微晶玻璃超精密圓孔氣囊拋光技術的研究

王新海，馬 瑾，張永軍

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院智能制造學院，陜西 西安 710300)

微晶玻璃是一種具有超低膨脹系數的結構材料，它是由特定組成的基礎玻璃在一定條件下進行晶化熱處理，形成微晶和玻璃相交織的多相復合材料[1]。隨著科技的進步和社會的發(fā)展，具有良好機械性能和化學穩(wěn)定性的微晶玻璃在光學、機械、微電子、生物醫(yī)學和化工等學科領域發(fā)揮著越來越重要的作用，特別是在光學領域，其良好的熱穩(wěn)定性和可控的微觀結構可滿足不同的使用要求，大型天文望遠鏡和慣性導航儀表激光陀螺中的光學元件多采用微晶玻璃[2-3]。利用磁流變拋光、離子束拋光等先進的特種拋光方法進行局部尺寸精度的修正和亞納米級尺度的材料去除，可以獲得亞納米級的精度和質量要求[4]。白林山等[5]通過往SiO2拋光液中添加EDTA (乙二胺四乙酸)絡合劑、過硫酸銨氧化劑、丙三醇潤滑劑等方式對微晶玻璃進行了化學機械拋光，得到了0.12 nm的納米級光滑表面。李雄[6]通過搭建漿料輔助磨削加工系統(tǒng)，對50 mm×50 mm×10 mm的微晶玻璃方孔開展了磨射流拋光實驗，利用600#金剛石流體磨料進行脆性域去除，利用2000#金剛石和3500#碳化硅流體進行塑形域去除，最后使用2000#金剛石磨料拋光后獲得了0.074 μm的表面粗糙度。目前，利用磁流變拋光技術、化學機械拋光技術和磨射流拋光技術等可加工出超精密的微晶玻璃表面質量，但大多數的先進技術存在設備昂貴等特點，特別是針對內孔、型腔等特殊表面的拋光方式還需進一步改善。

1 圓孔氣囊拋光方式

圓孔拋光是對光學元件內表面的加工，與平面、球面等光學元件相比，其拋光過程的觀察、控制和冷卻等難度比較大。由于受孔的直徑大小限制，拋光速度一般很難提高，從而影響拋光效率和表面加工質量，此外拋光工具的形狀和材料等因素也會影響孔的拋光質量。氣囊拋光技術[7]利用柔性氣囊自動匹配光學元件的被拋光表面形狀，實現表面材料去除，從而得到高質量的拋光表面。相比于傳統(tǒng)拋光技術，氣囊拋光技術具有拋光精度高、成本低和效率高的特點，特別適用于型腔和自由曲面光學元件的拋光[8]。針對微晶玻璃光學元件內孔拋光的特點，結合氣囊拋光技術，本文設計了3種氣囊拋光方式，如圖1所示。

圖1 圓孔氣囊拋光方式示意圖

圖1(a)所示的拋光頭為盤狀氣囊，其周邊與圓孔內壁接觸，拋光頭做旋轉運動并上下往復移動，在拋光液的作用下完成對孔內表面的拋光；圖1(b)所示的拋光頭為圓柱型氣囊，其外表面與圓孔內壁緊密貼合，做旋轉運動的拋光頭帶動夾持在氣囊與孔壁之間的拋光液完成孔內表面拋光；圖1(c)所示的拋光頭為三棱柱型，其外表面的3條棱在氣壓的作用下與孔內壁擠壓接觸，在拋光液的作用下，旋轉的拋光頭完成內表面拋光。由圖1可以看出，3種氣囊拋光方式中圓柱型氣囊拋光頭與孔內壁接觸面積最大，即參與孔內材料去除的面積最大。在旋轉速度不變、拋光時間相同等條件下，圖1(b)的拋光效率最高，圖1(c)的拋光效率次之，圖1(a)的拋光效率最低。光學元件內孔的拋光不僅需要氣囊拋光頭與孔內壁相互擠壓、運動，還需要往兩者之間注入拋光液，圖1(a)、圖1(c)的拋光液注入比圖1(b)容易。在氣囊拋光頭加工過程中，拋光頭必須與工件之間產生相對運動，圖1(a)中的氣囊不僅需要做旋轉運動，還需要做上下往復運動，而圖1(b)和圖1(c)中的氣囊只需要做旋轉運動。3種圓孔氣囊拋光方式的特點見表1，綜合各方面的因素，微晶玻璃圓孔氣囊拋光頭最終選擇三棱柱型氣囊，其具有拋光液加注較容易、接觸面積適中和不需進給運動等優(yōu)點。

表1 3種氣囊拋光方式特點比較

2 氣囊拋光頭結構

三棱柱型氣囊拋光頭是利用貼合在棱柱表面3條棱上的拋光布對光學元件內孔表面進行拋光，其結構形式如圖2所示，圖2(a)為主框架，圖2(b)為覆蓋有拋光布的拋光頭，主要由充氣柱、旋轉軸、上支撐板、下支撐板和拋光布等組成。其中，旋轉主軸上固定有上支撐板和下支撐板，上支撐板內部布置有氣道和氣閥，3個充氣柱為圓筒狀，其表面均勻分布有若干的小圓孔，如圖2(a)所示，并且與上、下支撐板固定在一起，從而形成由旋轉主軸、上支撐板、下支撐板和3個充氣柱組成的主框架；主框架中的上支撐板、下支撐板和3個充氣柱外側都包裹上具有彈性的膠皮，在上、下支撐板之間形成密閉的空間，彈性膠皮的外側面貼合有拋光布，氣體從上支撐板外表面的氣閥充入，接著沿上支撐板內的氣道通入到3個充氣柱內，然后通過充氣柱表面上的小圓孔沖壓使得彈性膠皮向外擴張，隨著氣體的不斷充入，形成一個富有彈性的三棱柱型氣囊拋光頭，如圖2(b)所示。

圖2 三棱柱型氣囊拋光頭結構示意圖

三棱柱型氣囊拋光頭僅繞旋轉軸的中心做旋轉運動，進而帶動拋光布旋轉，再通過充氣閥往拋光頭內充入氣體，并使三棱柱的3個圓弧棱面與工件內孔表面相互擠壓。在進行圓孔工件拋光時，拋光液進入拋光布與圓孔表面間，因工件與拋光布之間存在相對運動，形成剪切力，從而對圓孔內表面的材料進行去除，以此實現圓孔內表面拋光的效果。

3 三棱柱型氣囊的應用

本文利用設計出的三棱柱型氣囊拋光頭進行拋光工藝實驗，用于評價其對光學零件圓孔表面粗糙度的影響，與此同時，工藝實驗也是衡量三棱柱型氣囊拋光應用效果的最佳手段。氣囊拋光過程中，主軸轉速、拋光布與工件的間隙和拋光頭氣壓壓強是影響表面粗糙度的主要工藝因素。經過大量工藝實驗與分析，可知工件表面粗糙度在一定范圍內會隨著主軸轉速的提高而降低，隨著轉速的提高，拋光布表面的拋光液處于飽和狀態(tài)，拋光液流過拋光區(qū)的速度會增大，剪切力隨之增大，材料去除率增大，表面粗糙度呈現不變或增大現象，從而降低了加工質量。拋光頭與工件的間隙也影響著表面粗糙度，隨著間隙的增大，拋光區(qū)的拋光布表面對工件的壓力會減小，導致壓力不足以使拋光液產生足夠的剪切應力，使得工件的表面質量無法到達一個較高的水平；當拋光頭的拋光布表面和工件的間隙太小時，拋光區(qū)的拋光粉就會受到很強的擠壓，從而對表面進行機械磨削，使表面產生劃痕，此外也不利于拋光粉的附著，從而影響拋光質量。在主軸轉速和拋光布與工件的間隙不變時，拋光區(qū)域的拋光頭對工件表面壓力可由充氣量的大小來進行調節(jié)控制，通過控制氣壓的大小能夠實時控制氣囊拋光頭對工件表面的壓力，氣壓大小對表面粗糙度值的影響類似于間隙對表面粗糙度的影響。

綜合考慮主軸轉速、拋光布與工件的間隙和拋光頭氣壓壓強等工藝因素，針對孔徑為16 mm的微晶玻璃工件，選定了合適的工藝參數組合進行了工藝實驗，并利用Taylor Hobson非接觸式輪廓儀檢測零件拋光后的孔內表面粗糙度。圓孔內的初始表面粗糙度值為1.701 3 μm，使用三棱柱型氣囊拋光頭拋光后的孔內表面粗糙度值為0.016 9 μm，如圖3 所示。實驗結果表明，采用三棱柱型氣囊拋光頭可以實現光學零件圓孔表面的材料去除，工件在拋光后得到了一個較高的表面質量。

圖3 表面粗糙度值為0.016 9 μm時內孔表面起伏情況

4 結束語

本文提出的利用三棱柱型氣囊拋光頭對微晶玻璃圓孔進行加工的方法，可以實現微晶玻璃高精度表面質量的要求，為光學零件的內孔高精度拋光提供了新思路，但是由于拋光質量與主軸轉速、拋光布與工件的間隙以及拋光頭氣壓壓強等工藝因素密切相關，今后還需要更多的實驗數據為開展拋光裝置的研究提供實驗依據。