光學(xué)玻璃磁性復(fù)合流體拋光應(yīng)力與材料去除率的實(shí)驗(yàn)研究

郝 宇, 姜 晨

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200093)

引 言

光學(xué)玻璃元件是各類光學(xué)儀器的核心組件如醫(yī)療內(nèi)窺鏡鏡片、大型望遠(yuǎn)鏡中光學(xué)零件、X射線波段工作儀器的反射面等[1]。光學(xué)玻璃元件制造過程中軸承振動(dòng)、控制精度、加工工具磨損等因素,都會(huì)造成工件面形誤差、亞表面損傷等缺陷[2]。強(qiáng)激光領(lǐng)域及其他光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展,對(duì)光學(xué)元件的制造提出更苛刻的要求,不僅要求具有很高的表面精度,還要求無亞表面損傷(subsurface damage,SSD)[3-4]。磁性復(fù)合流體拋光是基于磁流變拋光方法形成的新的拋光方法,能夠在不產(chǎn)生亞表面損傷的情況下,快速有效地提高光學(xué)元件的表面質(zhì)量[5]。

20世紀(jì)80年代中期,Tain和Kawata[6]研發(fā)了磁流體(magnetic fluid,MF)光整加工技術(shù),他們借助磁場(chǎng)對(duì)聚丙烯工件進(jìn)行拋光,工件表面粗糙度降低了10倍。1988年白俄羅斯學(xué)者Kordonski[7]提出磁流變拋光(magnetorheological finishing,MRF),并對(duì)一塊直徑50 mm的SLAM55非球面工件進(jìn)行拋光,成功去除其5 μm的亞表面損傷層,面型精度P-V值由3.7 μm減小到0.2 μm。2002年,Shimada[8]將含有微米級(jí)磁性顆粒的磁流變液和納米級(jí)磁性顆粒的磁性流體混合在一起,綜合MF和MRF兩者的優(yōu)勢(shì),研制出磁性復(fù)合液體(magnetic compound fluid,MCF)。MCF拋光方式具有拋光效率高、不產(chǎn)生亞表面損傷、流變性能好和抗沉淀穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)[9-11]。MCF拋光過程中工件的應(yīng)力分布,是實(shí)現(xiàn)MCF確定性拋光的核心問題之一,直接決定了拋光過程的材料去除和表面質(zhì)量。本文使用自行設(shè)計(jì)的拋光裝置進(jìn)行MCF拋光實(shí)驗(yàn),分別檢測(cè)自旋轉(zhuǎn)MCF拋光和行星旋轉(zhuǎn)MCF拋光的正應(yīng)力和剪切應(yīng)力分布并利用Taylor Hobson粗糙度儀檢測(cè)拋光后材料的去除率,分析拋光效果,為MCF確定性拋光提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 磁性復(fù)合流體拋光原理

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Experimental parameters

在外加磁場(chǎng)作用下,磁性復(fù)合流體形成具有剪切力的粘彈性Bingham流體,而磨料則均勻分布在磁性簇表面。拋光過程中,磁性簇與待加工工件表面發(fā)生擠壓和摩擦作用,磁性簇中磨粒通過刮擦去除材料。實(shí)驗(yàn)中使用的拋光液是由鐵粉(微米級(jí)的羥基鐵粉、納米級(jí)的四氧化三鐵顆粒混合物)、水、氧化鈰、α-纖維素按一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比混合而成,各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比分別為鐵粉55%、水30%、氧化鈰12%、α-纖維素3%。主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1。

2 拋光應(yīng)力分布實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

拋光頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(a),載液盤電機(jī)通過皮帶帶動(dòng)右側(cè)載液盤旋轉(zhuǎn)。磁鐵電機(jī)帶動(dòng)具有一定偏心距(e=8 mm)的磁鐵旋轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)中采用兩種拋光方式進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn):自旋轉(zhuǎn)拋光和行星旋轉(zhuǎn)拋光。只有磁鐵電機(jī)旋轉(zhuǎn)的自旋轉(zhuǎn)拋光方式,磁鐵以一定偏心距繞主軸旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),帶動(dòng)拋光液旋轉(zhuǎn);磁鐵電機(jī)和載液盤電機(jī)同時(shí)旋轉(zhuǎn)的行星旋轉(zhuǎn)拋光,拋光液既隨著磁鐵的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng),又隨著載液盤旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

應(yīng)力分布實(shí)驗(yàn)如圖1所示,條形BK7工件(長(zhǎng)55 mm×寬4 mm×厚6 mm)固定在Kistler測(cè)力儀墊板上。工件上表面設(shè)置一塊厚3 mm的PMMA材質(zhì)蓋板,蓋板中間開條型槽(長(zhǎng)55.5 mm×寬4.5 mm)。工件上表面與蓋板表面平齊,工件側(cè)面與蓋板不接觸。移動(dòng)工作臺(tái)使工件中線經(jīng)過MCF拋光頭中心,且工件剛好接觸到MCF拋光頭如圖1(b)所示。拋光應(yīng)力實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖如圖1(c)所示。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)工件進(jìn)給步長(zhǎng)L=2.5 mm,每個(gè)步長(zhǎng)工件面積Ai=t×4=2.5×4=10 mm2。進(jìn)給后拋光頭駐留5 s,Kistler測(cè)力儀記錄工件Y軸向切向力Fτ和Z軸向正應(yīng)力Fn。實(shí)驗(yàn)過程,隨著工件的進(jìn)給,MCF拋光頭施加給工件的力是不斷疊加的,因此每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的正應(yīng)力Pi和剪切應(yīng)力τi為:

圖1 應(yīng)力分布實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of stress distribution experiment

實(shí)測(cè)MCF拋光頭為一個(gè)直徑約D=38 mm的規(guī)則圓形區(qū)域,設(shè)計(jì)n=D/2.5≈15個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力分布實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 自旋轉(zhuǎn)拋光實(shí)驗(yàn)

3.1.1自旋轉(zhuǎn)拋光應(yīng)力

自旋轉(zhuǎn)拋光工件所受正壓力如圖2(a)所示,將工件受力測(cè)試結(jié)果代入式(1)、(2)得到拋光區(qū)域正應(yīng)力分布如圖2(b)。從圖2(a)可以看出,MCF拋光頭對(duì)工件的正壓力隨著MCF拋光頭接觸面積的增加而遞增,最大正應(yīng)力為1 N。工件受到的正應(yīng)力呈W形分布,即拋光區(qū)域中心和外側(cè)的正應(yīng)力較大,其中最大正應(yīng)力出現(xiàn)在中心區(qū)域,約為0.011 N,這是由于主軸帶動(dòng)磁鐵產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在拋光區(qū)域外側(cè)磁場(chǎng)較強(qiáng)和磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)擠壓中間區(qū)域MCF拋光液所致。自旋轉(zhuǎn)拋光正應(yīng)力分布的對(duì)稱中心在25 mm左右,可以看出有效拋光區(qū)域比實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)的直徑略大,直徑約為50 mm。

自旋轉(zhuǎn)拋光工件所受剪切力如圖3(a) 所示,將工件受力測(cè)試結(jié)果代入式(1)、(2)得到拋光區(qū)域剪切應(yīng)力分布如圖3(b)所示。自旋轉(zhuǎn)拋光工件所受剪切力呈先增大,最大值約為0.22 N,后減小的趨勢(shì)。當(dāng)進(jìn)給總長(zhǎng)度不超過MCF拋光頭半徑,工件的剪切力隨著工件的進(jìn)給增加;當(dāng)進(jìn)給總長(zhǎng)度超過MCF拋光頭半徑,以MCF拋光頭中心為分界點(diǎn),工件受到方向相反的剪切力,部分剪切力被抵消,因此剪切力隨著工件的進(jìn)給而減少。從自旋轉(zhuǎn)拋光工件剪切應(yīng)力分布圖可以看到MCF拋光頭邊緣對(duì)工件的剪切力比拋光頭中心要大,最大剪切應(yīng)力約為0.003 N。

圖2 自旋轉(zhuǎn)拋光工件受到的正壓力Fig.2 Positive pressure of workpiece by self-rotating polishing

圖3 自旋轉(zhuǎn)拋光工件受到的剪切力Fig.3 Shearing force of workpiece by self-rotating polishing

3.1.2自旋轉(zhuǎn)拋光材料去除率

自旋轉(zhuǎn)拋光BK7玻璃工件工作50 min。利用Taylor Hobson粗糙度測(cè)量?jī)x檢測(cè)加工完成后拋光痕跡的深度,計(jì)算得到工件的材料去除率如圖4所示。工件表面材料去除率分布曲線呈W型。加工區(qū)域外側(cè)材料去除率較大,最大約為0.011 μm/min,這是由于加工區(qū)域外側(cè)剪切應(yīng)力較大所致。

圖4 自旋轉(zhuǎn)拋光工件材料去除率Fig.4 Material removal rate of workpiece by self-rotating polishing

3.2 行星旋轉(zhuǎn)拋光實(shí)驗(yàn)

3.2.1行星旋轉(zhuǎn)拋光應(yīng)力

行星旋轉(zhuǎn)拋光工件所受正壓力如圖5(a)所示,將工件受力測(cè)試結(jié)果代入式(1)、(2)得到拋光區(qū)域正應(yīng)力分布如圖5(b)。正壓力隨著MF拋光頭作用在工件上的面積的增加而遞增,最大為0.8 N。正應(yīng)力在拋光頭直徑方向上的分布呈‘凹’字形,工件接觸拋光液外側(cè)的區(qū)域收到的正應(yīng)力較大,其中最大正應(yīng)力為0.007 3 N。

圖5 行星拋光的正應(yīng)力Fig.5 Positive stress of workpiece by planet-polishing

行星旋轉(zhuǎn)拋光工件所受剪切力如圖6(a) 所示,將工件受力測(cè)試結(jié)果代入式(1)、(2)得到拋光區(qū)域剪切應(yīng)力分布如圖6(b)。剪切力呈中心對(duì)稱,隨著作用面積的增加先遞增后遞減,其中最大剪切力為0.23 N。行星旋轉(zhuǎn)拋光工件剪切力與行星旋轉(zhuǎn)拋光工件所受正壓力分布相似,都是呈‘凹’字形,外側(cè)最大剪切力為0.004 2 N。

圖6 行星旋轉(zhuǎn)拋光工件受到的剪切力Fig.6 Shearing force of workpiece by planet-polishing

3.2.2行星旋轉(zhuǎn)拋光材料去除率

行星旋轉(zhuǎn)拋光BK7玻璃工件工作50 min,工件的材料去除率如圖7所示。材料去除率分布曲線呈現(xiàn)中間高兩側(cè)低的山丘形狀,除去率從拋光區(qū)域中心到邊緣遞減,最大的材料去除率出現(xiàn)在工件中心區(qū)域附近,約為0.038 μm/min。行星旋轉(zhuǎn)拋光材料去除率明顯大于自旋轉(zhuǎn)拋光材料去除率,這與行星旋轉(zhuǎn)拋光工件受到剪切應(yīng)力大的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。

圖7 行星旋轉(zhuǎn)拋光工件材料去除率Fig.7 Material removal rate of workpiece by planet-polishing

4 結(jié) 論

1) 通過自旋轉(zhuǎn)式和行星旋轉(zhuǎn)式拋光應(yīng)力實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)兩種拋光中正應(yīng)力均明顯大于剪切應(yīng)力,工件外側(cè)剪切應(yīng)力大于中心剪切應(yīng)力。

2) 進(jìn)行拋光加工,檢測(cè)工件表面形貌,結(jié)果表明行星旋轉(zhuǎn)拋光式材料去除率明顯大于自旋轉(zhuǎn)拋光。