基于雙磨頭的磁流變拋光機床與工藝研究

黃 文，張云飛，鄭永成，羅 清，侯 晶，袁志剛

（1.中國工程物理研究院 機械制造工藝研究所，四川 綿陽621900；2.成都精密光學工程研究中心，四川 成都610041）

引言

磁流變拋光是近十多年才發(fā)展起來的一種高確定性柔性拋光技術(shù)，它主要利用磁流變拋光液的可控流變特性進行加工，即通過控制外加磁場的強度和分布來控制磨頭的柔度和形狀，通過控制磨頭的加工軌跡和駐留時間來實現(xiàn)定量加工［1－2］。與傳統(tǒng)數(shù)控拋光技術(shù)相比，磁流變拋光具有極高加工精度、極高收斂效率與極低表面缺陷等顯著工藝特點，能夠高效、低成本地解決平面及非球面的超精密加工難題，被譽為是光學制造界的革命性技術(shù)［3－7］。

國家若干重大型光學工程急需大量的大口徑平面、非球面或連續(xù)位相板等光學元件［8］。目前，采用單磨頭磁流變拋光技術(shù)，很難滿足大口徑平面及非球面不同加工階段（去亞表面缺陷、修全頻段誤差）以及不同誤差結(jié)構(gòu)（低頻、中頻及高頻）的加工需求，而大口徑連續(xù)位相板復雜的“大振幅、小周期”波面結(jié)構(gòu)對單磨頭拋光技術(shù)提出了更為嚴峻的挑戰(zhàn)。大磨頭拋光斑尺度較大，比較適合大口徑元件的超精加工、大周期波面結(jié)構(gòu)的精確控制、中低頻誤差的定量修正以及材料的高效去除。小磨頭的拋光斑尺度較小，在小口徑元件的超精加工、小周期波面結(jié)構(gòu)的精確控制、中高頻誤差的定量修正以及材料的微量去除等方面更具優(yōu)勢。通過組合大、小磨頭的差異化工藝能力，可為平面、非球面，特別是位相板的超精、高效加工提供一種更優(yōu)工藝方法，能更好地實現(xiàn)精度與效率的優(yōu)化匹配［9－10］。美國 QED公司于2008年底成功研發(fā)了一臺型號為Q22-750P2的三軸雙磨頭磁流變拋光機［11］，其最大加工尺寸為1 000mm×750mm，但僅具備平面的平行線加工能力，不過對我國卻實施了嚴格裝備禁運。

基于美國的禁運以及國內(nèi)的急需，本文研制了一臺以大、小雙柔性磨頭為核心的八軸磁流變拋光機床，完全具備了大口徑平面、非球面及連續(xù)位相板的雙磨頭組合超精密加工能力，不僅獲得了滿足高精度面形快速收斂的大、小尺度拋光斑特征，而且實現(xiàn)了大、小口徑平面的超精、高效加工。

1 雙磨頭磁流變拋光機床的工程化研制

雙磨頭磁流變拋光機床主要基于磨頭與工件復合擺運動原理及構(gòu)型方法來進行工程化設計，其以“一維可擺動雙柔性磨頭”為核心和“獨立式雙Z軸龍門床身”為主體，主要由雙Z軸龍門床身、雙柔性磨頭和雙循環(huán)系統(tǒng)以及集成控制系統(tǒng)等單元模塊組成。其中，龍門床身的主要作用是滿足大口徑光學元件加工對機床行程、精度、速度及加速度等性能的要求，配置了X、Y、Z1、Z2 4個直線軸和A1、A2、B、C4個旋轉(zhuǎn)軸，X軸安裝在龍門底座上，Y軸安裝在龍門橫粱上，Z1、Z2兩軸均安裝在Y軸上，A1、A2兩軸分別安裝在Z1、Z2軸上，B、C兩軸組成二維轉(zhuǎn)擺工作臺并固定在X軸上。雙柔性磨頭的主要作用是確保拋光液能形成有效、可控及穩(wěn)定的柔性緞帶與去除特征，大、小磨頭分別安裝在A1、A2軸上，其大小分別為φ300mm和φ50mm且其輪軸方向均與Y軸平行。雙循環(huán)系統(tǒng)的主要作用是確保拋光液在拋光過程中可循環(huán)使用以及主要工藝參數(shù)，如流量、粘度及溫度等，能在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定調(diào)控，大、小流量循環(huán)系統(tǒng)分別為大磨頭和小磨頭提供拋光液，并整體安裝在一個柜子中且置于床身后側(cè)?？刂葡到y(tǒng)基于840D數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)建，主要實現(xiàn)了 X、Y、Z1、Z2、A1、A2、B、C等運動量、磁場、粘度、流量等過程量、拋光斑采集、緞帶特征標定等工藝流程的的綜合集成控制。實際研制的雙磨頭磁流變拋光機床如圖1所示。

圖1 雙磨頭磁流變拋光機床Fig.1 Two-polishing-head MRF machine

雙磨頭磁流變拋光機床主要通過大、小磨頭來實現(xiàn)去除函數(shù)尺度及效率等關(guān)鍵特征的寬范圍調(diào)節(jié)。大、小磨頭的工況完全獨立，小磨頭工作時，大磨頭先回非工作位（即A1、Z1兩軸回零位）；大磨頭工作時，小磨頭同樣須先回非工作位（即A2、Z2兩軸回零位）。

由于配置了8個運動軸，因此本機床不僅支持平面及非球面的螺旋線加工，而且支持平行線加工。以大磨頭加工非球面為例，采用螺旋線時，通過X、Y、Z1、B、C五軸加工即可，其中，X、Z1、B、C四軸聯(lián)動、X軸實現(xiàn)大磨頭徑向進給、C軸實現(xiàn)大磨頭主運動切削。采用平行線時，通過X、Y、Z1、A1、B五軸加工即可，其中，Y、Z1、A1、B 四軸聯(lián)動、X軸實現(xiàn)大磨頭橫向進給、Y軸實現(xiàn)大磨頭主運動切削。另外，本機床最大平面加工尺寸為1 000mm×1 000mm、最大非球面加工尺寸為430mm×430mm。

2 大、小磨頭的材料去除特性工藝研究

在磁流變拋光中，磨頭的材料去除特性主要通過磨頭的拋光去除函數(shù)來描述，而磨頭的拋光去除函數(shù)又主要通過磨頭的拋光斑來表征。磨頭的材料去除特性或去除函數(shù)或拋光斑特性，主要包括去除有效性和去除穩(wěn)定性2個方面，其中，去除有效性關(guān)系到拋光斑能否使用的問題，去除穩(wěn)定性關(guān)系到拋光斑能否長時使用的問題。由此可見，磨頭的材料去除特性是磁流變拋光能否實現(xiàn)面形高精度收斂、材料高效率去除、工藝長時間穩(wěn)定的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。而在實際工藝過程中，拋光斑的優(yōu)化控制主要通過拋光液的組份設計與配比、拋光區(qū)的磁場大小及分布、拋光液的緞帶寬度及厚度、柔性緞帶的浸入深度等關(guān)鍵工藝參數(shù)來實現(xiàn)。

2.1 大、小磨頭的去除有效性工藝研究

材料去除有效性主要包括其形態(tài)有效性和效率有效性2個方面。當拋光斑外形輪廓呈單峰分布、外形尺寸及其長寬比適中、且其寬度方向?qū)ΨQ性較好時，則認為拋光斑形態(tài)有效。當拋光斑峰值去除效率為（2～18）λ／min、體積去除效率為（0.02～0.5）mm3／min時，則認為拋光斑效率有效。僅當形態(tài)與效率均有效時，拋光斑才能滿足高確定性拋光工藝條件。

為研究大磨頭拋光斑的有效性，專門對大磨頭進行了斑采集工藝實驗。在這里，選用氧化鈰水基磁流變拋光液作為拋光介質(zhì)。首先，匹配好大磨頭參數(shù)并獲得穩(wěn)定的柔性緞帶；然后，按照標準工藝流程，在一塊小口徑平面元件（材料為UBK7、大小為φ50mm）上連續(xù)采集2個拋光斑；最后，分析測量這2個拋光斑的去除形態(tài)與效率特征，并對其有效性進行評估。小磨頭的去除有效性研究方法與大磨頭完全相同，采用此方法，同樣可獲得小磨頭的去除有效性評估。

本實驗所獲得的大、小磨頭拋光斑特征如圖2所示。由圖2可知，大磨頭拋光斑長為15.7mm、寬為8.6mm、長寬比為1.83，小磨頭拋光斑長為4.6mm、寬為2.4mm、長寬比為1.92。大、小磨頭拋光斑的長度及寬度輪廓均為單峰去除形態(tài)且在寬度方向具有較好的對稱性，均滿足形態(tài)有效性要求。大磨頭拋光斑的峰值去除效率為6.655λ／mm、體積去除效率為0.245mm3／min，小磨頭拋光斑的峰值去除效率為4.25λ／mm、體積去除率為0.035mm3／min，同樣滿足效率有效性要求。大磨頭拋光斑的體積去除率比小磨頭高了一個數(shù)量級，主要原因是大磨頭的拋光斑有效去除面積比小磨頭大了一個數(shù)量級。

圖2 大、小磨頭拋光斑的形態(tài)與效率特征Fig.2 Polishing spot shape and efficiency characteristics for large and small polishing heads

2.2 大、小磨頭的去除穩(wěn)定性工藝研究

大口徑光學元件通常需經(jīng)數(shù)小時乃至數(shù)十小時的拋光，因此，拋光斑的穩(wěn)定性對于長時間拋光來講十分關(guān)鍵。磁流變拋光機床在相同工件材料、拋光液配比及工藝參數(shù)條件下連續(xù)運行48h，若其拋光斑峰值去除效率或體積去除效率波動不超過5%，則認為其穩(wěn)定性較優(yōu)。

為研究大磨頭拋光斑的穩(wěn)定性，選用了氧化鈰水基磁流變拋光液作為拋光介質(zhì)，準備了兩塊小口徑平面元件，其材質(zhì)為UBK7、大小為φ50mm、初始面形精度PV值不大于λ／4；設置了2個時間節(jié)點，其間隔為48h；每個時間節(jié)點使用一塊元件，每件均連續(xù)采集4個斑。采用激光干涉儀對各元件采斑前、后面形進行測量，采用測量軟件對前、后面形進行相減并提取斑，分別計算每個拋光斑的峰值去除效率和體積去除效率。小磨頭拋光斑的穩(wěn)定性研究方法與大磨頭相同，采用此方法，同樣可獲得小磨頭拋光斑的穩(wěn)定性評估。大、小磨頭拋光斑的穩(wěn)定性實驗數(shù)據(jù)如表1所示。其峰值去除效率和體積去除效率的波動值δ按公式（1）計算：

式中：ri表示第i個斑的峰或體去除效率；max（ri）表示ri的最大值；min（ri）表示ri的最小值；N 表示斑個數(shù)。

表1 大、小磨頭拋光斑的穩(wěn)定性實驗數(shù)據(jù)Table 1 Polishing spot stability experiment data for large and small polishingheads

由表1可知，大磨頭的最大、最小與平均峰值去除效率為8.691λ／mm、8.382λ／mm、8.523λ／mm，最大、最小及平均體積去除效率為0.316mm3／min、0.303mm3／min、0.311mm3／min。由式（1）可得，大磨頭在48h內(nèi)的峰值及體積去除效率的波動值為3.63%和4.18%；同理可得小磨頭在48h內(nèi)的峰值及體積去除效率的波動值為3.87%和4.53%。很明顯，大、小磨頭的峰值及體積去除效率在48h內(nèi)均優(yōu)于5%，滿足了高確定性長時間拋光對去除函數(shù)的穩(wěn)定性要求。

3 大、小磨頭的平面修形工藝研究

大、小磨頭的修形能力主要通過其面形精度收斂工藝實驗來研究。無論是大磨頭，還是小磨頭，其修形工藝流程均包含采集拋光斑、提取去除函數(shù)、計算駐留時間、生成拋光程序與加工光學元件等工步，即首先采用推薦的拋光液組份和機床工藝參數(shù)，采集拋光斑并提取去除函數(shù)特征；然后，根據(jù)提取的去除函數(shù)以及待加工元件的初始面形數(shù)據(jù)，使用工藝軟件進行工藝規(guī)劃并生成面形修正數(shù)控程序；最后，上載數(shù)控程序、驅(qū)動機床運行并實現(xiàn)元件加工。元件加工前后的面形精度主要采用Wyko 24″高精度相移干涉儀進行檢測。

3.1 基于小磨頭的小口徑平面修形工藝

針對小磨頭，采用小口徑平面光學元件對其修形能力進行工藝驗證。小口徑平面元件材質(zhì)為UBK7、大小為φ50mm，且在φ45mm口徑內(nèi)初始面形精度PV＝0.21λ、RMS＝0.053λ，如圖3（a）所示。

采用推薦的拋光液組份和機床工藝參數(shù)獲取小磨頭拋光斑去除函數(shù)，其長為4mm、寬為1.5mm、峰值去除效率為4.384λ／min、體積去除效率為0.019mm3／min。

采用工藝軟件生成數(shù)控程序，整個程序又分解為4個子程序，總加工時間為13.68min，且在一個加工循環(huán)內(nèi)執(zhí)行完成。在φ45mm口徑內(nèi)，機床實際加工面形精度 PV＝0.08λ、RMS＝0.015λ，如圖3（b）所示。由此可見，采用小磨頭加工小口徑平面，不僅可獲得高收斂精度，而且能獲得快收斂速度。

圖3 基于小磨頭的小口徑平面光學元件加工前后面形精度（φ45mm口徑內(nèi)）Fig.3 Initial and final figures of small plano optics based on small polishing head（φ45mm）

3.2 基于大磨頭的大口徑平面修形工藝

針對大磨頭，采用大口徑平面光學元件對其修形能力進行了工藝驗證。大口徑平面元件材質(zhì)為UBK7、大小為435mm×435mm，且在410mm×410mm口徑內(nèi)初始面形精度PV＝0.40λ、RMS＝0.068λ，如圖4（a）所示。

本實驗獲取的大磨頭拋光斑去除函數(shù)長為17.435mm、寬為8.445mm、峰值去除效率為8.752 λ／min、體積去除效率為0.332mm3／min；共執(zhí)行了3次迭代拋光，程序總執(zhí)行時間約2h。經(jīng)過3次面形修正，大口徑平面光學元件在410mm×410mm口徑內(nèi)，面形精度PV＝0.10λ、RMS＝0.013λ，如圖4（b）所示。由此可見。采用大磨頭加工大口徑平面，同樣可獲得高收斂精度和快收斂速度。

圖4 基于大磨頭的大口徑平面光學元件加工前后面形精度（410mm×410mm口徑內(nèi)）Fig.4 Initial and final figures of large plano optics based on large polishing head（410 mm×410 mm）

4 結(jié)論與展望

本文針對單磨頭磁流變拋光技術(shù)在大口徑平面、非球面特別是連續(xù)位相板等光學元件超精密、高效率加工中存在的諸多問題，研制了一臺以雙柔性磨頭為核心、以雙Z軸龍門床身為主體的八軸四聯(lián)動磁流變拋光機床，其最大平面加工尺寸為1 000mm×1 000mm、最大非球面加工尺寸為430mm×430mm，不僅支持大、小磨頭的獨立與組合運行加工，而且支持大、小磨頭的平行線與螺旋線軌跡加工。研究了雙磨頭磁流變拋光機床的微量去除特性，并從有效性和穩(wěn)定性2個方面進行了表征，獲得了形態(tài)有效（單峰分布形態(tài)、寬度方向?qū)ΨQ）、效率有效且去除穩(wěn)定（48h內(nèi)優(yōu)于5%）的大、小磨頭拋光斑去除函數(shù)特征。研究了大、小磨頭的修形能力，針對小磨頭，采用材質(zhì)為UBK7、大小為φ50mm的小口徑平面進行修形工藝研究，經(jīng)過1次共計13.68min的加工，在φ45mm內(nèi)其面形精度PV由0.21λ收斂至0.08λ、RMS由0.053λ收斂至0.015λ；針對大磨頭，采用大口徑平面進行研究，材質(zhì)為UBK7、大小為435mm×435mm的大口徑平面，經(jīng)過3次共約2h的迭代加工，在410mm×410mm內(nèi)其面形精度PV由0.4λ收斂至0.1λ、RMS由0.068λ收斂至0.013λ。由此證明，所研制的雙磨頭磁流變拋光機床不僅具有較好的去除穩(wěn)定性能，而且具有較強的面形修形能力。

未來將基于雙磨頭磁流變拋光機床進一步開展大、小磨頭的差異化工藝能力與大口徑平面、非球面以及連續(xù)位相板的雙磨頭組合工藝研究，并結(jié)合相關(guān)工藝研究進一步優(yōu)化完善機床的功能及性能。

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