大尺度光學(xué)玻璃拋光技術(shù)研究

柳源，閆如忠

(東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海201620)

大尺度光學(xué)玻璃(以下簡(jiǎn)稱“大玻璃”)為直徑或?qū)蔷€直徑1 m 以上的平面、球面、非球面等光學(xué)元件。當(dāng)前，大玻璃廣泛應(yīng)用于航空航天、天文探索、核能工業(yè)、光刻工藝等領(lǐng)域。大玻璃要求嚴(yán)格，直徑1.5 m 的光學(xué)元件，表面形狀精度優(yōu)于0.1 μm、表面粗糙度Ra 優(yōu)于1 nm、低表面波紋度、極少的表面疵病與亞表面損傷、極小殘余應(yīng)力、完整晶格結(jié)構(gòu)。光學(xué)玻璃材料脆性高，斷裂韌性低，其顯微硬度在600 kg/mm2左右，一般需經(jīng)過(guò)3 道工序:固結(jié)磨料加工、離散粒子拋光、納米級(jí)磨料修整。文中主要針對(duì)離散粒子拋光方法進(jìn)行研究。

1 大玻璃加工工藝現(xiàn)狀

大玻璃精密加工主要依靠材料超微量去除。硬質(zhì)磨料加工、離散粒子拋光、納米級(jí)磨料修整3 個(gè)工序作用不同，圖1 描述各工序中具體加工方法、加工精度范圍及工藝路線。

固結(jié)磨料加工目的是以高材料去除率快速獲得亞微米級(jí)平整表面，面形精度優(yōu)于0.1 μm，表面粗糙度Ra 優(yōu)于25 nm。它利用固結(jié)硬質(zhì)磨料直接接觸工件進(jìn)行高速劃擦和微切削實(shí)現(xiàn)材料強(qiáng)制去除，主要有超精密磨削、超精密切削等方法。

圖1 大玻璃加工工藝流程圖

超精密磨削通常使用超細(xì)磨粒金剛石砂輪，采用在線修整方法，可獲得納米級(jí)表面粗糙度。然而，由于機(jī)床振動(dòng)、砂輪修整及磨削加工單向性等問(wèn)題，不可避免會(huì)產(chǎn)生微米級(jí)損傷層。由磨削發(fā)展來(lái)的平面珩磨，通過(guò)面接觸低轉(zhuǎn)速加工，減少了表面損傷，且加工效率等同磨削，英國(guó)克蘭菲爾德大學(xué)BoX?大玻璃專業(yè)數(shù)控磨床采用了這個(gè)形式。超精密切削主要指單點(diǎn)金剛石切削(Single Point Diamond Turning，SPDT)，利用刃口半徑0.1 ～0.3 μm 的天然單晶金剛石微刀具進(jìn)行極微小去除，切深最小可至1 nm。美國(guó)LL 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制的LODTM 大型立式(φ1.65 m ×0.5 m)光學(xué)金剛石超精密車床可進(jìn)行大玻璃加工，面形精度可達(dá)0.028 μm，表面粗糙度可達(dá)3.5 ～9 nm。目前，多點(diǎn)金剛石銑削也正在開發(fā)中?？偠灾?，固結(jié)磨料加工效率高，材料去除總量大，加工時(shí)間占總加工時(shí)間的1/5，加工精度可達(dá)到符合光學(xué)應(yīng)用要求，但是會(huì)引入加工變質(zhì)層，需要在后續(xù)工序中去除。

離散粒子拋光一般作為最終或次終工序，目的是消除前道工序后的表面殘差，最終獲得平面度亞微米級(jí)、表面粗糙度納米級(jí)的優(yōu)質(zhì)表面。它通過(guò)柔性拋光盤或流體驅(qū)動(dòng)離散粒子劃擦、耕犁工件表面實(shí)現(xiàn)材料去除。刀具為柔性工具，因此極少甚至不會(huì)引入表面瑕疵。離散粒子拋光的主要方法有:超精密氣囊拋光，磁流變拋光，磨料射流拋光，應(yīng)力盤拋光，可控式混合磨料流體拋光等，后文會(huì)詳細(xì)介紹。離散粒子拋光效率較低，加工時(shí)間約占總加工時(shí)間3/5。

納米級(jí)磨料修整是大玻璃加工的最終工序，目的是修正殘留微小誤差。它是通過(guò)低動(dòng)能極細(xì)磨料或其他性質(zhì)粒子沖擊，或采用添加化學(xué)成分復(fù)合磨料對(duì)工件進(jìn)行化學(xué)、物理、機(jī)械復(fù)合去除，獲得表面粗糙度Ra ＜1 nm 的超光潔表面。目前，主要方法有化學(xué)機(jī)械拋光、彈性發(fā)射加工、浮法拋光、離子束拋光等。納米級(jí)磨料修整可獲得超光滑無(wú)損傷表面，材料去除率極低，此階段材料去除量極少，加工時(shí)間一般占到總時(shí)間的1/5。

分析大玻璃精密加工工藝可知，離散粒子拋光必不可少、耗時(shí)最長(zhǎng)。若無(wú)此工序，直接在固結(jié)磨料加工后進(jìn)行納米級(jí)磨料修整，納米級(jí)磨料修整需去除較多材料，耗時(shí)更長(zhǎng)。此外，納米級(jí)磨料修整對(duì)于面形誤差的修正效果極其有限，且這些誤差會(huì)對(duì)拋光盤等有嚴(yán)重?fù)p傷。因此，如何提高離散粒子拋光效率是一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。

2 大玻璃離散粒子拋光方法

2.1 超精密氣囊拋光

20世紀(jì)90年代，倫敦光學(xué)試驗(yàn)室和Zeeko?公司的D D WALKER 提出了超精密氣囊拋光方法［1］。拋光頭為內(nèi)部氣壓在線可調(diào)的小尺寸球形柔性皮囊，外部覆蓋聚氨酯拋光墊。采用7 自由度CNC 系統(tǒng)控制，以“進(jìn)動(dòng)”方式按照設(shè)定路徑、速度和壓力對(duì)工件實(shí)施拋光。其中，“進(jìn)動(dòng)”指拋光時(shí)拋光頭和接觸區(qū)法線傾斜、皮囊繞接觸區(qū)中心法線旋轉(zhuǎn)時(shí)工件自轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)方式，避免法線重合時(shí)皮囊中心速度為0 的問(wèn)題，如圖2所示。倫敦光學(xué)試驗(yàn)室對(duì)此方法進(jìn)行了理論和技術(shù)研究，與Zeeko?公司合作開發(fā)了IRP 系列氣囊拋光機(jī)床。

圖2 氣囊“垂直旋轉(zhuǎn)”、“傾斜旋轉(zhuǎn)”、“進(jìn)動(dòng)”拋光痕跡比較

倫敦光學(xué)試驗(yàn)室在2000年研制了IRP200 拋光機(jī)床。拋光不同材料得到表1 中數(shù)據(jù)，證明了用此方法拋光光學(xué)玻璃等硬質(zhì)材料效果顯著［2］。

表1 超精密氣囊拋光對(duì)不同材料拋光效果

2002年，在IRP-200 機(jī)床上，加工直徑200 mm、曲率半徑450 mm 的熔融硅非球面，面形精度PV 值為0.19 μm ，表面粗糙度Ra 值達(dá)到1.8 nm，證實(shí)IRP 系列機(jī)床對(duì)提高工件面型精度和消除中頻誤差效果明顯。實(shí)驗(yàn)去除7.5 μm 厚材料一致性超過(guò)90%，證實(shí)氣囊拋光具有可擴(kuò)展性，為開發(fā)加工范圍更大機(jī)床提供了依據(jù)［3-4］。

2004年D D WALKER 等進(jìn)行工藝改進(jìn)，包括:通過(guò)改變拋光頭與工件相對(duì)位置控制拋光壓力，縮短響應(yīng)時(shí)間;優(yōu)化拋光路徑，制定速度分布圖，提高了表面形狀精度，在實(shí)驗(yàn)室條件下加工BK7 表面粗糙度Ra 值可達(dá)0.5 nm［5］。

2006年，IRP1200 研制成功，可加工直徑為1.2 m 工件，面形精度可達(dá)PV 值1/40λ，表面粗糙度值Ra 可達(dá)1nm，粗拋光材料去除率2.0 mm3/min ，精拋光材料去除率0.25 mm3/min［6］。目前，最新IRP2400 可加工直徑2.4 m 的光學(xué)元件。倫敦光學(xué)試驗(yàn)室和Zeeko?在氣囊工具開發(fā)、去除“切帶“誤差、邊緣質(zhì)量控制等方面成果豐碩，氣囊拋光已成為加工大尺寸自由曲面的重要方法［7］。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)高波等人制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，結(jié)合改進(jìn)型拋光工具(Spinning-Bulged-Complaint Tool，SBCT)，其橡膠氣囊加纖維布加強(qiáng)層，工作面采用聚氨酯，對(duì)BK7 進(jìn)行拋光，實(shí)現(xiàn)表面粗糙度Ra 可達(dá)1.249 nm，在正交試驗(yàn)中分析氣囊下陷量、氣囊內(nèi)部壓力、拋光頭轉(zhuǎn)速、拋光液質(zhì)量分?jǐn)?shù)等參數(shù)對(duì)零件面型精度、拋光效率和表面粗糙度的影響規(guī)律。據(jù)此，實(shí)現(xiàn)了加工穩(wěn)定性及面形控制、表面質(zhì)量控制、邊緣效應(yīng)處理［8］。

浙江工業(yè)大學(xué)計(jì)時(shí)鳴等在2007年制作了機(jī)器人拋光樣機(jī)，對(duì)初始粗糙度為0.675 μm 的模具鋼CriZMOV 進(jìn)行拋光后Ra 達(dá)到了0.007 μm。2010年，計(jì)時(shí)鳴等對(duì)串聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)械臂改進(jìn)，提出并聯(lián)式5 軸拋光機(jī)床［9］。

總而言之，氣囊拋光工具可完美貼合工件平面，在去除前面工序產(chǎn)生表面瑕疵時(shí)不引入新的損傷，是一種非常適合大平面光學(xué)玻璃的拋光方法。然而，氣囊柔性退讓，只對(duì)工件有擦光作用，不易提高工件形狀精度;高速旋轉(zhuǎn)拋光盤對(duì)液體磨料有推阻作用，限制加工效率提高。

2.2 磁流變拋光

20世紀(jì)90年代，KORDONSKI 與美國(guó)Rochester大學(xué)光學(xué)制造中心共同提出磁流變拋光技術(shù)(Magneto Rheological Finishing，MRF)，開辟了光學(xué)元件加工新途徑。磁流變拋光原理及設(shè)備如圖3所示。磁流變液由微米級(jí)磁性顆粒、絕緣基載液、穩(wěn)定劑混合而成，是一種黏度由磁場(chǎng)無(wú)極調(diào)控的智能材料。磁流變液通常為牛頓流體，在進(jìn)入工件與拋光盤間狹縫中的可控高梯度磁場(chǎng)后黏度迅速增大成為黏塑性Bingham介質(zhì)，呈凸起緞帶狀，在接觸區(qū)域形成剪切力，調(diào)整工件的旋轉(zhuǎn)角度和速度可實(shí)現(xiàn)工件表面材料各向均勻去除，得到光滑表面。

圖3 磁流變拋光原理及設(shè)備

1995年，美國(guó)羅切斯特大學(xué)光學(xué)制造中心Aric B SHOREY 等將磁流變拋光技術(shù)應(yīng)用于光學(xué)元件加工［10］。1997年，COM(Center for Optics Manufacturing)采用氧化鋁、金剛石微粉代替二氧化鈰拋光初始面形精度30 nm 熔石英、LiF、藍(lán)寶石等，面形精度達(dá)到lnm 左右［11］。2000年，羅切斯特光學(xué)中心成立QED 公司并結(jié)合電磁學(xué)、流體力學(xué)、分析化學(xué)研制一系列商用磁流變機(jī)床，目前，已經(jīng)研發(fā)出7 軸Q22-2000F 拋光機(jī)床，可加工口徑100 mm ～2.3 m 的平面、球面、非球面、自由曲面及圓形、矩形等內(nèi)孔。

德國(guó)Deggendorf 高等專業(yè)學(xué)院的Markus Schinhaerl 等根據(jù)Preston 理論對(duì)磁流變拋光特性進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，用5 種磁流變液對(duì)不同材質(zhì)玻璃進(jìn)行加工比較，對(duì)磁流變液流速、壓力流體黏度對(duì)加工效果的影響進(jìn)行了分析［12］。韓國(guó)延世大學(xué)的KIM 等研制了MRF 拋光平臺(tái)，并拋光BK7 玻璃獲得了表面粗糙度Ra 為3.8 nm 的光滑表面［13］。

國(guó)內(nèi)從事磁流變拋光研究的有清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、湖南大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等。清華大學(xué)的程灝波等研制的五軸永磁鐵磁流變數(shù)控拋光機(jī)床MRF1.0，具有直角坐標(biāo)與極坐標(biāo)，包含曲面造型和自動(dòng)編程軟件，可實(shí)現(xiàn)自由曲面加工，工件表面粗糙度Ra 可達(dá)到0.673 9 nm。清華大學(xué)在油基載液磁流變拋光液配制、表面中頻誤差分析、公自轉(zhuǎn)磁流變拋光設(shè)備的磁流變液循環(huán)裝置改進(jìn)取得成果，并逐步開展內(nèi)孔的拋光試驗(yàn)［14］。

2005年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的X、Y、C 三軸聯(lián)動(dòng)電磁鐵磁流變拋光機(jī)床可加工平面、球面、非球面光學(xué)元件。2007年，張飛虎等將超聲波振蕩與磁流變拋光結(jié)合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明可提高加工效率和表面質(zhì)量。2008年，陸敬予、張飛虎等將傳統(tǒng)磁流變拋光裝置倒置，即將工件置于磁流變拋光輪下方，適用于大玻璃拋光，在一定實(shí)驗(yàn)條件下材料去除率可達(dá)0.139 μm/min［15］。

2002年，國(guó)防科技大學(xué)李圣怡等研制了X、Y、Z、C 四軸聯(lián)動(dòng)磁流變研拋試驗(yàn)機(jī)拋光BK7 等材料，表面粗糙度值Ra 達(dá)到2 nm。2004年，尤偉偉對(duì)磁流變拋光進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)拋光盤轉(zhuǎn)速、磁場(chǎng)強(qiáng)度、拋光粉濃度、加工間隙等工藝參數(shù)對(duì)拋光效率和拋光效果影響程度進(jìn)行排序，發(fā)現(xiàn)拋光液存在飽和濃度，即拋光粉濃度達(dá)到12%時(shí)，材料去除率最大;拋光粉濃度越大，表面粗糙度越大。拋光BK7材料去除率可達(dá)到0.5 μm/min，表面粗糙度Ra 達(dá)到0.66 nm。2008年，謝超等人試制出KDMRF-1000 磁流變拋光機(jī)，可加工直徑1 m 光學(xué)元件，通過(guò)建立坐標(biāo)變換關(guān)系，進(jìn)行機(jī)床運(yùn)動(dòng)求解，分析機(jī)床定位精度對(duì)加工的影響，得到光學(xué)鏡面磁流變拋光的后置處理方法。任定世減小走刀步距，選擇較大、較平緩的去除函數(shù)減小了卷積效應(yīng)引起的中高頻誤差;曾育偉等對(duì)KDP 晶體加工中的低頻誤差進(jìn)行修正，拋光φ75 mm 的KDP 面形精度收斂到0.321λ［16］。

總而言之，磁流變光整加工技術(shù)是未來(lái)最具前途的光學(xué)精密加工方法之一，它具有切入量非常小，加工表面潔凈、無(wú)刮傷，節(jié)能、環(huán)保、綠色及智能化等特點(diǎn)，是一種可控的、確定性的拋光技術(shù)，非常適合高精密光學(xué)元件的加工。

2.3 磨料射流拋光

磨料射流拋光原理是將磨料與基載液進(jìn)行混合，增壓后從噴嘴噴出高速射流沖擊工件表面，引起材料表面局部應(yīng)力集中，產(chǎn)生沖蝕、剪切作用，使材料失效脫落，改善工件表面質(zhì)量。

1992年，HASHISH 利用600 目的SiC 磨料射流拋光金剛石薄膜，以2.7 μm/s/mm2的材料去除率改善表面精度從3 μm 到1.3 μm，驗(yàn)證了磨料射流對(duì)于硬脆材料表面進(jìn)行拋光的可行性［17］。最早將磨料射流技術(shù)應(yīng)用于光學(xué)元件拋光的是荷蘭TNO 應(yīng)用物理研究所的Oliver W F?HNLE 和H Van BRUG。1998年，他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)材料脫離的射流最小壓力，以低于0.6 MPa 的壓力用濃度10%、粒度800 目的SiC磨料流體拋光BK7 樣品，表面粗糙度Ra 由350 nm降到25 nm，且對(duì)已有光滑平面無(wú)損傷［18］。之后，TNO 應(yīng)用物理研究所對(duì)噴嘴形狀、噴射角度、射流速度等工藝參數(shù)對(duì)加工效果影響進(jìn)行分析，表明拋光材料去除速度主要取決于磨料鋒利程度與沖蝕動(dòng)能大小，他們通過(guò)參數(shù)調(diào)整實(shí)現(xiàn)將材料去除率控制在1 nm/ min 內(nèi)，對(duì)提高磨料射流拋光精度有重大意義;采用氧化鈰、氧化鋁、花崗石等磨料拋光BK7 等不同材料進(jìn)行適用性試驗(yàn)，結(jié)果支持磨料射流適用于硬脆材料加工這一觀點(diǎn)［19］。

2005年，D D WALKER 等人與荷蘭TNO 應(yīng)用物理研究所合作對(duì)IRP600 拋光機(jī)床進(jìn)行了工藝改進(jìn)，用射流代替氣囊，開發(fā)了FJP600 機(jī)床［20］，該工藝可實(shí)現(xiàn)直徑小于1 mm 的高斯點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)局部缺陷修正，控制邊緣質(zhì)量。2007年，倫敦光學(xué)實(shí)驗(yàn)室和Zeeko?公司，依靠該項(xiàng)技術(shù)承擔(dān)了歐洲“超大望遠(yuǎn)鏡”項(xiàng)目的主鏡加工。

2007年，日本的豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)的Osamu HORIUCHI 等利用活塞式蓄能器產(chǎn)生磨料射流進(jìn)行了光學(xué)玻璃的拋光試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)用白色氧化鋁磨料顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的混合磨料拋光液，在磨料粒度分別為3.0、1.2、0.6、0.3 μm 及流體壓力分別為2、4、6 MPa 時(shí)，拋光BK7、微晶玻璃、單晶硅，得到去除斑點(diǎn)的形貌及工藝參數(shù)對(duì)材料去除率的影響關(guān)系。拋光BK7 玻璃面形PV 值收斂到29 nm，表面粗糙度Ra 由1.49 nm 增加到1.53 nm［21］。

國(guó)內(nèi)從事磨料射流拋光的主要有山東大學(xué)、蘇州大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。山東大學(xué)朱洪濤等對(duì)射流加工硬脆材料特性進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了蓄能式傳送系統(tǒng)，加工硅酸鹽玻璃Ra 達(dá)到0.093 μm［22］。蘇州大學(xué)的方慧等人進(jìn)行了射流仿真及理論研究，得到了一定的參考性數(shù)據(jù)［23］。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張飛虎將磨料射流改為為納米膠體，將磨料顆粒去除和化學(xué)去除相結(jié)合，加工K9 玻璃，實(shí)現(xiàn)了原子級(jí)的材料去除［24］。

總而言之，磨料射流拋光無(wú)工具磨損、無(wú)熱影響、反作用力小、加工柔性高，無(wú)切帶誤差與邊緣效應(yīng)，可去除磨削變質(zhì)層且基本無(wú)亞表面損傷，非常適合大玻璃拋光。當(dāng)然，磨料射流磨粒也存在沖擊工件表面后濺射嚴(yán)重、能量損失嚴(yán)重等缺點(diǎn)，需在未來(lái)改進(jìn)。

2.4 應(yīng)力盤拋光

應(yīng)力盤拋光(Stressed-lap polishing，SLP)是美國(guó)亞利桑那大學(xué)的J R P ANGEL、H M MARTIN、D S ANDERSON 等在20世紀(jì)80年代末發(fā)明的接觸式拋光方法，主要針對(duì)有較大偏離量的大口徑小F 數(shù)(F=f/d，f 為焦距，d 為入射光瞳直徑)的高陡度非球面拋光。應(yīng)力盤拋光原理為:應(yīng)力盤以大尺寸剛性材料為基底，外圍均勻分布數(shù)個(gè)驅(qū)動(dòng)器，調(diào)整驅(qū)動(dòng)器改變彎矩、扭矩使拋光盤按照?qǐng)D4 中規(guī)律發(fā)生形變始終與工件表面貼合。

圖4 應(yīng)力盤變化規(guī)律

作為應(yīng)力盤拋光發(fā)明單位，亞利桑那大學(xué)取得了豐碩的成果。1988年，H M MARTIN 等利用0.6 及0.3 m 口徑應(yīng)力盤完成了1.8 m f/1.0 的非球面反射鏡加工，表面粗糙度值Ra 優(yōu)于17 nm。1991年，加工3.5 m f1.5 的非球面，表面粗糙度Ra 優(yōu)于21 nm。1999年，利用1.2 m 口徑拋光盤為麥哲倫望遠(yuǎn)鏡加工了6.5 m f/1.25 非球面，表面粗糙度Ra 優(yōu)于14 nm。2006年，利用兩塊1.2 m 的應(yīng)力盤加工8.4 m f/1.25的LBT 主鏡，表面粗糙度Ra 優(yōu)于20 nm。

國(guó)內(nèi)從事應(yīng)力盤拋光研究的主要有南京天文臺(tái)、長(zhǎng)春光機(jī)所等，所采用的應(yīng)力盤結(jié)構(gòu)基本沿襲了國(guó)外方式。南京天文臺(tái)以φ450 mm 圓鋁盤為基底，將柏油塊粘結(jié)到φ300 mm 尼龍上，拋光直徑910 mm、F數(shù)f/2 的拋物面鏡，全口徑范圍內(nèi)表面精度均方根誤差達(dá)到λ/20，在95%的范圍內(nèi)面形精度均方根誤差達(dá)到λ/30。長(zhǎng)春光機(jī)所的羅霄等人提出平轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)力盤，通過(guò)仿真及實(shí)驗(yàn)手段對(duì)應(yīng)力盤的變形速度、變形精度等進(jìn)行分析，降低了應(yīng)力盤響應(yīng)速度的要求，對(duì)提高加工和檢測(cè)效率有重要意義，并且完成了平轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)力盤試驗(yàn)樣機(jī)的研制［25］。

總而言之，應(yīng)力盤與其他柔性拋光盤(如氣囊)的區(qū)別是:應(yīng)力盤可主動(dòng)控制形變，柔性退讓現(xiàn)象較輕微。因此，應(yīng)力盤拋光技術(shù)可優(yōu)先去除表面高點(diǎn)，修正平滑局部中高頻誤差效果顯著;另外，在粗拋、精拋及最終的修形中，可選取不同口徑拋光盤以完成對(duì)工件形狀精度及表面粗糙度的有效控制，并可有效地提高加工效率。

2.5 可控式磨料流體拋光

可控式磨料拋光可以理解為磨料射流和彈性發(fā)射加工(Elastic Emission Machining，EEM)的結(jié)合，其原理是:將高速磨料射流充入旋轉(zhuǎn)的限控輪與光學(xué)玻璃表面間的微米級(jí)空隙中，利用限控輪限制磨料流體飛濺、約束磨料流體形態(tài)，在限控輪的離心力驅(qū)動(dòng)及局部流體動(dòng)壓力作用下，形成高能速度場(chǎng)，裹挾著磨料顆粒不斷地與聚氨酯限控輪及光學(xué)玻璃表面發(fā)生彈性碰撞，在狹小空間內(nèi)形成高頻振蕩，使單顆磨粒可以多次多向沖擊工件表面，同時(shí)流體在限控輪寬度方向側(cè)泄形成網(wǎng)格狀去除，均化、消除表面波紋度，獲得光滑表面。

對(duì)于可控式磨料流體拋光的數(shù)學(xué)描述是基于Preston 方程，即工件表面材料去除率與壓力參數(shù)p成正比的關(guān)系。

式中:Δz 為拋光去除量;v 為磨粒在工件表面的相對(duì)速度;p 為磨粒在工件表面相對(duì)壓力;kp是一個(gè)包含了諸多影響因素的比例常數(shù)，包括射流入射角度、磨粒規(guī)格、工件規(guī)格等。根據(jù)Navier-Stokes 方程及流體動(dòng)壓理論，接觸區(qū)壓力與入射速度、限控輪轉(zhuǎn)速成正比，與加工間隙成反比。因此，可控式磨料流體拋光可優(yōu)先去除表面高點(diǎn)，可修正平滑局部中高頻誤差。

計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成形(Computer Controlled Optical Surface ，CCOS)是由美國(guó)Itek 公司的Wiktor J RUPP 在20世紀(jì)70年代最先提出。它是用計(jì)算機(jī)控制的定量檢測(cè)加工代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工方式的定性檢查加工，具體到可控式磨料流體拋光中，即根據(jù)定量的面形檢測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)控制駐留時(shí)間、射流壓力、入射角度及限控輪轉(zhuǎn)速來(lái)控制材料的去除量。在實(shí)際加工中，主要通過(guò)改變駐留時(shí)間改變材料去除量。初次檢測(cè)后得到各點(diǎn)駐留時(shí)間，由于材料去除率同加工間隙成反比，材料去除率隨加工進(jìn)行不斷減小，最終去除量小于初始計(jì)算量，再次檢測(cè)后需繼續(xù)加工。因此，CCOS 加工是一個(gè)多次迭代、逐步收斂的過(guò)程，對(duì)單點(diǎn)拋光時(shí)可以用下式說(shuō)明:

ΔEi=ΔEi-1+RitiDi=H-ΔEiD1=H

其中:ΔEi、Ri、ti、Di分別為第i 次拋光時(shí)總?cè)コ?、去除函?shù)、駐留時(shí)間、表面殘差，當(dāng)Di符合精度要求時(shí)，停止迭代。大玻璃拋光CCOS 示意圖如圖5所示，其中工藝方案主要包括去除函數(shù)和拋光路徑等。

圖5 可控式磨料射流拋光CCOS 示意圖

目前，東華大學(xué)磨削研究所設(shè)計(jì)制造了以皮囊式蓄能器為主體的差動(dòng)式射流系統(tǒng)，可以產(chǎn)生不同壓力的穩(wěn)定、持續(xù)射流，結(jié)合聚氨酯限控輪對(duì)磨削后的φ80 mm 的K9 玻璃進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)表面質(zhì)量得到顯著改善，進(jìn)一步的工藝試驗(yàn)還在進(jìn)行中。

總而言之，可控式磨料流體拋光結(jié)合射流拋光與EEM 的優(yōu)點(diǎn)，拋光與最終修整可同時(shí)進(jìn)行，材料去除率較高，工件無(wú)需多次裝夾，對(duì)于提高此工序加工效率有重要意義。

3 結(jié)束語(yǔ)

分析大玻璃加工工藝，得出離散粒子拋光為限制加工效率提高的瓶頸。對(duì)現(xiàn)有應(yīng)用廣泛的超精密氣囊拋光、磁流變拋光、磨料射流拋光、應(yīng)力盤拋光等離散粒子拋光方法進(jìn)行分析得知:磨料射流拋光相對(duì)其他具有較為明顯的優(yōu)點(diǎn)，體現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)較容易(對(duì)機(jī)床性能等要求較低)、無(wú)切帶誤差與邊緣效應(yīng)等。提出結(jié)合EEM 的可控式磨料流體拋光，對(duì)其原理及實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行介紹，并進(jìn)行初步試驗(yàn)表明其改善玻璃表面質(zhì)量效果明顯，是一種解決離散粒子拋光效率問(wèn)題的可行途徑。

【1】BINGHAM R G，WALKER D D，KIM D H，et al.A Novel Automated Process for Aspheric Surfaces［C］//SPIE，2000:445 -451.

【2】WALKER D D，BROOKS D，F(xiàn)REEMAN R，et al.The First Aspheric Form and Texture Results from a Production Machine Embodying the Precession Process ［C］// SPIE，2001:267 -276.

【3】WALKER D D，F(xiàn)REEMAN R，CAVANA G，et al.The Zeeko/UCL Process for Polishing Large Lenses and Prisms［C］//SPIE，2002:106 -112.

【4】KIM Sug-Whan，WALKER David，BROOKS David.Active Profiling and Polishing for Efficient Control of Material Removal from Large Precision Surfaces with Moderate Asphericity［J］.Mechatronics，2003，13:295－312.

【5】WALKER D D，BEAUCAMP A，BROOKS D，et al.New Results from the Precessions Polishing Process Scaled to Larger Sizes［C］//SPIE，2004:71－81.

【6】WALKER D D，BEAUCAMP A T H，DUNN C，et al.Active Control of Edges and Global Microstructure on Segmented Mirrors［C］//SPIE，2008:67－76.

【7】BEAUCAMP A，F(xiàn)REEMAN R，MORTON R，et al.Removal of Diamond-turning Signatures on X-ray Mandrels and Metal Optics by Fluid Jet Polishing［C］//SPIE，2008:351－359.

【8】叢凱.3-PRS 并聯(lián)機(jī)床氣囊拋光數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

【9】計(jì)時(shí)鳴，金明生，袁巨龍.應(yīng)用于模具自由曲面的新型氣囊拋光技術(shù)［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43(8):2－5.

【10】KORDONSKI W I，JACOBS S D.Magnetorheological Finishing［J］.International Journal of Modern Physics B，1996(10):2837－2848.

【11】RUCKMAN J，F(xiàn)ESS E，GEE D V.Recent Advances in Aspheric and Conformal Grinding at the Center for Optics Manufacturing［C］//SPIE，1999:2－10.

【12】SCHINHAERL Markus，SCHNEIDER Florian，RASCHER Rolf，et al.Relationship between Influence Function Accuracy and Polishing Quality in Magnetorheological Finishing［C］//SPIE，2010.

【13】HAN Jin，KIM Jong-Wook，LEE Hiwon，et al.Microfabrication Method Using a Combination of Local Ion Implantation and Magnetorheological Finishing［J］.Applied Physics Express，2009，2(2).

【14】程灝波，王英偉，馮之敬.永磁流變拋光納米精度非球面技術(shù)研究［J］.光學(xué)技術(shù)，2005，31(1):52－54.

【15】張飛虎，林永勇，于興斌.基于UG 的超聲波磁流變復(fù)合拋光面形誤差修正方法研究［J］.航空精密制造技術(shù)，2010，46(5):7－9.

【16】周杭君.超光滑表面磁流變加工原理與實(shí)驗(yàn)研究［D］.長(zhǎng)沙:國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2002.

【17】HASHISH M.Diamond Film Polishing with Abrasive-Liquid Jets:An Exploratory Investigation［J］.American Society of Mechanical Engineers，Production Engineering Division(Publication)PED.1992，58:29－41.

【18】van BRUG Hedser H，F(xiàn)AHNLE Oliver W.Fabrication of(a)Spheres，a Process Simulation［C］//SPIE，1999:193－202.

【19】MESSELINK ，WAEGER Reto，WONS Torsten，et al.Prepolishing and Finishing of Optical Surfaces Using Fluid Jet Polishing［C］// SPIE-The International Society for Optical Engineering，2005.

【20】WALKER D D，BEAUCAMP A，DOUBROVSKI V，et al.Automated Optical Fabrication-First Results from the New"Precessions"1.2m CNC Polishing Machine［C］//SPIE，2006:91－98.

【21】HORIUCHI O，IKENO J，SHIBUTANI H，at el.Nano-abrasion Machining of Brittle Materials and Its Application to Corrective Figuring［J］.Precision Engineering，2007，31:47－54.

【22】朱洪濤.精密磨料水射流加工硬脆材料沖蝕機(jī)理及拋光技術(shù)研究［D］.濟(jì)南:山東大學(xué)，2007.

【23】郭培基，方慧，余景池.液體噴射拋光技術(shù)研究［J］.激光雜志，2008，29(1):26－28.

【24】宋孝宗，張勇，張飛虎.超精密納米膠體射流拋光試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2008，19(21):2521－2525.

【25】羅霄.采用平轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)力盤技術(shù)加工超大口徑非球面的研究［D］.北京:中國(guó)科學(xué)院研究生院，2011.