光学元件精密加工中的磁流变抛光技术工艺参数

光学元件精密加工中的磁流变抛光技术工艺参数

第2 5卷第 9期2 0 1 3年 9月

强激光与粒子束HI GH POW ER LASER AND PARTI CLE BEAM S

Vo 1 . 2 5,No . 9Se p ., 2 0 1 3

文章编号： 1 0 0 1— 4 3 2 2 ( 2 0 1 3 ) 0 9— 2 2 8 1 - 0 6

光学元件精密加工中的磁流变抛光技术工艺参数秦北志 , 杨李茗 ,朱日宏， 侯晶， 袁志刚 ,郑楠 , 唐才学( 1 .成都精密光学工程研究中心，成都 6 1 0 0 4 1; 2 .南京理工大学电子工程与光电信息技术学院，南京 2 1 0 0 9 4 )

摘

要：为了充分掌握磁流变抛光中磁场强度、浸入深度、抛光轮转速、磁流变液水分含量等工艺参数对

抛光结果的影响规律，以期提高元件的面形精度和表面的质量，在研究了磁流变抛光材料的去除数学模型的基础上，结合实验室的 P KC 1 0 0 - P 1型抛光设备，对上述的关键工艺参数分别进行了研究，设置了一系列的实验参数，进行了详细的实验探索，分析了单因素条件下材料的去除量以及元件表面质量同关键工艺参数的内在联

系，得出了相应影响关系曲线。从关系曲线表明：工艺参数对抛光斑的去除效率以及被加工元件表面质量存在着明显的影响规律，掌握这些影响关系就能用于分析和优化磁流变加工的结果，为高精度光学表面的加工提供

可靠的保障，同时实验的结果也很好地验证了磁流变抛光材料去除理论的正确性。关键词：精密加工；磁流变抛光；去除函数；磁流变液； P r e s t o n方程中图分类号： TH1 6 1 文献标志码： A d o i: 1 0 . 3 7 8 8/ HP L P B 2 0 1 3 2 5 0 9 . 2 2 8 1

随着现代科学技术的迅猛发展，在激光聚变、航天航空、太空探测等领域对高性能的光学元件的需求量越来越大，并且对元件本身的面型精、粗糙度等指标要求越发严格。传统的加工方法已经无法满足现行的加工要求。磁流变抛光是 2 0世纪 9 0年代初美国 Ro c h e s t e r大学光学中心的 I . V.P r o k h

o r o v,W. I . Ko r d o n s k i, D.

Go l i n i及其众多合作者将电磁学、流体动力学、分析化学相结合而提出的一种新型的光学元件加工方法[ 1 ]。 该项技术至今已有较大的发展，相关研究仍在继续，特别是将磁流变抛光与化学刻蚀等技术相结合，提高光学元件抗激光损伤阈值，因此，磁流变抛光技术在惯性约束聚变领域将有广阔的应用前景[ 4 利用磁流变抛光技术加工元件，需要找寻合适的工艺参数从而确保抛光斑适合要加工的面型。为了能够匹配出最佳的工艺参数就需要掌握各项参数对抛光效果影响的规律，相关的文献对此也有一定研究，但很少给出明确的优化指导。本文设计了相关实验，找寻磁流变抛光技术中相关重要工艺参数的影响规律，并得出相关影响关系曲线。另外，在

平常的加工中，磁流变抛光所用的磁流变液的稳定性对加工时抛光斑的稳定性影响也较大，其中比较明显的是磁流变液中水分含量的变化会导致抛光斑去除效率的变化，目前对于抛光斑稳定性的相关研究较少，针对该因素本文做了详细的实验研究，总结出了该因素的影响曲线图，便于进行水分控制。

1磁流变抛光的材料去除原理磁流变液在磁场作用下形成具有一定厚度和硬度的“小磨头”,见图 1],代替传统抛光中的刚性抛光盘对加工材料进行抛光。通过控制机器的各种工艺参数对“小磨头”的形状和大小进行改变以满足加工中的各种

要求。大量实验证明，磁流变抛光的去除函数符合 P r e s t o n[ 7 方程，材料去除率 r可以表示成r— K由：:= K一 K/ z

( 1 )

式中： K为 P r e s t o n系数，它与磁流变液的组成以及加工时的温度、被加工材料的性质有关； P为抛光区域内受

到的压力； W为抛光功率； 为“小磨头”与工件表面的摩擦系数； r为“小磨头”对工件表面的剪切力； 为抛光区域内“小磨头”与工件的相对速度，若工艺参数不变，口值只与抛光轮的线速度有关，一k。 U,此时去除函数的形式变为r— K P 一 K ( 2)

式中： K为常系数；己

,为抛光轮线速度。式 ( 2 )表明，磁流变抛光的材料去除率只与抛光轮线速度和流体动压

*

收稿日期： 2 0 1 2— 1 2— 1 4;

修订日期： 2 0 1 3— 0 3— 2 5

基金项目：中国工程物理研究院“双百人才”基金项目( z x r l 1 4 )

作者简介：秦北志 ( 1 9 8 7一),男，硕士研究生，目前从事光学检测及先进光学制造工艺研究； q i n b e i z h i@1 2 6 . c o n。 r 通信作者：杨李茗 ( 1 9 6 7一),男，博士生导师，主要从事先进光学制造技术、检测技术研究； l my a n g@r i p . s i n a . t o m。

光学元件精密加工中的磁流变抛光技术工艺参数

光学元件精密加工中的磁流变抛光技术工艺参数

第 9期

秦北志等：光学元件精密加工中的磁流变抛光技术工艺参数

( 4 )磁流变液水分质量分数变化对去除效率及表面粗糙度的影响：磁流变液的水分质量分数的变化会引起磁流变的粘度等变化，从而会影响抛光斑的去除效率和被加工件的表面粗糙度的变化。而这一因素，在相关的文献中提及较少，对其关注较少。本文设计实验，观察不同梯度水分质量分数变化对去除效率及粗糙度的影响。水分测试使用的是日本 AND公司 MX一 5 0型水分测试仪，测量精度为 0 . 0 1 (质量比)。

3实验结果与讨论3 . 1 浸入深度对抛光效率以及元件表面粗糙度的影响

浸入深度是指被加工元件表面进入缎带内部的深度。增加浸入深度即是减少抛光轮与工件之间的间隙

h 。,影响材料的去除效率和最终元件表面的粗糙度。相关的研究实验结果如表 1所示 (实验中抛光轮的转速均为 1 2 0 0 r/ ai r n;磁场为恒磁场；磁流变液流量为 5 2 0 mL/ mi n;缎带厚度为 1 . 3 mm)。表 1 斑形长宽。去除率及表面粗糙度随浸深的变化统计T a b l e 1 S i z e o f p o l i s hi n g s o t p,r e mo v a l r a t e s a n d r o u g h n c s s c h a n g i n g wi t h i mme r s i o n

从上述实验的结果来看，随着浸入深度的增加 (抛光轮与工件之间的间隙^ 。减小)抛光液与元件的接触面积变大，

抛光斑的尺寸也变大。相应的材料去除效率 (峰值去除率和体积去除率 )均增加，加工后元件表面的粗糙度也随浸入深度的增加而增加。对应 P r e s t o n方程，当浸深增加，抛光间隙^ 。减小，抛光区域的流体动压力 P相应增加，机械磨削增强，材料去除率 r变大；同时由于机械磨削作用的增强，元件表面的粗糙度也增加。 加工中，在初期的阶段属于大面积修面型材料，去除量大，可以采用较大的浸深，提高加工的效率；后续面型接近预定值时材料去除量减少，为了保证好的表面粗糙度就可以采用较小的浸深，精修面型。3 . 2 抛光轮转速对抛光效率及元件表面粗糙度的影响

抛光轮的转速直接影响抛光区域“小磨头”与工件的相对速度，抛光轮的转速增加会影响材料去除率和被加工元件表面的粗糙度。对该因素进行了研究实验，结果如表 2所示 (本轮实验中磁场为恒磁场；磁流变液流量为 5 2 0 mL/ mi n;缎带厚度为 1 . 3 mm;浸入深度均为 0 . 4 mm)。表 2斑形长宽、去除率及表面粗糙度随抛光轮转速的变化统计Ta b l e 2 S i z e o f ol p i s h i n g s o t p,r e mo v a l r a t e s a n d ou r g h ne s s Rq c h a n g i n g wi t h ot r a t i n g s p e e d o f p o l i s h i n g wh e e l

上述实验中仅仅改变抛光轮的转速，对于循环系统 …… 此处隐藏：11463字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……