浮法拋光超光滑表面加工技術(shù)樣本

浮法拋光超光滑表面加工技術(shù)摘要浮法拋光技術(shù)一方面浮現(xiàn)于日本，是加工超光滑表面先進技術(shù)之一。本文簡介用浮法拋光加工超光滑表面機械構(gòu)造和加工過程，與老式瀝青拋光辦法進行比較，分析材料去除機理。最后簡樸簡介國內(nèi)研究浮法拋光技術(shù)進展。正文一、浮法拋光技術(shù)產(chǎn)生與現(xiàn)狀光學(xué)零件加工基本涉及切割成型、研磨、拋光三道工序；最后光學(xué)表面質(zhì)量由拋光決定，因而拋光是最重要工序。普通高質(zhì)量光滑表面拋光是以瀝青或纖維等彈性材料作磨盤，配以拋光液或研磨膏來達到技術(shù)規(guī)定。近年來，光學(xué)及微電子學(xué)極大地推動了光學(xué)加工技術(shù)發(fā)展。大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路對所用基片(普通為硅、鍺等材料)表面精度提出了很高規(guī)定；短波段光學(xué)發(fā)展特別是強激光技術(shù)浮現(xiàn)，對光學(xué)元件表面粗糙度規(guī)定極為苛刻。表面粗糙度低于1nmrms超光滑表面加工技術(shù)已成為光學(xué)及微電子學(xué)基本技術(shù)領(lǐng)域重要課題?？坷鲜浇?jīng)驗依賴性光學(xué)加工辦法是不能滿足日益發(fā)展光學(xué)、電子學(xué)規(guī)定。國內(nèi)外已有許多科學(xué)家在摸索加工高精度超光滑表面各種技術(shù)。普通原子直徑不大于0.3nm，而超光滑表面微觀起伏均方根值為幾種原子尺寸，因而實現(xiàn)超光滑表面加工核心在于實現(xiàn)表面材料原子量級去除。1997年，日本大坂大學(xué)難波義治專家創(chuàng)造了浮法拋光(FloatPolishing)加工超光滑表面技術(shù)。通過使用這項技術(shù)，可使剛玉單晶平面面形達到λ/20，表面粗糙度低于1nmRz。1987年研究報告表白，使用浮法技術(shù)進行各種材料拋光實驗，對φ180mm工作，可以達到表面粗糙度優(yōu)于o.2nmrms，平面度優(yōu)于λ/20=0.03μm。當(dāng)前在日本，浮法拋光技術(shù)應(yīng)用很廣泛，特別是用于錄音機、錄像機或計算機磁頭生產(chǎn)；每年有2500萬個磁頭就是采用這項技術(shù)制造。近年來，德國也在研究類似拋光技術(shù)。德國Ulm大學(xué)歐威(O.Weis)研究表白，對白寶石材料φ7mm工件進行拋光，30分鐘后達到表面粗糙度不大于0.05nm成果。將浮法拋光樣品與普通拋光樣品比較可以發(fā)現(xiàn)浮法拋光有許多長處。普通瀝青式拋光使用硬度不不大于工件磨料，也可以獲得所謂超光滑表面粗糙度指標(biāo)，但對磨盤平面度修正很有講究，這影響到被拋光工件面形。普通拋光后工件，其邊沿幾何尺寸總不太好，經(jīng)常有塌邊或翹邊現(xiàn)象；并且在高倍顯微鏡下可以看到表面有塑性畸變層。應(yīng)用浮法拋光法技術(shù)獲得超光滑表面，不但具備較好表面粗糙度和邊沿幾何形狀，并且拋光晶體面有抱負完好晶格，亞表面沒有破壞層，并且由拋光引起表面殘存應(yīng)力極小。二、浮法拋光機機械構(gòu)造與拋光過程浮法拋光機機械構(gòu)造類似于定擺拋光機。在對工件進行浮法拋光前，被加工工件一方面要進行預(yù)拋光，干燥。就可以浮法拋光。拋光過程中，拋光液隨磨盤旋轉(zhuǎn)；由于流體運動產(chǎn)生動壓，工件與磨盤之間形成一層薄薄液膜，使得工件浮在磨盤上旋轉(zhuǎn)，保持軟接觸。液體旋轉(zhuǎn)時離心作用使拋光液中粒度稍大顆粒被甩到四周，并徐徐沉究竟部，這樣夾在磨盤與工件間液膜中磨料越來越精細均勻；被加工光學(xué)表面越來越光滑，最后達到超光滑。工件面形重要由磨盤面形決定，浮法拋光中，由于錫材料自身特性，其硬度及流動性適中，在拋光中錫盤磨損可以忽視，因而錫盤平面度是很容易控制；這樣保證了工件面形穩(wěn)定性。老式拋光經(jīng)驗性重要是由于瀝青盤拋光中變形決定；使用錫盤后，這種經(jīng)驗性拋光就可以成為穩(wěn)定拋光。三、浮法拋光去除機理浮法拋光表面粗糙度可達到亞納米量級，接近原子尺寸，工件材料去除是原子水平上進行。工件表面原子在磨料微粒撞擊作用下脫離工件主體，從而被去除。原子去除過程，是磨料與工件在原子水平碰撞、擴散、彌補過程。四、磨料選用依照去除機理，運用外表面層與主體原子結(jié)合能差別，任何材料都可作為磨料去除工件表層原子，可以獲得無晶格錯位與畸變表面。在進行浮法超光滑表面拋光中，選取適當(dāng)材料作為磨料很重要。普通用于浮法拋光磨料為粒度約7nmSiO2微粉。綜上所述，浮法拋光技術(shù)核心在于：高面形精度錫盤，以此來保證工件面形高精度。粒度不大于20nm磨料，目在于增大工件與磨盤接觸面積，增多磨料顆粒與工件表面碰撞機會，達到原子量級去除目。拋光液將工件和磨盤浸沒，靠流體作用形成工件與磨盤間液膜，為磨料顆粒與工件碰撞提供環(huán)境。五、國內(nèi)研究現(xiàn)狀長春光機所應(yīng)用光學(xué)國家重點實驗室，在短波段光學(xué)帶動下，從1992年開始研究浮法拋光技術(shù)，已研制出一臺拋光原理樣機，并進行了大量實驗。當(dāng)前對K9玻璃樣片拋光實驗成果表白，表面粗糙度優(yōu)于1nmRa。所使用磨料粒度約為25nm。關(guān)于實驗正在繼續(xù)進行，并且一臺高精度浮法拋光實驗樣機正在研制中。（來源：《光學(xué)技術(shù)》1995年第3期）計算機控制光學(xué)加工過程中技術(shù)難點及解決辦法

0引言

計算機控制表面成形(ComputerControlledOpticalSurfacing,簡稱CCOS)是七十年代初發(fā)展起來一門新興光學(xué)加工技術(shù)，它運用計算機控制一種比被加工工件小得多研磨頭或拋光頭在工件表面上移動，通過控制磨頭與工件間相對運動速度，壓力以及磨頭在表面某一區(qū)域停留時間實現(xiàn)對材料去除量控制。由于計算機數(shù)據(jù)解決速度快、控制精確、記憶可靠，因而，可以極大提高工作效率及加工質(zhì)量，減少對操作人員技術(shù)依賴性，因此具備遼闊發(fā)展前景。當(dāng)前國外應(yīng)用這一技術(shù)已經(jīng)加工出各種大口徑精密光學(xué)表面，涉及手工難以加工對稱或非對稱非球面。

應(yīng)用該技術(shù)形成一種高精度光學(xué)表面原理框圖。如圖1所示。圖1CCOS加工流程示意圖

1CCOS基本原理

描述材料去除量與其影響因素之間關(guān)系數(shù)學(xué)模型是Preston方程：(1)

式中——單位時間材料去除量；

K——與加工條件及材料性能關(guān)于系數(shù)；

P——磨頭與工件間相對壓力；

V——磨頭與工件間相對運動速度。

定義磨頭工作函數(shù)R(x,y)為磨頭覆蓋區(qū)域內(nèi)材料去除量分布函數(shù)：

R(x,y)=K∫TOV(x,y,t)·P(x,y,t)dt，

式中T——加工周期。

若考慮壓力P為常量，則t式變?yōu)椋?/p>

R(x,y)=KP∫TOV(x,y,t)dt定義D(x,y)為磨頭中心在表面任一點(x,y)周邊區(qū)域駐留時間函數(shù)，并考慮當(dāng)小磨頭與工件表面吻合良好且加工過程中不露出工件邊沿時壓力P為常量，這樣在工件表面上移動磨頭并在每一區(qū)域停留相應(yīng)時間，然后將各區(qū)域材料去除量疊加起來即可擬定整個表面材料去除量，它是磨頭工作函數(shù)與駐留時間卷積，即：

Z(x,y)=R(x,y)**D(x,y)(2)

式中**——兩維卷積。

設(shè)原始表面誤差為W0(x,y)，則加工后表面誤差W(x,y)為：

W(x,y)=W0(x,y)-NR(x,y)**D(x,y)(3)

N為加工次數(shù)，(3)式就是計算機模仿最重要理論根據(jù)。

2CCOS加工中核心問題及解決辦法

普通光學(xué)加工基本環(huán)節(jié)為：成形粗磨、精磨拋光，衡量每一過程加工質(zhì)量指標(biāo)是：面形誤差收斂速度；下表面破壞層深度控制；邊沿磨削量控制，即邊沿效應(yīng)去除。上述環(huán)節(jié)解決好壞將直接影響到被加工工件表面質(zhì)量，解決好這些技術(shù)難點近年來始終為各國光學(xué)技術(shù)人員所關(guān)注〔１〕。

本文在理論分析及工藝實驗基本上做了如下研究。圖2下表面構(gòu)造示意圖

2.1微量磨削技術(shù)(Microgrinding)研究

老式拋光工序普通在被加工表面RMS誤差為1～3μm時開始，這時研磨工序在工件下表面留下一種裂紋層，稱之為破壞層，其深度可達幾種微米甚至更多，如圖2所示。它存在會嚴重影響光學(xué)零件表面質(zhì)量，必要拋掉，但由于拋光工藝加工效率較低，要拋去這一破壞層需要好幾種加工周期，加工效率極大減少；此外由于老式研磨后工件表面質(zhì)量很差，不能進行定量干涉測量，從而也就不能提供數(shù)據(jù)指引CCOS加工。這始終是CCOS過程中急待解決問題。

本文提出用固著金剛石丸片為磨頭，在細磨和拋光工序之間加入微量磨削工序，通過大量工藝實驗獲得了最佳工藝參數(shù)組合〔２〕，加工后工作表面可直接進行干涉計量，并使下表面破壞層深度降至最低。如圖3所示，這一成果提高了細磨和拋光階段加工及檢測效率，使CCOS技術(shù)邁進了一步。(a)微量磨削后可直接進行干涉計量表面(b)裂紋層深度已減少，包括在表面粗糙度起伏當(dāng)中(1000×)圖3固著金剛石丸片微磨削成果

2.2邊沿效應(yīng)消除

本文提到CCOS技術(shù)，保持壓力恒定靠控制磨頭在工件表面駐留時間來控制去除量，因此當(dāng)磨頭移動到工件邊沿而不露邊時，由于最邊沿區(qū)域相對加工時間不大于中間區(qū)域，則去除量減少，工件發(fā)生“翹邊”；反之，當(dāng)磨頭部份露出工件邊沿時，由于相對壓力增大，使邊沿區(qū)域去除量增長，工件發(fā)生“塌邊”。這兩種現(xiàn)象都使工件邊沿去除量難以控制，嚴重阻礙面形誤差收斂，稱之為邊沿效應(yīng)。咱們通過理論計算及實驗研究，擬定了磨頭在工件邊沿區(qū)域運動時修正函數(shù)，經(jīng)修正使邊沿誤差得以收斂，從而消除了邊沿效應(yīng)〔３〕。

該辦法基本思路是：設(shè)工件邊沿面形誤差函數(shù)為E(x,y)，而磨頭露邊后由于壓力P不恒定，則工作函數(shù)修正函數(shù)為：

Rm(x,y)=R(x,y)·P(x,y,n)

式中P(x,y,n)——邊沿區(qū)域磨頭與工件間相對壓力；

n——與露邊限度等因素關(guān)于變量。

這樣運用卷積迭代法，以E(x,y)為迭代初值，便可求出邊沿區(qū)域去除量，即：

Zm(x,y)=Rm(x,y)**E(x,y)

**表達卷積。按上式控制修拋就可使邊沿誤差收斂，實驗成果如圖4所示。

3FSGJ-1型非球面自動加工機床簡介

3.1設(shè)計特點

這是一臺四軸聯(lián)動集成形、拋光及在線檢測于一體非球面自動加工機床。它可以沿著X，Y，Z軸移動，還可以沿著C軸轉(zhuǎn)動，這樣便可加工各種球面和非球面，特別是非回轉(zhuǎn)對稱離軸非球面。最大加工直徑為Φ600mm，相對孔徑為1∶4。

3.2工藝實驗狀況圖4邊沿去除量控制成果

應(yīng)用自行編制應(yīng)用程序可依照面形誤差自動選取加工方案并生成加工代碼，從而指引CNC單元控制加工，通過幾種加工周期可使面形誤差收斂。

4結(jié)束語

CCOS技術(shù)極大提高了加工精度及效率，實驗證明其基本理論對的；本文研制FSGJ-1型非球面自動加工機床性能可靠，合用于非球面加工；CCOS中核心問題“邊沿效應(yīng)”解決辦法已在該機床上得到驗證，用加工非球面辦法拋光中Φ230mm球面僅用15小時便使面形誤差下降到(1)/(8)λRMS，并且邊沿誤差得到了較好控制，其波動在±15%之間，完全滿足光學(xué)表面規(guī)定。磁流變拋光技術(shù)*張峰余景池張學(xué)軍王權(quán)陡摘要對磁介質(zhì)輔助拋光技術(shù)來發(fā)展作了簡要回顧,進而簡介了磁流變拋光技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展背景、拋光機理及微觀解釋、數(shù)學(xué)模型,同步提出了這種拋光技術(shù)核心所在,并對其發(fā)展將來進行了展望。

核心詞磁介質(zhì)輔助拋光磁流變拋光磁流變拋光液凸緞帶拋光區(qū)

中圖分類號TQ171.684文獻標(biāo)記碼AMagnetorheologicalFinishingTechnologyZHANGFeng，YUJing-Chi，ZHANGXue-Jun，WANGQuan-Dou

（TheStateKeyLab.ofAppliedOptics，ChangchunInstituteofOpticsandFineMechanics，

ChineseAcademyofSciences，Changchun130022）AbstractThedevelopingofmagneticmedia-assistedfinishingtechnologyinthelast20yearsisreviewedinthispaper.Producing，developing,mechanismandmicromechanismandmathematicalmodelofmagnetorheologicalfinishingaredescribedindetail.Thekeytechnologyandthefutureoffinishingarealsogiveninthepaper.

KeyWords：Magneticmedia-assistedfinishing，Magnetorheologicalfinishing，Magnetorheologicalpolishingfluid，Convexribbon，Polishingspot1引言隨著科學(xué)技術(shù)進步，各個學(xué)科交叉發(fā)展，形成了許多新領(lǐng)域，產(chǎn)生了諸多新技術(shù)。對于光學(xué)加工技術(shù)，人們也不斷地進行摸索。80年代初期，日本有人將磁場用于光學(xué)加工，形成了磁介質(zhì)輔助拋光辦法。1984年，Y.Tain和K.Kawata［1］運用磁場輔助拋光對聚丙烯平片進行加工。圖1為這種加工辦法原理示意圖。Fig.1PolishingofacrylicplateswithSiCabrasivesinamagneticfluidcomposedof15nmdiametermagneticparticles.Thepolepiecesserveasthereferencelappingsurfacefortheworkpiece.她們將某些N、S極相間長條形永久磁鐵緊密相連排成一列形成非均勻磁場（磁通密度大約0.1T）。將盛有非磁性拋光粉（碳化硅，直徑4μm，體積含量40%）和磁性液體（直徑為10～15nm四氧化三鐵磁性微粒均勻地混合在二十烷基萘基液中）均勻混合液圓形容器放置在這個磁場中。磁場梯度使拋光粉浮起來與浸在磁性液體中工件相接觸。在加工過程中，工件與容器同步旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)對材料去除，其材料去除率為2μm／min。通過一小時拋光工件表面粗糙度減少了10倍。1987年，Y.Satio等［2］人又在水基磁性液體中對聚丙烯平片進行了拋光。這種辦法缺陷是拋光壓力較小，不能對玻璃或其他較硬材料進行拋光，并且不能對工件面形進行較為有效控制。

1989年，Suzuki等［3］人用柔性橡膠墊和聚氨酯將銅盤槽內(nèi)磁性液體密封。工件浸于聚氨酯上方拋光液中。在磁場作用下，磁性液體受力作用到橡膠墊和聚氨酯拋光盤上，柔性聚氨酯拋光盤受力變形，使其形狀與工件面形相吻合來實現(xiàn)對工件進行拋光。她們對曲率半徑為50mm硬而脆晶體進行拋光。通過30min拋光，工件表面粗糙度從15nm降到1nm（1.7nmrms），面形誤差從0.4μm減少到0.3μm。這種辦法雖然可以獲得較大拋光壓力，但很不容易控制。1993年，她們又對直徑為40mm非球面Pyrex玻璃工件進行了實驗，其材料去除率為2～4μm/h，仍沒有實現(xiàn)對工件邊沿進行控制［4］。

1994年浮現(xiàn)一種叫“磁性液體研磨”光學(xué)加工辦法［5］。這種辦法是在磁性液體中放一種“浮體”，在磁場作用下，磁性液體給“浮體”以力作用，使其與工件相接觸來進行拋光。這樣，以整個“浮體”所受力來代替本來單個拋光粉所受力，使拋光壓力大大加強。這種辦法比較適合陶瓷材料加工。

另有一種稱之為“磁微粉拋光”光學(xué)加工辦法［6］。這種辦法適合軸拋光。將軸周邊放置諸多磁性拋光粉，在外磁場作用下，磁性拋光粉聚結(jié)在一起形成“磁粉刷”。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時，軸與“磁粉刷”摩擦，從而對軸進行拋光。這種辦法適合于鋼或陶瓷加工。

這些磁介質(zhì)輔助拋光辦法，或者拋光效率太低，或者產(chǎn)生較大破壞層，或者拋光不易控制，總之都存在一定缺陷。2磁流變拋光技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展背景為了獲得高精度面形和不產(chǎn)生破壞層，有人將流體動力學(xué)理論引入光學(xué)加工形成某些非接觸拋光辦法。較有代表性一種辦法稱之為“水上飛機拋光”，它是基于流體動力學(xué)潤滑理論［7］。這種拋光辦法是這樣，當(dāng)一種沿圓周方向具備各種傾斜表面圓盤在液體中旋轉(zhuǎn)時，液楔產(chǎn)生流體壓力使圓盤表面上工件浮起。當(dāng)隨著流體運動拋光粉顆粒通過工件由于浮起而與圓盤之間形成空隙時，不斷地撞擊工件表面，從而引起材料去除。其缺陷是拋光壓力小，效率低。另一種辦法叫“彈性發(fā)射機”拋光［8～10］。工件和放在其上小球一起浸沒在拋光液中，由于流體效應(yīng)，當(dāng)小球旋轉(zhuǎn)時，小球和工件之間形成一層很薄潤滑膜，拋光粉隨著流體進入潤滑膜引起對工件去除。有人以為其拋光機理是這樣，拋光粉顆粒進入潤滑膜時便與工件表面原子相結(jié)合，當(dāng)拋光粉顆粒隨流體流走時，工件表面上與拋光粉顆粒結(jié)合在一起原子也隨之流走，從而實現(xiàn)對工件表面材料去除。

這些非接觸拋光辦法雖然不產(chǎn)生下表面破壞層，但是其拋光效率較低。為了既提高拋光效率，使拋光過程容易控制，又不產(chǎn)生下表面破壞層，90年代初，WilliamI.Kordonski，I.Prokhorov及合伙者［11～12］將電磁學(xué)、流體動力學(xué)理論、分析化學(xué)結(jié)合于光學(xué)加工中，創(chuàng)造了磁流變拋光（MRF）技術(shù)。這種辦法運用磁流變拋光液在磁場中流變性進行拋光。在高強度梯度磁場中，磁流變拋光液變硬，成為具備粘塑性Bingham介質(zhì)。當(dāng)這種介質(zhì)通過工件與運動盤形成很小空隙時，對工件表面與之接觸區(qū)域產(chǎn)生很大剪切力，從而使工件表面材料被去除。

1995年，Rochester大學(xué)光學(xué)加工中心（COM）運用MRF辦法對一批直徑不大于50mm球面和非球面光學(xué)元件進行了加工［13～14］。成果材料為熔石英球面元件表面粗糙度降到0.8nm(rms），面形誤差為0.09μm。材料為BK7非球面元件表面粗糙度降到1nm（rms），面形誤差為0.86μm。這些光學(xué)元件都達到了圖紙規(guī)定。

1996年，她們用流體動力學(xué)潤滑理論對磁流變拋光進行了初步理論分析［15］。她們發(fā)現(xiàn)MRF中流體運動形式類似于軸頸軸承潤滑時流體運動形式，并對MRF中剪切應(yīng)力進行了理論推導(dǎo)。同步，她們建立了一套完整磁流液循環(huán)、攪拌、散熱系統(tǒng)。并做了大量實驗，將工件軸在不同角度時，不同面形和材料實驗件形成拋光區(qū)編成代碼儲存起來，以便實現(xiàn)數(shù)控［16］。

1997年，COM研究人員對初始面形精度為30nm（rms）左右熔石英及其他六種玻璃材料光學(xué)元件進行實驗，通過5～10min拋光，面形精度達到了1nm左右。同步，她們又對磁流變拋光液成分進行了化學(xué)分析，通過以氧化鋁或金剛石微粉等非磁性拋光粉代替原磁流變拋光液中非磁性拋光粉氧化鈰，較為成功地對某些紅外材料進行了拋光［17］。1998年4月，她們將迅速文本編輯程序（QED）技術(shù)引入Q22型磁流變拋光機中，大大縮短了拋光時間，提高了拋光效率。這是MRF技術(shù)商業(yè)化進程上一大奔騰。

當(dāng)前，她們正對磁流變拋光過程化學(xué)原理和機械原理進行繼續(xù)而進一步研究，以便使這項光學(xué)加工技術(shù)更加趨于成熟。3磁流變拋光技術(shù)拋光機理及微觀解釋3.1磁流變拋光技術(shù)拋光機理

以用磁流變拋光技術(shù)加工凸球面光學(xué)元件為例，闡述這種拋光辦法拋光機理。圖2為磁流變拋光辦法加工凸球面原理示意圖。被加工工件位于運動盤上方，并與運動盤成一很小固定不變距離，于是工件表面與運動盤表面形成了一種凹空隙。磁極置于工件和運動盤下方，并且在工件和運動盤所形成小空隙附近形成一種高梯度磁場。運動盤內(nèi)盛有磁流變拋光液，當(dāng)磁流變拋光液隨運動盤一起運動到工件與運動盤所形成小空隙附近時，梯度場使之聚結(jié)、變硬，形成一凸起緞帶，成為具備粘塑性Bingham介質(zhì)。這樣具備較高運動速度Bingham介質(zhì)通過小空隙時，對工件表面與之接觸區(qū)域產(chǎn)生很大剪切力，從而使工件表面材料被去除。Fig.2SchemeofMRfinishing工件表面被拋光區(qū)域稱為拋光區(qū)。從圖2中可以看出，工件軸除了可以繞自身軸線作回轉(zhuǎn)運動外，還可以作以軸上某點為中心，以工件曲率半徑為半徑擺動。于是工件表面各個帶區(qū)都可以通過拋光區(qū)，從而實現(xiàn)對工件整個表面材料去除。通過控制工件表面各個帶區(qū)在拋光區(qū)內(nèi)停留時間，來控制各帶區(qū)材料去除量，進而精修工件面形。拋光區(qū)大小和形狀取決于諸多因素，如磁流變拋光液成分，磁流變拋光液被送入磁場之前機械成型方式，工件表面被拋光某些形狀，工件浸入磁流變拋光液地深度，拋光區(qū)磁場強度分布以及工件機械性能等。在磁流變拋光過程中，應(yīng)對這些因素加以控制，以便保證拋光區(qū)穩(wěn)定性。

磁流變拋光辦法，可以以為是以磁流變拋光液在磁場作用下，在拋光區(qū)范疇內(nèi)形成具備一定硬度“小磨頭”代替散粒磨料拋光過程中剛性拋光盤。在磁場作用下，磁流變拋光液變硬，粘度變大，并且“小磨頭”形狀和硬度可以由磁場實時控制，而影響拋光區(qū)穩(wěn)定性其他因素都固定不變。這樣既能通過控制磁場來控制拋光區(qū)大小和形狀，又能保證在一定磁場強度下拋光區(qū)穩(wěn)定性。這些長處是老式剛性拋光盤所無法比擬。

3.2磁流變拋光微觀解釋

磁流變液由磁性顆粒、基液和穩(wěn)定劑構(gòu)成［18］。磁性顆粒常選用球形金屬或鐵氧體磁性材料，其微粒尺寸范疇普通為0.01～10μm。用于磁流變拋光磁流變液基液應(yīng)當(dāng)是具備良好流動性（無外加磁場狀況下）和熱穩(wěn)定性無污染絕緣介質(zhì)，如水、硅油等。穩(wěn)定劑必要有特殊分子構(gòu)造：一端有一種對磁性顆粒界面產(chǎn)生高度親和力釘扎功能團；另一端還需有一種極易分散于基液中去恰當(dāng)長度彈性基團。穩(wěn)定劑使磁性顆粒穩(wěn)定懸浮于基液中。將拋光粉顆?；旌嫌诖帕髯円褐芯托纬闪舜帕髯儝伖庖?。在無外加磁場狀況下，拋光粉顆?；蛘呔鶆蚍植荚诖帕髯円褐校蛘吲c磁流變液分離而存在于其表面。當(dāng)有外加磁場作用時，磁流變液中磁性顆粒聚結(jié)成鏈狀構(gòu)造，拋光粉顆粒受力浮于磁流變液表面，與工件相接觸。在拋光過程中，拋光粉顆粒和磁性顆粒同步作用于工件表面，由于磁性微粒和拋光粉顆粒硬度差不多，有種類磁性顆粒硬度甚至高于拋光粉微粒，因此它們都對工件材料去除有貢獻。圖3描繪了磁場作用下微粒運動狀況。這個拋光過程中化學(xué)作用和物理作用尚有待于進一步研究。

Fig.3Idealizeddrawingtodepictparticlemotioninamagneticfield4磁流變拋光材料去除率數(shù)學(xué)模型磁流變拋光是一種先進光學(xué)加工技術(shù)。其數(shù)學(xué)模型建立根據(jù)是在光學(xué)加工上，被實驗所驗證了，并為人們所普遍接受Preston方程。由Preston方程，材料去除率可表達為：（1）其中，K——Preston系數(shù)

W——拋光區(qū)內(nèi)磁流變拋光液拋光功率

μ——拋光區(qū)內(nèi)磁流變拋光液與工件摩擦系數(shù)

τ——拋光區(qū)內(nèi)磁流變拋光液剪切應(yīng)力

U——拋光區(qū)內(nèi)磁流變拋光液最大運動速度（運動盤在拋光區(qū)線速度）

在這個模型中以磁流變拋光液剪切應(yīng)力代替老式拋光中正壓力是由于在拋光過程中,重要是依托磁流變拋光液剪切應(yīng)力進行工件材料去除,并且對于磁流變液來說,研究剪切應(yīng)力更以便某些。

剪切應(yīng)力τ擬定比較復(fù)雜，可由Bingham模型和流體動力學(xué)潤滑理論推導(dǎo)出［15］。在磁場中，磁流變拋光液流變特性滿足Bingham方程，其剪切應(yīng)力τ可表達為下式：τ=η0+τ0sign()（2）式中：η0——不加外磁場時磁流變拋光液粘度

——磁流變拋光液剪切速率

τ0——外磁場作用下磁流變拋光液屈服應(yīng)力

sign()——是符號函數(shù),表達τ0前面符號與取同號

在如圖2所示坐標(biāo)系中，由流體動力學(xué)潤滑理論可知：（3）其中：P——拋光區(qū)內(nèi)工件所受壓力

將（3）式對y積分得：（4）式中:——拋光區(qū)內(nèi)工件所受壓力梯度

C1——積分常數(shù)

將（4）式代入（2）式并再次對y積分得：（5）式中，u——磁流變拋光液運動速度

C2——為另一積分常數(shù)

將邊界條件：（1）y=0時u=U,（2）y=h時u=0,代入（5）式求出C1值并代入（4）得（6）其中，h——工件表面與運動盤所形成小空隙高度

這樣公式（1）中所有參數(shù)都為已知。美國Rochester大學(xué)光學(xué)加工中心研究人員在這個模型指引下作了許多實驗，實驗成果和理論模型相符合較好。5磁流變拋光技術(shù)實現(xiàn)核心及將來展望5.1磁流變拋光技術(shù)實現(xiàn)核心

從磁流變拋光機理可以看出，這種拋光技術(shù)實現(xiàn)核心是：

（1）磁流變拋光液研制。磁流變拋光液應(yīng)具備在無外加磁場時流動性好，當(dāng)有外磁場作用時流變性好，硬度能變得很大，且對磁場響應(yīng)速度快等特點。

（2）應(yīng)能通過磁場控制磁流變拋光液形成“小磨頭”大小、形狀以及“小磨頭”作用于工件上壓力，從而控制材料去除量，獲得穩(wěn)定拋光過程。

在這兩項核心技術(shù)上，Rochester大學(xué)光學(xué)加工中心研究人員做了大量工作，并獲得了一定成果。她們自行研制了許各種類磁流變拋光液，把各種條件下所形成拋光區(qū)形狀輸入微機，初步對磁流變拋光過程實現(xiàn)了數(shù)控。這兩項核心技術(shù)仍需進一步研究以便這種拋光技術(shù)更加完善。

5.2對磁流變拋光技術(shù)將來展望

磁流變拋光這種新興光學(xué)加工辦法以其加工速度快，效率較高，不產(chǎn)生下表面破壞層及易于實現(xiàn)微機數(shù)控等長處已漸為人們所接受。此外，磁流變拋光尚有一種明顯長處：這種拋光辦法運用磁流變拋光液在磁場作用下形成柔性小“磨頭”對工件表面各個環(huán)帶區(qū)進行加工，因而特別適合非球面光學(xué)元件制造。但當(dāng)前磁流變拋光還只局限于對中小口徑（直徑在100mm如下）光學(xué)元件加工。因而應(yīng)對其進一步研究，使之也能對大中口徑光學(xué)元件加工也行之有效。那時，磁流變拋光這種先進光學(xué)加工辦法必將更受人們青睞。*國家自然科學(xué)基金資助項目（批準號69608006）作者簡介：張峰男,1969年1月生，1991年畢業(yè)于長春光學(xué)精密機械學(xué)院光學(xué)工程系，1997年又在該學(xué)院獲得光學(xué)儀器專業(yè)研究生學(xué)位。當(dāng)前中華人民共和國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械研究所攻讀博士學(xué)位，從事光學(xué)超精加工與檢測方面研究工作，重要研究方向為磁流變光學(xué)加工技術(shù)。作者單位：中華人民共和國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械研究所應(yīng)用光學(xué)國家重點實驗室長春130022參照文獻1TainY.,KawataK.DevelopmentofHigh-EfficiencyFineFinishingProcessUsingMagneticFluid.Annals

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