小口徑非球面小球頭接觸式拋光及磁流變拋光組合加工

顏曉強(qiáng)，王晗，張嘉榮，姚洪輝，朱相優(yōu)，鄧建南，卓少木，何景帆

小口徑非球面小球頭接觸式拋光及磁流變拋光組合加工

顏曉強(qiáng)a,b，王晗a,b，張嘉榮a,b，姚洪輝b，朱相優(yōu)a,b，鄧建南a,b，卓少木a,b，何景帆a,b

（廣東工業(yè)大學(xué) a.省部共建精密電子制造技術(shù)與裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 b.廣東省微納加工技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510006）

為了提高非球面光學(xué)模具的表面質(zhì)量和加工效率。分析當(dāng)前非球面超精密拋光方式及其特點(diǎn)，針對(duì)小口徑非球面光學(xué)模具，提出一種小球頭接觸式拋光及磁流變拋光的組合加工方法，對(duì)小球頭進(jìn)行設(shè)計(jì)，并拋光碳化鎢圓片，對(duì)比小球頭接觸式拋光及軸向、徑向、水平方向磁極的永磁體球頭的磁流變拋光的加工性能。分別對(duì)編號(hào)為1#、2#、3#等3個(gè)相同輪廓形狀的碳化鎢非球面模具進(jìn)行單一方式拋光試驗(yàn)和組合加工試驗(yàn)。通過對(duì)小球頭拋光碳化鎢圓片的加工性能進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，接觸式拋光小球頭的去除率為926.5 nm/h，表面粗糙度達(dá)到4.396 1 nm；軸向、徑向、水平方向磁極的永磁體小球頭磁流變拋光的去除率分別為391.7、344.3、353.7 nm/h，表面粗糙度分別為1.425 2、1.877 6、1.887 5 nm。對(duì)采用組合加工方法拋光碳化鎢非球面的有效性進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)發(fā)現(xiàn)，非球面1#在單一接觸式拋光60 min后表面粗糙度從8.786 6 nm降至3.693 2 nm；非球面2#在單一磁流變拋光60 min后表面粗糙度從8.212 1 nm降至1.674 5 nm；非球面3#在組合拋光方法下先進(jìn)行15 min接觸式拋光，再進(jìn)行15 min磁流變拋光，表面粗糙度從8.597 2 nm降至1.269 4 nm，面形精度由175.2 nm提高到138.4 nm。組合加工方法可以彌補(bǔ)單一拋光方法的缺陷，并能有效地提高工件的面形精度。與單一接觸式拋光方法相比，組合加工方法獲得的表面質(zhì)量更好，拋光后表面粗糙度為1.269 4 nm，遠(yuǎn)小于單一接觸式拋光下的3.693 2 nm；與單一磁流變拋光方法相比，組合加工方法更高效，將樣件拋光到同等級(jí)別粗糙度所需時(shí)間從60 min減少至30 min。

小口徑非球面；磁流變拋光；小球頭；組合加工；表面粗糙度；面形精度

隨著光電通信、航空航天、國(guó)防等產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)高精度的小口徑非球面光學(xué)元件的需求日益增長(zhǎng)[1]。目前，玻璃非球面光學(xué)元件的大批量生產(chǎn)方式主要為熱壓成型，這對(duì)模具的加工精度有著極高的要求[2-3]。碳化鎢具有硬度高、耐磨高、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，在模壓成型加工的高溫環(huán)境下性能穩(wěn)定，因此常常被用作玻璃熱壓成型的超精密模具材料。目前，碳化鎢非球面模具加工的主要方法為超精密磨削后再拋光，而針對(duì)小口徑非球面模具超精密拋光的主要方式有射流拋光、離子束拋光、磁流變拋光、黏彈性拋光頭結(jié)合游離磨粒拋光等[4-5]。射流拋光依靠磨粒射流沖擊作用去除材料，非常適用于小口徑深凹非球面的拋光，但拋光去除率不高，去除函數(shù)也不穩(wěn)定[6-8]。離子束拋光不與工件接觸，能夠輕松獲得無損傷的表面，但加工效率極低、加工環(huán)境苛刻[9]。磁流變拋光的加工過程確定可控、加工結(jié)果精確可測(cè)，能夠獲得比傳統(tǒng)機(jī)械加工更好的面形精度和更低的表面粗糙度，拋光后一般不會(huì)出現(xiàn)表面損傷[10-12]。目前，常規(guī)的磁流變拋光采用輪式拋光，難以適應(yīng)微小凹非球面工件的加工，QED公司的Maloney等[13]開發(fā)出10 mm的微小拋光輪，仍無法加工曲率半徑小于7 mm的凹面。當(dāng)采用非輪式的小拋光工具進(jìn)行拋光時(shí)，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)小曲率半徑工件的加工，但是加工效率較低。尹韶輝等[14-15]研制了一種以小型的圓柱形永磁體為拋光頭的斜軸磁流變拋光技術(shù)，在對(duì)口徑為8 mm的凹非球面進(jìn)行拋光后，表面粗糙度降至1 nm，但總拋光時(shí)間長(zhǎng)達(dá)120 min。采用黏彈性拋光頭結(jié)合游離磨粒拋光時(shí)，拋光頭易磨損，需要不斷修整拋光頭的形狀來保證加工精度，嚴(yán)重影響了加工效率[16-17]。受到彈性層結(jié)構(gòu)和材料的限制，拋光頭難以小型化，很難實(shí)現(xiàn)小口徑小曲率半徑工件的加工[18]。

針對(duì)上述問題，文中對(duì)傳統(tǒng)的黏彈性拋光頭結(jié)合游離磨粒拋光方式進(jìn)行改善，并結(jié)合小工具磁流變拋光方式，提出以小球頭為拋光頭的接觸式拋光與磁流變拋光組合的加工方法，彌補(bǔ)了單一加工方式的缺陷，實(shí)現(xiàn)了小口徑非球面高效率、高質(zhì)量的超精密拋光。

1 小球頭接觸式拋光與磁流變拋光組合加工的原理

將2種拋光方式集成在一個(gè)裝置上，先對(duì)工件進(jìn)行接觸式拋光，利用該拋光方式去除率高的特點(diǎn)將磨削產(chǎn)生的加工痕跡和表面缺陷快速去除，并獲得較好的形狀精度和表面粗糙度，然后再于同一工作位置轉(zhuǎn)換為磁流變拋光方式，將工件的表面質(zhì)量和面形精度進(jìn)一步提升，2種加工方式在轉(zhuǎn)換過程中無需進(jìn)行重復(fù)裝夾和對(duì)刀，有效提高了加工效率。

該裝置的基本原理如圖1所示，為直線伺服軸，為擺動(dòng)伺服軸，分別為拋光主軸和工件主軸，工件安裝在位于軸上的三維微調(diào)器上，軸安裝在固定于基座的軸上，微動(dòng)平臺(tái)安裝在軸上，拋光軸夾持住拋光頭，并固定于滑塊上，與之相匹配的導(dǎo)軌固定于微動(dòng)平臺(tái)上，且與軸平行，旋轉(zhuǎn)中心為的連桿一端與滑塊連接，另外一端安裝有配重塊，利用杠桿原理調(diào)節(jié)配重塊相對(duì)于旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的位置，可以很方便地調(diào)節(jié)拋光頭，以對(duì)工件施加壓力。為了避免加工小曲率半徑深凹零件時(shí)拋光桿與工件發(fā)生干涉，拋光軸與軸間的夾角可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，文中的夾角固定為45°。

在加工過程中，需要保證工件受到的壓力為理想的正壓力（拋光頭接觸點(diǎn)的法線方向始終與工件加工點(diǎn)的法線方向一致），還需要保證工件與拋光頭之間具有一個(gè)恒定間隙（在接觸式拋光時(shí)為0）。針對(duì)以上要求，采用螺旋式進(jìn)給方式進(jìn)行加工，如圖2所示，在平面內(nèi)，工件軸的擺動(dòng)中心為，初始加工0位置時(shí)使工件軸線及拋光頭接觸點(diǎn)同時(shí)與軸重合，通過、、三軸聯(lián)動(dòng)，則能實(shí)現(xiàn)對(duì)后續(xù)位置i的加工。

圖1 組合拋光裝置原理

1.1 小球頭接觸式拋光

小球頭接觸式拋光原理如圖3所示，拋光軸的轉(zhuǎn)速為1，工件軸的轉(zhuǎn)速為2，拋光軸與軸的傾角為45°，用聚酯纖維彈性絨布材料的拋光模包裹小球頭，將磨粒鑲嵌于拋光模表面，由拋光模包裹的拋光頭與工件接觸，并對(duì)工件施加壓力，在壓力及拋光模與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)下使材料從工件表面去除。

圖2 加工路徑示意圖

1.2 小球頭磁流變拋光

磁流變拋光方式的基本原理如圖4所示。拋光軸的轉(zhuǎn)速為1，工件軸的轉(zhuǎn)速為2，拋光軸與軸的傾角為45°，工件與拋光頭之間的間隙為，永磁體小球頭在間隙中形成梯度磁場(chǎng)。當(dāng)磁流變液從噴嘴中射出通過該間隙時(shí)，在梯度磁場(chǎng)作用下形成了柔性拋光模，磨粒析出，并鑲嵌于拋光模上，拋光模與工件產(chǎn)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而對(duì)工件表面材料進(jìn)行去除[15]。隨著拋光頭的轉(zhuǎn)動(dòng)，柔性拋光模在進(jìn)入加工間隙時(shí)被擠壓變形，從加工間隙中離開時(shí)又會(huì)重新恢復(fù)，這實(shí)現(xiàn)了磨料的更新自銳，使得加工過程中材料的去除變得更加穩(wěn)定高效。

2 小球頭設(shè)計(jì)及加工性能分析

2.1 接觸式拋光小球頭

在傳統(tǒng)的黏彈性拋光頭結(jié)合游離磨粒拋光過程中，需要耗費(fèi)大量時(shí)間修整拋光頭形狀，以保持加工精度。為了解決該問題，設(shè)計(jì)了如圖5所示的接觸式拋光小球頭，拋光桿由拋光軸夾持，厚度為0.3 mm的聚酯纖維拋光模包裹并固定在球頭上。小球頭采用不銹鋼材料，并進(jìn)行淬火處理，可以根據(jù)加工工件的類型選用合適的球頭直徑，文中采用直徑為2.4 mm的球頭。在拋光過程中，由于包裹著拋光模的小球頭一般不會(huì)受到損傷，因此每次加工完成后只需更換新的拋光模，便可進(jìn)行下一次加工，不用對(duì)拋光頭進(jìn)行修整，極大地提高了加工效率。

采用自行研制的組合拋光裝置（見圖6）的接觸式拋光方式對(duì)直徑25 mm、高度4.5 mm的碳化鎢圓片進(jìn)行試驗(yàn)，以金剛石顆粒為磨粒，在圓片半徑為2～5 mm內(nèi)以進(jìn)給速度2 mm/min來回拋光18 min，具體工藝參數(shù)如表1所示。

采用Contour GT–X3白光干涉儀測(cè)量碳化鎢圓片拋光前后的表面微觀形貌和表面粗糙度，如圖7a所示。拋光前的初始表面存在大量規(guī)則的磨削痕跡，表面粗糙度為9.366 5 nm。拋光后如圖7b所示，規(guī)則痕跡得到了有效去除，但是出現(xiàn)了更細(xì)微的劃痕，表面粗糙度降低到4.396 1 nm。為了計(jì)算平均高度去除率，利用Matlab根據(jù)面形輪廓計(jì)算其去除體積，再根據(jù)式（1）求解。

圖4 小球頭磁流變拋光示意圖

圖5 接觸式拋光小球頭

圖6 組合拋光裝置小球頭接觸式拋光方式

表1 接觸式拋光試驗(yàn)工藝參數(shù)

Tab.1 Contact polishing test process parameters

式中：為拋光時(shí)間，此次試驗(yàn)中為0.3 h；為工件的拋光面積，可由式（2）計(jì)算。

式中：max、min分別為圓片拋光范圍的最大半徑和最小半徑，此次試驗(yàn)中max取5 mm，min取2 mm。

采用UA3P 3D series輪廓測(cè)量?jī)x對(duì)拋光后的圓片進(jìn)行測(cè)量，面型輪廓如圖8所示。在Matlab中計(jì)算得到去除體積，再根據(jù)式（1）—（2）計(jì)算得到平均高度去除率為926.5 nm/h。

2.2 磁流變拋光小球頭

2.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

磁流變拋光小球頭采用永磁體球頭與拋光桿的組合式設(shè)計(jì)，如圖9所示。拋光桿與永磁體球頭使用黏合劑進(jìn)行粘接，永磁體球頭在作為勵(lì)磁裝置的同時(shí)還作為拋光工具，有效減小了拋光頭的尺寸。永磁體球頭的直徑與2.1節(jié)中的接觸式拋光小球頭直徑一致，材料為強(qiáng)磁性的N35釹鐵硼，其磁特性見表2。

2.2.2 永磁體球頭不同磁極方向磁場(chǎng)仿真與分析

球型永磁鐵的磁極分布在一條直徑的兩端，因此可以在永磁體球頭與拋光桿粘接時(shí)使得磁極有不同方向。在–平面中，定義磁極方向與拋光桿軸線一致的方向?yàn)檩S向，與拋光桿軸線垂直的方向?yàn)閺较?，與軸平行的方向?yàn)樗椒较?。上?個(gè)方向磁極形成的磁感線分布如圖10所示。

圖7 碳化鎢圓片表面微觀形貌

圖8 碳化鎢圓片接觸式拋光后表面輪廓

圖9 磁流變拋光小球頭

由圖10可以看出，當(dāng)磁極方向?yàn)檩S向時(shí)，無論拋光頭如何轉(zhuǎn)動(dòng)，永磁體球頭的兩極方向始終不變，因此產(chǎn)生了一個(gè)恒定的磁場(chǎng)；當(dāng)磁極方向?yàn)閺较蚝退椒较驎r(shí)，磁極方向隨著拋光頭的轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生改變，這將導(dǎo)致永磁體球頭產(chǎn)生周期性的動(dòng)態(tài)變化磁場(chǎng)。從拋光過程的穩(wěn)定性考慮，穩(wěn)定的磁場(chǎng)所形成的穩(wěn)定的“磨頭”更有利于實(shí)現(xiàn)去除的穩(wěn)定性，也有利于實(shí)現(xiàn)表面粗糙度的一致性。

表2 N35釹鐵硼材料磁特性

Tab.2 Magnetic Properties of N35 Nd-Fe-B Magnet

為了進(jìn)一步探究磁極方向?qū)Υ艌?chǎng)成型的影響規(guī)律，為后續(xù)拋光試驗(yàn)結(jié)果分析提供一定的理論依據(jù)，采用Multiphysics有限元分析軟件對(duì)上述3個(gè)磁極方向的永磁體球頭進(jìn)行磁感應(yīng)強(qiáng)度分布仿真分析。首先對(duì)空氣域包裹的拋光頭和非球面模具的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，拋光頭與工件之間的間隙為0.1 mm，拋光頭與軸的傾角為45°。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，設(shè)置空氣域網(wǎng)格為中等，拋光頭和非球面模具的網(wǎng)格設(shè)置為極小。由于粘接永磁體的拋光桿為非導(dǎo)磁材料，模具材料又為非磁性的碳化鎢，因此將拋光桿、模具和空氣域的磁導(dǎo)率均設(shè)置為1。將N35釹鐵硼永磁體球頭的磁導(dǎo)率設(shè)置為1.04，剩余磁通密度為1.21 T。網(wǎng)格化后的有限元模型如圖11所示，模擬的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布–方向視圖如圖12所示。

圖10 磁感線分布

圖11 永磁體球頭磁感應(yīng)分布有限元模型

圖12 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布y–z方向視圖

隨著拋光頭的轉(zhuǎn)動(dòng)，不同磁極方向的小球頭在工件表面形成的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布也會(huì)產(chǎn)生變化。軸向磁極在工件表面形成的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖13所示，無論拋光頭怎么轉(zhuǎn)動(dòng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度分布始終不變，并且保持圓形，中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大（0.52 T）。當(dāng)磁極方向分別為徑向和水平方向時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖14—15所示，其變化周期分別為π和2π，1個(gè)周期內(nèi)均值分布的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為0.41 T和0.45 T。

從以上分析中可以得出，軸向磁極的磁感應(yīng)強(qiáng)度不但穩(wěn)定，且形成的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，材料去除率也相對(duì)最大[19]，這將在后續(xù)試驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證。

圖13 軸向磁極磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

圖14 徑向磁極磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

圖15 水平方向磁極磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

2.2.3 永磁體球頭不同磁極方向拋光性能分析

基于上述討論的3種不同磁極方向的拋光頭，采用如圖16所示的組合拋光裝置的磁流變拋光方式對(duì)直徑25 mm、高度4.5 mm的3個(gè)碳化鎢圓片進(jìn)行拋光試驗(yàn)。為了與接觸式小球頭拋光進(jìn)行對(duì)比，采用的磨粒和其他的加工工藝參數(shù)均與表1一致，磁流變拋光過程中具體的試驗(yàn)參數(shù)見表3。

碳化鎢圓片拋光前的表面微觀形貌見圖17a，可見磨削痕跡清晰，表面粗糙度為9.599 3 nm。采用軸向、徑向和水平方向磁極的小球頭拋光后的表面微觀形貌分別如圖17b—d所示，可見磨削痕跡均得到了有效去除，表面粗糙度分別降低至1.425 2、1.877 6、1.887 5 nm。

圖16 組合拋光裝置小球頭磁流變拋光方式

表3 磁流變拋光試驗(yàn)工藝參數(shù)

Tab.3 Magnetorheological polishing test process parameters

圖17 碳化鎢圓片表面微觀形貌

采用UA3P 3D series輪廓檢測(cè)儀測(cè)量工件的表面輪廓，測(cè)量結(jié)果如圖18所示。利用Matlab根據(jù)工件面形輪廓計(jì)算去除體積，再由式（1）—（2）求出相應(yīng)的高度去除率。其中，軸向磁極的高度去除率最大值為391.7 nm/h，徑向磁極的高度去除率最小值為344.3 nm/h，水平磁極的高度去除率（353.7 nm/h）位于二者中間，這與2.2.2節(jié)仿真得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度結(jié)果一致。

圖18 采用3個(gè)磁極方向小球頭拋光碳化鎢圓片18 min后的截面輪廓

在上述磁流變拋光試驗(yàn)中，3個(gè)磁極方向的小球頭均能將工件表面初始的磨削痕跡和表面缺陷去除，并且拋光后的工件表面粗糙度相近。考慮到軸向磁極方向的小球頭擁有最大的去除率，在去除過程中磁場(chǎng)較穩(wěn)定，可見軸向磁極方向?yàn)樾∏蝾^的最佳磁極方向。文中后續(xù)磁流變拋光試驗(yàn)中的永磁體小球頭均采用軸向磁極方向。

用軸向磁極方向的拋光頭對(duì)碳化鎢圓片進(jìn)行定點(diǎn)拋光60 s，拋光頭的速度設(shè)置為180 r/min、拋光間隙為0.1 mm，拋光后的單點(diǎn)去除函數(shù)如圖19a所示。已知磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布便能計(jì)算理論去除函數(shù)[15, 20-22]，以軸向磁極方向在工件表面形成的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布計(jì)算的去除函數(shù)如圖19b所示，實(shí)際的去除函數(shù)與理論的去除函數(shù)分布相似，但是去除面積不一致。這是因?yàn)楫?dāng)拋光頭粘接永磁體球頭時(shí)，實(shí)際磁極方向與理論磁極方向有一定的誤差，這導(dǎo)致實(shí)際的磁感應(yīng)強(qiáng)度不穩(wěn)定，進(jìn)而使得拋光去除過程中的有效面積減小。

圖19 軸向磁極去除函數(shù)

3 非球面模具拋光試驗(yàn)及結(jié)果分析

為了證明組合加工方法的有效性，以金剛石顆粒為磨粒，對(duì)如圖20所示的相同輪廓形狀的3個(gè)碳化鎢非球面模具進(jìn)行拋光試驗(yàn)，非球面在拋光前均進(jìn)行了超精密磨削，編號(hào)分別為1#、2#、3#。

圖20 碳化鎢非球面模具

非球面模具的加工口徑為11.2 mm，面型由式（3）確定。

式中：為基圓半徑；為非球面系數(shù)；為非球面高次偏離系數(shù)。

非球面的具體形狀如圖21所示，中心為“凹部分”，兩邊為“凸部分”，整體呈“M”形。使用組合拋光裝置對(duì)非球面1#進(jìn)行了接觸式拋光，對(duì)非球面2#進(jìn)行了磁流變拋光，對(duì)非球面3#則采用接觸式拋光與磁流變拋光組合加工方式。在拋光過程中，采用Contour GT–X3白光干涉儀觀察工件表面的微觀形貌，并測(cè)量其表面粗糙度。采用UA3P 3D series輪廓測(cè)量?jī)x對(duì)非球面進(jìn)行面形精度檢測(cè)，并對(duì)表面粗糙度進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，其結(jié)果與白光干涉儀測(cè)量的值一致，最終以白光干涉儀測(cè)量的表面粗糙度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖21 碳化鎢非球面模具表面形狀

3.1 小球頭接觸式拋光

對(duì)1#試樣采用表1的工藝參數(shù)進(jìn)行了60 min的接觸式拋光，拋光時(shí)間對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律如圖22所示，拋光前后的工件表面微觀形貌和面形精度如圖23—24所示。

由圖22可以看出，1#非球面在0～15 min內(nèi)表面粗糙度下降得非常明顯，但是在15 min后表面粗糙度基本不變，拋光60 min后表面粗糙度從8.786 6 nm降至3.693 2 nm。從圖23a中可以看出，工件在拋光前存在大量的由規(guī)則磨削痕跡和加工缺陷所引起的凹坑和凸起，凸起的尖端部位受到拋光頭的壓力最大，也最容易被去除，因此在加工初期這些凸起基本被去除，表面粗糙度急劇下降。由于該拋光方式的去除率較大，在拋光15 min內(nèi)工件凸起的尖峰被磨平后，還對(duì)該工件的表面進(jìn)行了整體去除，所以在拋光15 min后工件的表面粗糙度變化甚微，趨于飽和。該加工方式的拋光頭對(duì)磨粒的把持力較大，從圖23b中可以看出，隨著加工的進(jìn)行，在去除磨削的痕跡后，工件表面慢慢地引入磨粒刮擦的痕跡，這是導(dǎo)致表面粗糙度無法再持續(xù)下降的原因。從圖24中可見，非球面的面形精度由拋光前的303.1 nm降至149.5 nm，這說明接觸式拋光能夠改善非球面的面形精度。

3.2 小球頭磁流變拋光

對(duì)2#非球面采用表3的工藝參數(shù)進(jìn)行了60 min的磁流變拋光，拋光時(shí)間對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律如圖25所示，拋光前后的表面微觀形貌和面形精度如圖26、27所示。

從圖25可見，在60 min的拋光過程中，表面粗糙度一直在下降。這是因?yàn)榇帕髯儝伖獾娜コ时冉佑|式拋光的低，需要花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間將加工表面殘留的磨削痕跡去除。從圖26可見，磨削階段產(chǎn)生的加工痕跡和表面缺陷被去除，加工后的表面基本無損傷，表面粗糙度從8.212 1 nm降至1.674 5 nm。從圖27可見，非球面的面形精度從193.0 nm降至105.4 nm。這是由于磁流變拋光的去除率較低，對(duì)凸起部位的去除效果更大[23]，拋光過程中很難使面形誤差增大，在一定時(shí)間內(nèi)還能改善面形精度。

圖22 拋光時(shí)間對(duì)表面粗糙度的影響

圖23 1#非球面拋光前后的表面微觀形貌

圖24 1#非球面拋光前后的面形精度

3.3 接觸式拋光及磁流變拋光組合加工

對(duì)3#非球面首先采用與3.1節(jié)相同的工藝參數(shù)進(jìn)行15 min的接觸式拋光，然后再采用與3.2節(jié)相同的工藝參數(shù)進(jìn)行15 min的磁流變拋光，非球面在接觸式拋光完成后無需再進(jìn)行裝夾和對(duì)刀，只需更換拋光頭便可進(jìn)行后續(xù)磁流變拋光。在加工過程中，工件的表面粗糙度隨時(shí)間的變化情況如圖28所示，拋光前后的表面微觀形貌和面形精度如圖29—30所示。

圖25 拋光時(shí)間對(duì)表面粗糙度的影響

圖26 2#非球面拋光前后的表面微觀形貌

圖27 2#非球面拋光前后的面形精度

圖28 拋光時(shí)間對(duì)表面粗糙度的影響

從圖28可見，非球面在30 min的組合加工過程中，經(jīng)過15 min的接觸式拋光后能夠快速將表面粗糙度降低，再通過15 min的磁流變拋光后能夠進(jìn)一步提升工件的表面質(zhì)量，最終表面粗糙度達(dá)到1.269 4 nm。從圖29可見，組合加工不僅去除了磨削留下的規(guī)則痕跡和加工缺陷，而且未帶入新的加工痕跡，這表明接觸式拋光后產(chǎn)生的磨粒刮擦痕跡在磁流變拋光階段被去除，這便是接觸式拋光后的非球面再進(jìn)行磁流變拋光還能繼續(xù)提升表面質(zhì)量的原因。從圖30可以看出，非球面的面形精度從拋光前的175.2 nm提高至138.4 nm，這表明組合加工方法對(duì)工件的面形精度同樣有明顯的改善作用。

圖29 3#非球面拋光前后的表面微觀形貌

圖30 3#非球面拋光前后的面形精度

分析以上結(jié)果可以得出，組合加工方法在獲得與單一磁流變拋光相同表面質(zhì)量的同時(shí)提高了拋光效率；與單一接觸式拋光對(duì)比，組合加工后非球面模具的表面粗糙度為1.269 4 nm，遠(yuǎn)小于單一接觸式拋光后的表面粗糙度（3.693 2 nm）；與單一磁流變拋光相比，組合加工方法將拋光時(shí)間從60 min縮短至30 min。

4 結(jié)論

針對(duì)小口徑非球面光學(xué)模具拋光提出了一種使用小球頭作為拋光工具的接觸式拋光與磁流變拋光的組合加工方法，通過小口徑非球面模具的單一方式拋光試驗(yàn)和組合拋光試驗(yàn)對(duì)該加工方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，得到如下結(jié)論。

1）在小球頭磁流變拋光方法下，軸向磁極方向的小球頭具有最大的去除率，且拋光后工件的表面粗糙度最低。

2）在組合加工方法中，工件無需二次裝夾，提高了加工效率。

3）接觸式拋光方法能夠快速獲得較好的加工表面，但是會(huì)產(chǎn)生新的加工痕跡；磁流變拋光方法能夠獲得極佳的表面質(zhì)量，但是需要更多的加工時(shí)間；組合加工方法充分結(jié)合了2種拋光方式的優(yōu)點(diǎn)，不但能夠消除接觸式拋光所產(chǎn)生的加工痕跡，使表面粗糙度降至1.269 4 nm，遠(yuǎn)小于單一接觸式拋光下工件的表面粗糙度（3.693 2 nm），而且還提高了加工效率，使拋光時(shí)間從磁流變拋光下的60 min縮短至30 min。

4）采用組合加工方法可以明顯改善工件的面形精度，碳化鎢非球面模具的面形精度從175.2 nm提高至138.4 nm。

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Combined Process of Small Ball-end Contact Polishing and Magnetorheological Polishing for Small Aperture Aspheric surface

a,b,a,b,a,b,b,a,b,a,b,a,b,a,b

(a. State Key Laboratory of Precision Electronic Manufacturing Technology and Equipment Jointly Established by the Ministry and the Province b. Key Laboratory of Micro-Nano Manufacturing Technology and Equipment of Guangdong Province, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

The work aims to improve the surface quality and processing efficiency of aspheric optical molds. The current ultra-precision polishing methods and characteristics of aspheric surfaces are analyzed, proposed a combined process of small ball-end contact polishing and magnetorheological polishing for small aperture aspheric surface optical molds. The small ball is designed, and the tungsten carbide disc is polished.Compare the ball-end contact polishing and the above three kinds of different direction of the magnetic pole of permanent magnet ball-end of magnetorheological polishing processing performance. Three tungsten carbide aspheric molds with the same surface shape numbered 1#, 2#, and 3#were subjected to a single method polishing test and a combined processing test. The results of these tests are as follows: When analyzing the processing performance of the small ball-end polished tungsten carbide wafer, the removal rate of the contact polishing small ball-end is 926.5 nm/h, and the surface roughness() reaches 4.396 1 nm, the removal rates of magnetorheological polishing of permanent magnet small-end with axial, radial and horizontal magnetic poles are 391.7 nm/h, 344.3 nm/h, and 353.7 nm/h, and the surface roughness is 1.425 2 nm, 1.877 6 nm, and 1.887 5 nm. When verifying the effectiveness of the combined processing method of the polished aspheric surface, the surface roughness of aspherical surface 1#is decreased from8.786 6 nm to3.693 2 nm after single contact polishing for 60 min; the surface roughness of aspherical surface 2#is decreased from8.212 1 nm to1.674 5 nm after single magnetorheological polishing for 60 min; under the combined process, aspherical surface 3#was subjected to 15 min contact polishing and then 15 min magnetorheological polishing, the surface roughness was decreased from8.597 2 nm to1.269 4 nm, and the form accuracy was improved from PV 175.2 nm to PV 138.4 nm.The results show that the combined process can compensate for the defects of the single polishing method and effectively improve the form accuracy of the workpiece. Compared with the single contact polishing method, the surface quality obtained by the combined process is better, and the Ra after polishing is 1.269 4 nm, which is much smaller than the 3.693 2 nm under single contact polishing; Compared with the magnetorheological polishing method, the combined process is more highly efficient, it can reduce the time required to polish the sample to the same level of roughness from 60 min to 30 min.

small aperture aspheric surface; magnetorheological polishing; small ball-end; combined processing; surface roughness; form accuracy

TG706；TG580

A

1001-3660(2022)07-0274-14

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.07.027

2021–08–10；

2021–11–19

2021-08-10；

2021-11-19

廣東省季華實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（X190071UZ190）；廣東省自然科學(xué)基金（2021A1515011817，2021A1515011908）

Jihua Laboratory Foundation of Guangdong Province Laboratory of China (X190071UZ190); Natural Science Foundation of Guangdong Province (2021A1515011817, 2021A1515011908)

顏曉強(qiáng)（1997—），男，碩士，主要研究方向?yàn)槌軖伖馀c檢測(cè)技術(shù)。

YAN Xiao-qiang (1997-), Male, Master, Research focus: ultra-precision polishing and testing technology.

王晗（1980—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)楣鈱W(xué)精密測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)和微電子加工制造裝備。

WANG Han (1980-), Male, Ph. D., Professor, Research focus: optical precision measuring instrument design and microe-lec-tronics manufacturing equipment.

顏曉強(qiáng), 王晗, 張嘉榮, 等.小口徑非球面小球頭接觸式拋光及磁流變拋光組合加工[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(7): 274-287.

YAN Xiao-qiang, WANG Han, ZHANG Jia-rong, et al. Combined Process of Small Ball-end Contact Polishing and Magnetorheological Polishing for Small Aperture Aspheric surface[J]. Surface Technology, 2022, 51(7): 274-287.

責(zé)任編輯：彭颋