淺談光學(xué)零件的超光滑表面加工方法

王新海 馬瑾 張永軍

摘 要：隨著光學(xué)零件在前沿技術(shù)中的廣泛應(yīng)用，超光滑表面加工技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。文章闡述了超光滑表面的定義特點(diǎn)及機(jī)理，重點(diǎn)介紹目前國內(nèi)常用的古典法拋光技術(shù)、磁流變拋光技術(shù)和氣囊拋光技術(shù)等三種超光滑表面加工方法，并簡(jiǎn)要的說明了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：拋光；超光滑表面；光學(xué)零件

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.06.025

光學(xué)零件在強(qiáng)激光、空間光學(xué)和航空航天等諸多高技術(shù)領(lǐng)域的需求數(shù)量越來越多，光學(xué)零件的超光滑加工技術(shù)已成為當(dāng)代科技前沿的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。隨著科技的發(fā)展，光學(xué)零件不僅要求極高的表面質(zhì)量，而且還有較低的亞表層損傷和嚴(yán)格的波前誤差等低缺陷要求[2]。目前，光學(xué)拋光加工階段是光學(xué)零件加工過程中最重要的環(huán)節(jié)之一，拋光技術(shù)的優(yōu)劣直接影響著光學(xué)零件表面的最終加工質(zhì)量，文章主要闡述了目前國內(nèi)廣泛應(yīng)用的光學(xué)零件超光滑表面技術(shù)。

1 超光滑表面

所謂超光滑表面是指其表面粗糙度均方根值小于1nm的表面，并且具有較高的面形精度和較低的表面波紋度，無表面疵病和亞表面損傷，具有完整的晶格結(jié)構(gòu)[3]。機(jī)械學(xué)說、化學(xué)學(xué)說和流布學(xué)說等是光學(xué)玻璃的三種拋光機(jī)理，一般認(rèn)為光學(xué)零件的拋光過程是三種機(jī)理共同作用下，與拋光頭表面接觸區(qū)域地光學(xué)玻璃表面的材料發(fā)生機(jī)械微切、分子流動(dòng)和化學(xué)水解反應(yīng)等實(shí)現(xiàn)光滑表面的拋光。

2 超光滑表面加工方法

2.1 古典法

古典法加工超光滑表面是利用光學(xué)零件與拋光盤之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在拋光液的機(jī)械、化學(xué)和熱的表面流動(dòng)作用下，實(shí)現(xiàn)光學(xué)零件表面材料的微量去除，從而得到高質(zhì)量的光學(xué)零件表面。拋光盤一般由聚氨酯、柏油等材料制作而成，在主軸的帶動(dòng)下可以繞自身作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；光學(xué)零件置于拋光盤的上面作左右擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，并且在拋光盤的帶動(dòng)下繞自身作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。古典法加工超光滑表面光學(xué)零件具有成本低和設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，主要通過對(duì)拋光盤、拋光液、主軸轉(zhuǎn)速和擺動(dòng)速度等工藝因素的精細(xì)化研究來實(shí)現(xiàn)光學(xué)零件的超光滑表面加工。然而，高技術(shù)工人是影響古典法實(shí)現(xiàn)超光滑光學(xué)零件表面加工的重要因素，主要依賴工人的手工操作，適合于單件小批量生產(chǎn)。氣囊拋光頭的密封材料和拋光材料都具有很好的柔韌性，其拋光材料能很好的實(shí)現(xiàn)與不同類型的光學(xué)零件表面的完全貼合接觸，從而保證零件表面材料的均勻去除。

2.2 磁流變拋光技術(shù)

磁流變拋光技術(shù)利用磁流變液形成的柔性拋光盤對(duì)光學(xué)零件進(jìn)行拋光。磁流變拋光液由拋光粉、表面活性劑、基載液和磁性微粒等組成，未受磁場(chǎng)作用時(shí)，磁流變液呈現(xiàn)出流體狀態(tài)，在磁場(chǎng)的作用下，磁流變液可形成類似于半固體狀態(tài)的Bingham介質(zhì)。拋光光學(xué)零件時(shí)，磁流變液在磁場(chǎng)的作用下發(fā)生流變效應(yīng)形成Bingham介質(zhì)的拋光磨頭，拋光粉顆粒懸浮拋光磨頭的上表面，當(dāng)拋光磨頭與光學(xué)零件之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，夾持在兩者之間的拋光粉顆粒實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)零件表面的材料去除而完成拋光。在磁流變液的磁場(chǎng)飽和度范圍內(nèi)，保持拋光磨頭與光學(xué)零件之間的間隙固定，磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，Bingham介質(zhì)所形成的拋光磨頭硬度越大，提供給拋光粉的切削壓力隨著增大，光學(xué)零件表面的材料去除率越高。磁流變拋光技術(shù)具有拋光亞表層損傷很小和拋光磨頭基本不磨損等優(yōu)點(diǎn)，然而拋光加工成本較高。

2.3 氣囊拋光技術(shù)

氣囊拋光是一種利用氣囊拋光頭對(duì)光學(xué)零件進(jìn)行加工的方法。氣囊拋光磨頭是氣囊拋光技術(shù)的重要組成部分，主要包含基體、密封層和拋光材料等部分，基體和密封層形成氣室，拋光材料覆蓋在密封層的表面。拋光光學(xué)零件時(shí)，氣囊拋光頭的拋光材料與工件表面進(jìn)行接觸，通過調(diào)節(jié)氣室內(nèi)的充氣量多少來實(shí)現(xiàn)接觸區(qū)域表面壓力的不同，氣室內(nèi)的充氣量大，接觸區(qū)域光學(xué)零件表面受到的壓力大，去除率大，反之，氣室內(nèi)的充氣量小，接觸區(qū)域的光學(xué)零件表面受到的壓力小，去除率小。因此，通過調(diào)整氣室內(nèi)的充氣量多少可以控制光學(xué)零件表面的材料去除率和表面精度。目前，氣囊拋光頭的形式主要有球冠型和環(huán)型兩類，球冠型即氣囊拋光頭在充氣后的表面拋光材料外形為球冠，環(huán)型即氣囊拋光頭在充氣后的表面拋光材料外形為環(huán)型。氣囊拋光技術(shù)具有拋光效率高、低成本和適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，然而，由于氣囊拋光頭在接觸區(qū)域有磨損，光學(xué)零件表面存在邊緣效應(yīng)，故對(duì)機(jī)床要求高。

3 結(jié)論

光學(xué)零件的超光滑表面加工技術(shù)是一個(gè)國家精密加工技術(shù)的重要體現(xiàn)，國外在光學(xué)零件超光滑表面加工技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于商業(yè)化，然而，我國超光滑表面的加工還處于單件、小批量的人工生產(chǎn)，大多數(shù)科研院所的研究也集中于拋光技術(shù)的初級(jí)階段，特別是未形成商業(yè)化的加工設(shè)備。因此，先進(jìn)的超光滑表面加工技術(shù)和設(shè)備是今后一段時(shí)間研究的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊力.先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)發(fā)展研究[J].光學(xué)技術(shù)，1998（03）：2-5.

[2]王文博.大口徑快速拋光機(jī)設(shè)計(jì)與相關(guān)問題研究[D].中原工學(xué)院碩士學(xué)位論文，2015.

[3]馬占龍，劉健，王君林.超光滑光學(xué)表面加工技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用[J].激光與光學(xué)電子進(jìn)展，2011，48（08）：71-77.

作者簡(jiǎn)介：王新海（1984-），男，陜西西安人，講師，主要從事精密加工及機(jī)械設(shè)計(jì)方面的研究。