光学元件不能满足人们对短波段光学的研究。为了获得光学元件更好的表面粗糙度,可将

磁流变抛光液中的微米尺寸的磁性微粒细化到纳米量级,进而形成磁流体辅助抛光。该方法旨在通过减小磁性抛光液中固体微粒的尺寸以及其对光学元件表面的抛光压力,来获得超光滑光学表面。虽然这种抛光方法抛光效率较低,但可作为磁流变抛光等其他抛光方法的后道工序,以期获得超光滑光学表面,满足人们对短波段光学的研究。

,Y.Kawata[8]就已。但由于这,并且对玻璃等。因此,此后对该技术研究的报道并不多见。本文通过对磁流体抛光液特性的研究以及非磁性抛光粉的添加,成功实现了对玻璃光学元件的抛光。介绍这种抛光技术的抛光机理和数学模型,深入研究磁流体辅助抛光后工件的抛光区形状,以及抛光区内表面粗糙度情况。

2　磁流体辅助抛光机理及数学

模型的建立

2.1　磁流体辅助抛光机理

磁流体辅助抛光机理与磁流变抛光机理相类似,图1为磁流体辅助抛光的原理示意图

。

图1　磁流体辅助抛光原理示意图

Fig.1　Schematicviewofmagneticfluid2as2

sistedpolishing

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第13卷

目前,磁流体辅助抛光机理被普遍认

为是这样的:运动盘随主轴一起旋转,于是运动盘环形槽内的磁流体抛光液被送到运动盘和工件形成的很小间隙附近,在高梯度磁场的作用下,磁流体抛光液发生流变,形成一缎带凸起,而非磁性抛光粉则浮于磁流体表面与工件相接触。发生流变的磁流体抛光液对工件产生一定的剪切力(或正压力),从而实现对工件表面材料去除。2.2　磁流体辅助抛光数学模型的建立

磁流体辅助抛光数学模型可以通过两种途径来建立:一种是依据工件材料去除率R与工件受到的剪切力I之间的关系建立,已有研究人员建立了这种模型[9];另一种是依据工件材料去除率R正压力P之间的关系建立是一致的,。

P出发建立磁流体抛光数学模型,Preston方程可表示为:

(1)R=KPV,

式中:R表示被加工工件材料的去除率;K是Preston常数;P是工件表面受到的正压力;V是流体薄层内磁流体抛光液与工件的相对速度。

磁流体抛光液对工件的压力P是一较复杂的参数,它主要由流体动压力和磁化压力两部分组成。以加工凸球面为例,分别对工件受到的流体动压力和磁化压力进行了推导,最后得到磁流体辅助抛光工件材料的去除率函数如下[10]:

H

+μMfdH0

0R=K×V,22

(h0+)

2r

(2)

其中,η0是磁流体抛光液的初始粘度;U是运动盘速度;h0是工件与运动盘形成的最小间隙;x表示某点的坐标位置;r为工件的球面半径;μ0是真空磁导率;Mf是磁流

体抛光液的磁化强度;H为外加磁场的磁

场强度。在实际磁流体辅助抛光中,发现了该模型与实际抛光结果符合得较好。

3　磁流体辅助抛光实验

3.1　磁流体辅助抛光实验装置

图2是磁流体辅助抛光实验装置的实物照片,其原理示意图如图1所示。在如图2所示的磁流体辅助抛光实验装置中,运动盘槽内装有一定量的磁流体抛光液,工件固定在竖直轴上,光液中,处于工,。当磁流体之间的间隙时,在磁场的作用下,对工件产生一定的剪切力,从而实现对工件抛光。3.2　磁流体辅助抛光工件抛光区形状研究

在如图2所示的磁流体辅助抛光实验装置中进行抛光实验。在抛光过程中,工件和运动盘分别绕自身轴转动。具体实验条件如下:运动盘的速度为0.6m/s;工件轴转速为120r/min;实验件的曲率半径是110mm,口径是22.5mm的K9玻璃;工件表面附近的磁场强度为180kA/m;磁流体抛光液的粘度为0.9Pas,其组成成份(体积比)为45%的羰基铁(平均直径为

∫

图2　磁流体辅助抛光装置实物照片Fig.2　Photoofthedeviceofmagnetic

fluid2assistedpolishing

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100nm),49%的水,3%的金刚石微粉(平

均直径为250nm),3%的稳定剂;在抛光

区,磁流体抛光液形成缎带凸起的高度为3mm,工件浸入磁流体抛光液的深度为2mm。

经过30min的磁流体辅助抛光后,用ZYGO干涉仪对工件表面的面形进行测量,来研究抛光区材料的去除情况。图3为干涉检验测得实验件的面形情况。从图中可明显观察到磁流体辅助抛光后抛光区域的形状,抛光区为一圆形区域,其直径约为3mm左右,材料去除量约为0.15λ(PV值),这表明磁流体辅助抛光确实可以实现对玻璃光学元件的抛光。下面研究抛光区内的表面粗糙度

。

图4　磁流体抛光后工件的表面粗糙度Fig.4　Surfaceroughnessoftheelementaf2

termagneticfluid2assistedpolishing

,测量结果如图5

图3　磁流体抛光后工件的抛光区形状Fig.3　Polishingspotoftheelement

aftermagneticfluid2assistedpolishing

图5　磁流体抛光后工件的高频表面粗糙度Fig.5　Highfrequencysurfaceroughnessof

theelementaftermagneticfluid2as2sistedpolishing

3.3　磁流体辅助抛光后工件表面粗糙度

对于上述实验件,用WykoRSTPlus

非接触光学轮廓仪对其抛光区表面粗糙度进行测量,测量范围为448μm×603μm长方形区域,测量结果如图4所示。

从图4中看到,工件表面粗糙度达到0.76nm(rms值),而抛光前测得工件的表面粗糙度为1.44nm(rms值),抛光后工件表面粗糙度值几乎降低了1倍。可见,磁

流体辅助抛光可以显著地改善光学表面的粗糙度。

从图5中看到,抛光后工件高频表面粗糙度达到0.471nm(rms值),已优于0.5nm(rms值)。可见,磁流体辅助抛光是能够实现对光学元件的超光滑抛光的。3.4　磁流体抛光液磁性微粒粒度对光学

元件表面粗糙度影响

实验条件与以上条件基本相同,只是这里使用一组粒度不同而粘度都是0.5Pa S的磁流体抛光液进行实验。当

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使用同一种粒度的磁流体抛光液进行抛光

时,每隔15min用Wyko光学轮廓仪测量一次工件的表面粗糙度。图6为使用不同粒度磁流体抛光液抛光后,工件的表面粗糙度RMS值随时间的变化情况

。

流体抛光液进行抛光时,工件表面粗糙度随时间变化很慢,但可以持续降低到0.75nm左右。因此,在磁流体辅助抛光中,较大粒度的磁流体抛光液有利于工件表面粗糙度快速降低,较小粒度的磁流体抛光液可以获得更加光滑的光学表面。

4　结　论

磁流体辅助抛光可以用于对光学元件进行超光滑加工。在磁流体辅助抛光过程中,。最0.76nm(rms)的,其高频表面粗糙度达到0.471nm(rms值),已满足对一定短波段光学研究的要求。

磁场强度和磁流体抛光液中磁性微粒的粒度匹配问题,以及在磁流体抛光液中加入的非磁性抛光粉(如氧化铈、氧化铝、金刚石微粉等)的化学性质、尺寸、易碎性等特性还需进一步研究,以趋获得较为完美的光学元件超光滑抛光效果。

图6　糙度的影响

Fig.6offluid

从图6中可以看出,粒度较大的磁流体抛光液可以使工件表面粗糙度快速降低,比如粒度为1500nm抛光液,在30min内,便会使工件表面粗糙度由2.5nm变为1.2nm,接下来表面粗糙度随时间的变化就不明显了;使用粒度为100nm的磁参考文献:

[1]　KUROBET,IMANAKAO.Magneticfield2assistedfinefinishing[J].PrecisionEngineering,

1984,6(3):1192124.

[2]　SHINMURAT,TAKAZAWAK,HATANOE,etal.Studyonmagnetic2abrasiveprocess2fin2

ishingcharacteristics[J].Bull.JapanSoc.ofPrec.Eng.,1984,18(4):3472348.

[3]　PROKHOROVIV,KORDONSKYWI,GLEBLK,etal.Newhigh2precisionmagnetorheologi2

calinstrument2basedmethodofpolishingoptics[C].OSAOFandTWorkshopDigest,1992,24:1342136.

[4]　ARRASMITHSR,KOZHINOVAIA.Detailsofthepolishingspotinmagnetorheologicalfin2

ishing(MRF)[J].SPIE,1999,3782:92299.

[5]　张峰.磁流变抛光技术的研究[D].中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,2000.

ZHANGF.Studyontechniqueofmagnetorheologicalfinshing[D].ChangchunInstituteof

Optics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,2000.(inChinese)[6]　张峰,余景池,张学军,等.磁流体抛光技术[J].光学精密工程,1999,7(5):128.

磁流体辅助抛光工件表面粗糙度研究

第1期

　　　张　峰,等:磁流体辅助抛光工件表面粗糙度研究39

ZHANGF,YUJCH,ZHANGXJ,etal.Magnetorheologicalfinishingtechnology[J].Optics

andPrecisionEngineering,1999,7(5):128.(inChinese)

[7]　郑立功,张学军,张峰.矩形离轴非球面反射镜的数控加工[J].光学精密工程,2004,12(1):1132

117.

ZHENGLG,ZHANGXJ,ZHANGF.NCsurfacingoftwooff2axisasphericmirrors[J].Op2

ticsandPrecisionEngineering,2004,12(1):1132117.(inChinese)

[8]　TAINY,KAWATAK.Developmentofhigh2efficiencyfinefinishingprocessusingmagnetic

fluid[J].AnnalsoftheCIRP,1984,33:2172220.

[9]　GOLINID,JACOBSSD,KORDONSKIWI.Precisionopticsfabricationusingmagnetorheolog2

icalfinishing[J].SPIE.,1997,CR67:2512274.

[10]　张峰,张学军,余景池,等.磁流变抛光数学模型的建立[J].光学技术,2000,26(2):1902192.

ZHANGF,ZHANGXJ,YUJCH,etal.Foundationofmathematicsmodleofmagnetorheo2logicalfinishing[J].OpticalTechnique,2000,26(2):1902192.(inChinese)

作者简介:张　峰(1969-),男,博士,吉林人,副研究员,作。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/12hq.html