環(huán)形氣囊拋光K9光學(xué)玻璃的工藝實驗研究

王廣林，王新海，馬 瑾

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300)

K9光學(xué)玻璃屬于常見的光學(xué)材料，具有價格低廉、微加工性能良好等優(yōu)點，因而被廣泛應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)元件表面質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響著光學(xué)系統(tǒng)的精度，加之高新產(chǎn)業(yè)對高精度K9光學(xué)玻璃需求巨大，因此高精度拋光技術(shù)已成為行業(yè)研究的熱點。隨著對光學(xué)元件表面質(zhì)量要求不斷提高，光學(xué)元件表面應(yīng)具有較高的面形精度和較低的表面粗糙度值[1-2]。目前，K9光學(xué)玻璃元件的拋光方法有很多種，主要包括古典法拋光、離子束拋光、磁流變拋光、化學(xué)機(jī)械拋光、氣囊拋光等。其中，氣囊拋光技術(shù)是20世紀(jì)90年代倫敦光學(xué)實驗室提出的一種新拋光方法，具有拋光頭與工件的吻合性好、拋光接觸區(qū)內(nèi)材料去除均勻、工藝工程可控性好、適用于高效拋光和高精度拋光等優(yōu)點[3]。

拋光頭的結(jié)構(gòu)形式是影響氣囊拋光質(zhì)量的關(guān)鍵點之一。目前，拋光頭多采用拋光輪式和球冠式，這兩種拋光頭具有易于拋光復(fù)雜工件表面、易于實現(xiàn)數(shù)控拋光等優(yōu)點，但此類拋光頭與光學(xué)元件拋光接觸區(qū)域小，從而限制了光學(xué)元件的加工效率?；谝陨喜蛔?，誕生了環(huán)形氣囊拋光技術(shù)，該技術(shù)[4-5]增大了拋光頭與工件的接觸面積，提高了光學(xué)元件的拋光效率。環(huán)形氣囊拋光技術(shù)的各工藝參數(shù)對拋光結(jié)果有著重要影響。目前，環(huán)形氣囊拋光技術(shù)的相關(guān)文章以介紹環(huán)形氣囊拋光頭的結(jié)構(gòu)和拋光原理居多，關(guān)于工藝參數(shù)方面的相關(guān)實驗研究較少[4]。本文以K9光學(xué)玻璃為載體，研究了氣囊壓強(qiáng)和初始基底粗糙度對環(huán)形氣囊拋光光學(xué)元件表面質(zhì)量的影響規(guī)律，對環(huán)形氣囊拋光技術(shù)的廣泛應(yīng)用研究有著重要意義。

1 拋光原理與實驗平臺

環(huán)形氣囊拋光技術(shù)的核心是利用一個充氣的環(huán)形氣囊對工件進(jìn)行拋光，氣囊的外表面附著一層拋光膜，用于吸附拋光磨粒，拋光時，充有一定氣體的環(huán)形氣囊拋光頭與光學(xué)元件表面完全貼合，并對光學(xué)元件表面產(chǎn)生一定的壓力，在氣囊與光學(xué)元件的相對運(yùn)動下，利用拋光粉實現(xiàn)對光學(xué)元件的拋光。環(huán)形氣囊拋光頭的結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

1—拋光膜；2—氣室；3—基體 圖1 環(huán)形氣囊拋光頭結(jié)構(gòu)示意圖

環(huán)形氣囊拋光實驗平臺是利用范成法[6]原理，通過改變工件軸線與環(huán)形氣囊拋光頭的軸線夾角，實現(xiàn)凸球面、凹球面和平面類光學(xué)元件的表面拋光，其拋光原理示意圖如圖2所示。

環(huán)形氣囊拋光頭安裝在機(jī)床主軸上，旋轉(zhuǎn)動力由主軸電機(jī)提供，并由伺服主軸驅(qū)動器來調(diào)節(jié)速度大小。工件安裝在工作臺上，通過電控裝置控制工件軸線與磨頭軸線之間的夾角，伺服主軸驅(qū)動器調(diào)整工件的旋轉(zhuǎn)速度和工件的位置。此外，環(huán)形氣囊拋光實驗平臺還包含拋光液加壓裝置、回收盒以及氣囊壓強(qiáng)調(diào)整裝置，拋光液經(jīng)過加壓裝置輸送到主軸孔，隨后通過環(huán)形氣囊拋光磨頭中間的圓孔注入到工件與拋光磨頭的表面，最后經(jīng)過拋光液回收盒流入拋光液加壓裝置。氣囊壓強(qiáng)調(diào)整裝置主要由空氣壓縮機(jī)等組成。

1—環(huán)形氣囊拋光頭；2—光學(xué)元件 圖2 拋光原理示意圖

2 拋光實驗分析

實驗材料為直徑36mm的K9玻璃，工件轉(zhuǎn)速200r /min，拋光頭速度360r /min，間隙-1cm，一定濃度的氧化鈰拋光液通過循環(huán)系統(tǒng)不斷加入到氣囊拋光頭和工件之間。在工件拋光一定時間后，利用Taylor Hobson非接觸式輪廓儀對拋光的工件表面進(jìn)行檢測，以檢測工件拋光后表面質(zhì)量的變化情況。

2.1 氣囊壓強(qiáng)的影響

在環(huán)形氣囊拋光過程中，當(dāng)光學(xué)元件和柔性氣囊拋光頭之間的間隙一定時，如果氣囊內(nèi)的壓強(qiáng)過小，則提供給拋光膜的剪切力不足，無法實現(xiàn)對光學(xué)元件表面材料的去除，即不能實現(xiàn)對光學(xué)元件表面的拋光；如果氣囊內(nèi)的壓強(qiáng)過大，則提供給氣囊表面拋光膜的剪切力隨之增大，此時光學(xué)元件表面的機(jī)械去除作用增強(qiáng)，容易產(chǎn)生劃痕，且不利于拋光液進(jìn)入光學(xué)元件與氣囊拋光布的接觸面，最終影響加工零件的表面質(zhì)量。因此，氣囊壓強(qiáng)是影響環(huán)形氣囊拋光質(zhì)量的一個重要因素。

根據(jù)實驗設(shè)計條件，當(dāng)工件的表面粗糙度值由初始的0.401 2μm降低到0.010 0μm時，研究在3.0kPa、4.5kPa和6.0kPa 3種不同氣囊壓強(qiáng)下拋光時間和工件表面粗糙度之間的關(guān)系，其結(jié)果如圖3所示。由圖可以看出，環(huán)形氣囊拋光過程中氣囊壓強(qiáng)對拋光效率的影響較大。在環(huán)形氣囊拋光膜不失效的情況下，隨著氣囊壓強(qiáng)的增大，工件表面的材料去除率增加，被加工表面的凹凸層和裂紋層深度快速減小，工件的表面粗糙度值也隨之減小。當(dāng)采用壓強(qiáng)6.0kPa進(jìn)行拋光時，拋光時間最短。

圖3 不同壓強(qiáng)下的拋光速率曲線

2.2 不同粗糙度初始基底對表面質(zhì)量的影響

光學(xué)元件拋光前的表面粗糙度對元件最終的拋光質(zhì)量有著重要影響。根據(jù)實驗設(shè)計條件，選擇3種表面粗糙度值不同的試樣進(jìn)行拋光實驗，分別是1 350nm、830nm和410nm，利用壓強(qiáng)為6.0kPa的環(huán)形氣囊拋光3種試樣，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同基底拋光效果曲線

由圖4可知，當(dāng)初始基底的表面粗糙度值為410nm時，光學(xué)元件的最終拋光表面粗糙度值也是最小的，且拋光效率最高。當(dāng)初始基底是表面粗糙度為1 350nm，表面質(zhì)量不高，拋光效率也很低。初始基底表面粗糙度為830nm的光學(xué)元件正好處于兩者之間。從實驗的結(jié)果可知，初始基底對拋光的影響很大，這是因為初始基底的表面粗糙度不同，基底上產(chǎn)生的裂紋層和凹凸層的深度和形態(tài)都不同，從而影響拋光的結(jié)果。

2.3 組合拋光實驗

根據(jù)圖3和圖4的拋光效率收斂趨勢可知，隨著氣囊壓強(qiáng)的增大，光學(xué)元件表面的拋光效率得到了提高；隨著時間的推移，光學(xué)元件的表面粗糙度會達(dá)到一定數(shù)值并趨于穩(wěn)定狀態(tài)。在光學(xué)元件的整個拋光過程中，光學(xué)元件的表面粗糙度收斂過程可劃分為兩個階段，分別是粗拋光和精拋光。

在粗拋光階段，拋光的主要作用是完成光學(xué)元件表面材料的快速去除，此階段選擇氣囊壓強(qiáng)值的目的是提高拋光效率，即在最佳的氣囊壓強(qiáng)值下，使光學(xué)元件表面粗糙度降低得最快，雖然高的拋光效率會對表面產(chǎn)生相對大的損傷層，但損傷層會在第二個階段被去除掉。在精拋光階段，選擇氣囊壓強(qiáng)值的目的不僅要保證拋光效率，而且要考慮能夠較好地去除粗階段所留下的損傷層。

基于大量工藝實驗數(shù)據(jù)分析，根據(jù)在不同階段表面粗糙度的變化以及每個階段中不同壓強(qiáng)值的特點，綜合考慮粗、精拋光階段光學(xué)元件的表面質(zhì)量和拋光效率，提出一種全新的確定最佳工藝參數(shù)思路：分階段選定工藝參數(shù)值，即在兩個階段各自選擇一個最佳值，然后在拋光過程中，根據(jù)拋光所處的階段，依次變換最佳參數(shù)值，用組合參數(shù)完成最后的拋光。通過實驗最終確定粗拋光階段的壓強(qiáng)強(qiáng)度值為6.0kPa，精拋光階段的壓強(qiáng)強(qiáng)度值為3.0kPa。圖5為經(jīng)過分階段拋光后，Ra值在3.690 6nm時沿工件的一個橫截面測得的表面起伏情況圖。

3 結(jié)束語

本文基于K9光學(xué)玻璃的環(huán)形氣囊拋光實驗，介紹了環(huán)形氣囊拋光平臺及其原理，研究了氣囊壓強(qiáng)、不同粗糙度初始基底等因素對拋光K9光學(xué)玻璃質(zhì)量的影響規(guī)律，提出分階段進(jìn)行選定最佳工藝參數(shù)的新思路，并進(jìn)行了實驗研究。實驗結(jié)果表明：分階段進(jìn)行環(huán)形氣囊拋光具有較高的拋光效率，但受實驗條件和時間的限制，對于一些工藝性問題還需進(jìn)一步深入研究。

圖5 Ra值為3.690 6nm工件橫截面的表面起伏情況圖

參考文獻(xiàn)：

[1] 申立軍.拋光液分散性對K9光學(xué)玻璃表面粗糙度影響研究[D].成都:中國科學(xué)院大學(xué),2015.

[2] 李圣怡,戴一帆,彭小強(qiáng),等.大中型光學(xué)非球面鏡制造與測量新技術(shù)[M] .北京:國防工業(yè)出版社,2011.

[3] 李鎖柱.固結(jié)磨料研磨拋光K9光學(xué)玻璃研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2011.

[4] 王新海,張永軍,馬瑾.環(huán)形氣囊拋光技術(shù)的研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造工程,2016,45(12):67-69.

[5] 高波,謝大綱,姚英學(xué),等.氣囊式工具拋光新技術(shù)[J].光學(xué)技術(shù),2004(3):333-336.

[6] 高必烈.用改進(jìn)和拓展后的范成法銑磨凸凹非球面的原理和精度分析[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2009(12):23-26.