小口徑非球面碳化鎢模具的磁場(chǎng)輔助拋光工藝

申冰怡，王振忠

(廈門(mén)大學(xué)航空航天學(xué)院，福建 廈門(mén) 361102)

近年來(lái)在CCD攝像鏡頭、智能手機(jī)、顯微鏡、醫(yī)療器械等領(lǐng)域，小口徑非球面光學(xué)透鏡有著廣闊的應(yīng)用范圍和巨大的市場(chǎng)潛力.非球面透鏡的光學(xué)折射效果優(yōu)良，能夠有效矯正影像畸變和消除彗星像差，提高成像質(zhì)量和系統(tǒng)分辨率，還可以簡(jiǎn)化儀器結(jié)構(gòu)，減輕儀器重量，降低生產(chǎn)成本[1].模壓成形技術(shù)是常見(jiàn)的小口徑非球面光學(xué)透鏡制造技術(shù)之一，一般模具要有較高的表面精度，在高溫條件下依舊可以保持高硬度、高強(qiáng)度、高穩(wěn)定性和高耐氧化性的特性[2].光學(xué)模壓模具的基材主要使用碳化鎢(WC)、碳化硅(SiC)與氮化硅(Si3N4)等非金屬材料以及鍍以合金膜層的金屬陶瓷，屬于硬脆性材料，加工難度較大[3].實(shí)際生產(chǎn)中，先使用超精密磨削或車(chē)削將基材加工成復(fù)雜的非球面工件[4]，材料表面易發(fā)生塑性形變和脆性斷裂[5].為提高非球面工件的表面質(zhì)量，還需進(jìn)一步采用柔性的方式拋光工件.

目前，針對(duì)非球面的拋光技術(shù)主要有計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成型、離子束、磨料水射流、磁流變、氣囊拋光和復(fù)合拋光方式等.使用計(jì)算機(jī)控制小磨盤(pán)拋光常用于大口徑非球面鏡，葉楓菲等[6]采用直徑為15 mm的磨盤(pán)拋光K9平面鏡，實(shí)際加工與仿真的面形誤差在17%以內(nèi).離子束拋光的去除函數(shù)穩(wěn)定性高且沒(méi)有邊緣效應(yīng)，唐瓦等[7]使用離子束拋光直徑為1 450 mm的離軸非球面，表面粗糙度在30 h的加工后由50.192 nm下降到8.785 nm，拋光效果理想，但離子束設(shè)備使用成本較高.磨料水射流拋光適合于各種復(fù)雜曲面但加工效率低，Wang等[8]研制了一種新型的多射流拋光工藝，在極大提高拋光效率的同時(shí)達(dá)到了與傳統(tǒng)射流相同的拋光效果，使用五射流工具拋光BK7玻璃可以獲得9.831 nm的表面粗糙度.磁流變拋光能夠有效消除亞表面損傷，尹韶輝等[9]提出了一種針對(duì)小口徑非球面的斜軸磁流變拋光技術(shù)，可以使直徑6 mm的單晶硅非球面表面粗糙度由10.3 nm降至3.2 nm.氣囊拋光為一種柔性接觸加工技術(shù)，適合于大中型復(fù)雜曲面的拋光，王云飛等[10 ]對(duì)直徑為30 mm的BK7軸對(duì)稱非球面鏡加工后獲得了3.239 μm的PV(peak to valley,面形精度指標(biāo)之一)值.考慮到精度、成本和效率，這些技術(shù)較少用于小口徑非球面模具的批量生產(chǎn).國(guó)內(nèi)在小口徑非球面模具的拋光上仍依賴手工拋光，對(duì)操作工人的技術(shù)水平要求高，加工質(zhì)量不穩(wěn)定且耗時(shí)耗力.本文利用磁場(chǎng)的輔助作用，探究了一種針對(duì)小口徑非球面碳化鎢模具的便捷有效的拋光方式，以期獲得高面形精度、低表面粗糙度、高加工效率和低成本.

1 試驗(yàn)原理

本文采用直徑為18 mm、深度約0.5 mm的非球凹面回轉(zhuǎn)對(duì)稱的碳化鎢模具進(jìn)行試驗(yàn)，模具實(shí)體如圖1(a)所示.磁場(chǎng)輔助拋光的原理是利用外加磁場(chǎng)中磁性拋光液凝聚成的鏈狀結(jié)構(gòu)與工件表面接觸，在磁場(chǎng)作用力和較小的壓力作用下，通過(guò)相對(duì)運(yùn)動(dòng)去除工件表面的多余材料，從而實(shí)現(xiàn)修形和拋光，拋光示意圖如圖1(b)所示.該原理與傳統(tǒng)光學(xué)機(jī)械研拋類似，符合Preston假設(shè).該假設(shè)將宏觀上的研拋材料去除速率描述成如下的線性方程：

(1)

式中：K是比例常數(shù)，也是Preston系數(shù)，在拋光狀態(tài)中，由速度和壓力以外的其他環(huán)境因素決定；v是表面某點(diǎn)處的瞬時(shí)研拋相對(duì)速度；p是表面某點(diǎn)處的研拋壓力，z是拋光區(qū)域的材料去除量，t是拋光時(shí)間.

圖1 非球面碳化鎢模具(a)和磁場(chǎng)輔助拋光示意圖(b)Fig.1 Aspheric tungsten carbide mould (a) and diagram of magnetic field assisted polishing (b)

2 試驗(yàn)材料及裝置

試驗(yàn)所用到的釹鐵硼圓柱永磁體直徑為8 mm，厚度為10 mm，牌號(hào)為N35.磁性拋光液在磁流變拋光液的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，由磁性顆粒、拋光顆粒、α-纖維素以及磁流變基液這4種成分按一定比例配置而成[11].磁性顆粒選用平均粒徑為3～5 μm的羰基鐵粉，拋光顆粒選擇了多種規(guī)格的金剛石微粉.配置后的拋光液如圖2所示.

本研究使用的試驗(yàn)裝置為自主研制的四軸數(shù)控(computer numerical control,CNC)拋光機(jī)床，如圖3所示.裝有磁鐵的工具頭附著有磁性拋光液，通過(guò)刀柄和筒夾安裝在機(jī)床上，可以實(shí)現(xiàn)主軸的旋轉(zhuǎn)以及X、Y、Z軸的進(jìn)給移動(dòng).

圖2 常態(tài)(a)和磁場(chǎng)(b)下的拋光液形態(tài)Fig.2 Morphologies of polishing fluid under normal (a) and magnetic field (b) conditions

圖3 四軸CNC機(jī)床Fig.3 Four-axis CNC machine tool

3 拋光試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 金剛石微粉粒度對(duì)拋光效果的影響

不同粒度的金剛石微粉對(duì)材料去除效率和工件拋光后所能達(dá)到的表面粗糙度影響很大，較大粒度的金剛石微粉難以獲得預(yù)期的表面粗糙度，因而本研究選擇了1 500，3 000，8 000，15 000和80 000目的金剛石微粉，粒度分別為7.0，3.5，1.0，0.4和0.2 μm.拋光液配比按羰基鐵粉61.7%、金剛石微粉7.0%、α-纖維素3.3%、磁流變基液28.0%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行配制.加工參數(shù)選擇轉(zhuǎn)速600 r/min、加工間隙1 mm、拋光時(shí)間30 min、工具大小12 mm.考慮到碳化鎢模具成本高，選擇金剛石砂輪磨削后的碳化鎢板(尺寸50 mm×50 mm×3 mm)作為定點(diǎn)拋光試驗(yàn)對(duì)象.試驗(yàn)前，使用輪廓儀(Form Talysurf PGI 1240)檢測(cè)碳化鎢板的面形PV值、表面波紋度指標(biāo)Wv(最大輪廓谷深)、表面粗糙度指標(biāo)Ra(輪廓算術(shù)平均偏差)，并使用超景深顯微鏡(基恩士VHX-5000)對(duì)表面樣貌進(jìn)行拍照記錄.然后進(jìn)行定點(diǎn)拋光試驗(yàn)，每組試驗(yàn)拋光30 min，每15 min 更換一次拋光液.試驗(yàn)完成后，再使用以上檢測(cè)方法測(cè)量碳化鎢板表面狀況，將測(cè)試結(jié)果與拋光前的表面形貌參數(shù)對(duì)比，如表1所示.圖4為1 500 目金剛石微粉拋光前后表面樣貌的對(duì)比圖，圖5為顯微鏡3D拼接的表面樣貌輪廓對(duì)比圖.

表1 不同金剛石微粉粒度的拋光結(jié)果Tab.1 Polishing results of different sizes of diamond powder particle

圖4 1 500目金剛石微粉拋光前(a)后(b)表面樣貌的對(duì)比Fig.4 Comparison of the surface appearance before (a) and after (b) 1 500 mesh diamond powder polishing

圖5 拋光前(a)后(b)3D拼接的表面樣貌輪廓的對(duì)比圖Fig.5 Contrast drawing of the surface profile spliced in 3D before (a) and after (b) polishing

由表1中的數(shù)據(jù)可知，1 500目的金剛石微粉拋光效率最高，在30 min內(nèi)去除的工件材料最多，粗糙度和波紋度的變化量也最大.對(duì)于其他規(guī)格的金剛石微粉，隨著目數(shù)的上升，微粉粒度減小，相同拋光時(shí)間內(nèi)，PV、Ra和Wv的變化量不斷減少，且在納米量級(jí)，說(shuō)明去除效率隨著目數(shù)的增大逐漸降低，且30 min加工時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的材料去除厚度在納米量級(jí).圖4中給出了500倍顯微鏡下，1 500目金剛石微粉拋光前后工件的表面樣貌，可以看到殘余刀紋明顯變淺；而從圖5中可以看出，碳化鎢板表面高度差距由3.5 μm縮小到2.5 μm，這說(shuō)明工件面形精度在微米量級(jí)，30 min內(nèi)材料去除厚度在亞微米量級(jí)的1 500目金剛石微粉更適合.因此選擇1 500目的金剛石微粉進(jìn)行后續(xù)的試驗(yàn).

3.2 拋光液成分配比對(duì)拋光效果的影響

拋光液的成分配比影響其流變性、穩(wěn)定性和黏度，最終影響拋光效果，因此成分配比是制備拋光液中極其重要的一環(huán).本試驗(yàn)將對(duì)拋光液的6種成分配比進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，配比方案如表2所示.

試驗(yàn)使用1 500目的金剛石微粉，各成分通過(guò)精密天平稱量.依舊選用3.1節(jié)的工藝參數(shù)對(duì)碳化鎢板進(jìn)行定點(diǎn)拋光試驗(yàn).試驗(yàn)前后的工件面形PV值、Ra和Wv的變化量如表2所示.

可以看出，其他條件不變時(shí)，隨著金剛石微粉含量增加、羰基鐵粉含量減少(M1～M4)，面形PV的變化量即材料的去除量先增大后減小.金剛石微粉是實(shí)現(xiàn)材料去除的關(guān)鍵物質(zhì)，增加金剛石微粉會(huì)增強(qiáng)拋光體的去除能力.但羰基鐵粉含量過(guò)低時(shí)，永磁體對(duì)整個(gè)拋光液的吸引力減小，不利于拋光體狀態(tài)的保持，容易脫落且拋光壓力也會(huì)變小.由Preston方程可知，拋光壓力減小會(huì)導(dǎo)致材料去除量減少.另外，由于金剛石微粉的密度比羰基鐵粉小得多，增加的金剛石微粉的體積比減少相同質(zhì)量的羰基鐵粉體積大，在相同質(zhì)量基液的情況下，金剛石微粉含量高的拋光液更黏稠，更容易粘在碳化鎢板表面，影響拋光效果.對(duì)比M2、M5、M6，可以發(fā)現(xiàn)，其他條件不變時(shí)，隨著α-纖維素含量的增加和羰基鐵粉含量的減少，材料去除量也是先增大后減小.雖然α-纖維素能夠避免磁性顆粒在拋光液中聚合和沉降，可以增強(qiáng)拋光體的耐用性，但過(guò)多的α-纖維素降低了羰基鐵粉的含量，其密度遠(yuǎn)小于羰基鐵粉，同樣不利于拋光效果的穩(wěn)定，導(dǎo)致材料去除量減少.

表2 不同拋光液成分配比下的測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test results of polishing fluid with different composition ratio

粗糙度和波紋度變化量的變化趨勢(shì)與面形PV變化量的相同.當(dāng)使用M3配方時(shí)，PV變化量達(dá)到最大值，即材料去除量達(dá)到最大值.使用M2配方時(shí)，粗糙度和波紋度的變化量達(dá)到最大值.

3.3 磁場(chǎng)輔助拋光工藝參數(shù)的正交試驗(yàn)

與其他拋光技術(shù)類似，磁場(chǎng)輔助拋光的效果也會(huì)受到各種工藝參數(shù)的影響.實(shí)驗(yàn)前，首先對(duì)碳化鎢模具(下文的工件均是指碳化鎢模具)的初始輪廓進(jìn)行測(cè)量，獲得如圖6(a)所示的輪廓曲線.然后使用輪廓儀自帶的非球面分析軟件獲得工件實(shí)測(cè)參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)非球面的面形誤差值，如圖6(b) 所示，其中輪廓誤差的最大值為3.578 7 μm.標(biāo)準(zhǔn)非球面參數(shù)詳見(jiàn)表3.分別在距離回轉(zhuǎn)中心3，6和9 mm 處取一點(diǎn)測(cè)量粗糙度用于估計(jì)工件表面總體的粗糙度情況，3處的Ra分別為10.3，13.4和19.8 nm，通過(guò)比較可以看出，越靠近回轉(zhuǎn)中心，工件表面粗糙度越小，總體在10～20 nm之間.使用基恩士顯微鏡對(duì)工件表面樣貌進(jìn)行檢測(cè)，圖7(a)是200倍鏡下模具整體的樣貌，模具表面環(huán)形刀紋明顯，有少許劃傷痕跡.圖7(b)是500倍鏡放大的表面刀紋，刀紋規(guī)則.由此可見(jiàn)，非球面碳化鎢模具表面精度已經(jīng)較高，與標(biāo)準(zhǔn)非球面的誤差也很小，實(shí)際需要去除的表面材料很少，但是表面粗糙度和波紋度都需較大改善，考慮到加工效率，所以選擇M2的配方(金剛石微粉7.0%、羰基鐵粉61.7%、磁流變基液28.0%、α-纖維素3.3%)作為拋光非球面碳化鎢模具的最佳配方.

影響磁場(chǎng)輔助拋光方式的工藝參數(shù)主要有工具大小(直徑)、加工間隙、拋光時(shí)間和主軸轉(zhuǎn)速，為考察其對(duì)材料去除量和粗糙度的影響，每個(gè)因素選取3個(gè)水平，不考慮因素間的相互作用，按照表4進(jìn)行正交試驗(yàn).

圖6 碳化鎢模具的初始輪廓(a)和實(shí)測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)的面形誤差曲線(b)Fig.6 Initial outline (a) and measured and standard surface error curve (b) of the tungsten carbide mould

表3 碳化鎢模具的標(biāo)準(zhǔn)非球面參數(shù)

圖7 200倍鏡下模具的整體樣貌(a)和500倍鏡 放大的表面刀紋(b)Fig.7 The overall appearance of the mould under 200× lens (a) and surface tool marks magnified by 500× lens (b)

拋光體成分配比采用M2配方，根據(jù)工件實(shí)測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)的誤差特點(diǎn)確立拋光路徑：每組試驗(yàn)的前半部分時(shí)間以回轉(zhuǎn)對(duì)稱中心為固定點(diǎn)進(jìn)行定點(diǎn)拋光，后半部分時(shí)間圍繞回轉(zhuǎn)對(duì)稱中心以1 mm為半徑移動(dòng)一個(gè)環(huán)形軌跡，中間更換一次拋光液.正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、試驗(yàn)結(jié)果及初步分析如表5所示.

表4 各因素及水平表Tab.4 Factors and levels

表5 L9(34)正交試驗(yàn)表及試驗(yàn)結(jié)果分析Tab.5 Analysis of L9(34) orthogonal table and experimental results

由表5可知，影響磁場(chǎng)輔助拋光材料去除量的工藝參數(shù)從主到次的順序?yàn)椋篋(主軸轉(zhuǎn)速)>B(加工間隙)>C(拋光時(shí)間)>A(工具大小)，本實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)方案為A1B2C3D3.

從表5可知，主軸轉(zhuǎn)速越大，材料去除量越大，這是由于當(dāng)壓力不變時(shí)，材料的去除效果與相對(duì)速度成正比.同理，當(dāng)相對(duì)速度不變時(shí)，材料的去除效果與壓力也是成正比的.加工間隙與壓力成反比，加工間隙越大，工件受到的壓力越小，材料的去除量就會(huì)減少.但是加工間隙過(guò)小會(huì)使柔性鏈狀結(jié)構(gòu)被擠壓甚至擠出工具端面，無(wú)法跟隨工具轉(zhuǎn)動(dòng)正常加工.因此加工間隙為1.5 mm時(shí)，材料去除效果較好.

拋光時(shí)間的增加必然會(huì)導(dǎo)致材料去除量的增加，但長(zhǎng)時(shí)間拋光中仍然只更換一次拋光液，單次使用拋光液的時(shí)間增長(zhǎng)，基液的揮發(fā)使拋光液變粘稠，容易粘在工件表面，永磁體的吸引力不足以帶動(dòng)拋光體完全按照主軸轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)加工，相對(duì)速度會(huì)下降，去除效率就會(huì)降低.因此，雖然在45 min時(shí)材料去除量最大，但與拋光30 min相比，其增幅減少.

工具大小會(huì)影響加工面積區(qū)域，直徑越大的工具上的最大線速度也會(huì)越大，更有利于材料的去除.在其他參數(shù)不變的情況下，工具直徑與所能達(dá)到的最大線速度成正比，故而與面形PV變化量也成正比.

使用最優(yōu)方案拋光，工件輪廓與標(biāo)準(zhǔn)非球面方程的誤差值明顯縮小，由3.578 7 μm減小到2.186 5 μm，拋光后的面形誤差曲線如圖8所示，其中長(zhǎng)度內(nèi)輪廓峰頂線和輪廓谷底線之間的距離為2.186 5 μm，Ra為0.554 9 μm.表面粗糙度也有很大改善，3處檢測(cè)點(diǎn)的Ra由10.3，13.4和19.8 nm分別降至3.2，6.1和17.4 nm，距離回轉(zhuǎn)中心越近，改善越明顯，這不僅與3個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的原始粗糙度和面形精度有關(guān)，還與加工路徑有關(guān).按照加工路徑，回轉(zhuǎn)對(duì)稱中心附近區(qū)域的拋光駐留時(shí)間比外圍部分更長(zhǎng).在拋光前后，使用500倍顯微鏡對(duì)同一區(qū)域的表面樣貌進(jìn)行觀察，從圖9中可以看出刀紋痕跡明顯變淺甚至消失.

圖8 拋光后的實(shí)測(cè)輪廓與標(biāo)準(zhǔn)面形間的誤差Fig.8 Error between the measured profile after polishing and the standard surface

圖9 拋光前(a)后(b)的表面樣貌對(duì)比圖Fig.9 Comparation of the surface appearance before (a) and after (b) polishing

4 結(jié) 論

本研究采用1 500目的金剛石微粉配制拋光液，并篩選出穩(wěn)定性好、能夠有效去除材料的拋光液成分配比為金剛石微粉7.0%、羰基鐵粉61.7%、磁流變基液28.0%、α-纖維素3.3%；利用正交試驗(yàn)獲取了磁場(chǎng)輔助拋光的工藝參數(shù)的優(yōu)方案為主軸轉(zhuǎn)速750 r/min，加工間隙1.5 mm，拋光時(shí)間45 min，拋光工具直徑16 mm，使用以上工藝參數(shù)可以獲得的最低表面粗糙度為3.2 nm；并分析了不同工藝參數(shù)對(duì)拋光效果的影響規(guī)律，為采用磁場(chǎng)輔助拋光加工其他工件提供了一定的參考意義.

在實(shí)際拋光過(guò)程中，黏度較高的拋光液容易粘在工件表面，影響拋光效果.下一步研究可以將配比試驗(yàn)的梯度細(xì)化，選出更好的成分配比，或嘗試其他材料.此外，可以根據(jù)拋光路徑做駐留加工時(shí)間的仿真.計(jì)算拋光體在工件表面各處的加工時(shí)間有利于優(yōu)化拋光路徑，針對(duì)性地去除表面材料，提高拋光效率.