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  • 淺談光學零件的超光滑表面加工方法

    作者:王新海、馬瑾、張永軍 來源:《山東工業技術》2018年第06期 時間:2019-12-21 13:40 閱讀:1048 [投稿]
    文章闡述了超光滑表面的定義特點及機理,重點介紹目前國內常用的古典法拋光技術、磁流變拋光技術和氣囊拋光技術等三種超光滑表面加工方法,并簡要的說明了各種方法的優缺點。

    摘要:隨著光學零件在前沿技術中的廣泛應用,超光滑表面加工技術已經成為當前研究的熱點。文章闡述了超光滑表面的定義特點及機理,重點介紹目前國內常用的古典法拋光技術、磁流變拋光技術和氣囊拋光技術等三種超光滑表面加工方法,并簡要的說明了各種方法的優缺點。

    關鍵詞:拋光;超光滑表面;光學零件

    光學零件在強激光、空間光學和航空航天等諸多高技術領域的需求數量越來越多,光學零件的超光滑加工技術已成為當代科技前沿的關鍵技術之一[1]。隨著科技的發展,光學零件不僅要求極高的表面質量,而且還有較低的亞表層損傷和嚴格的波前誤差等低缺陷要求[2]。目前,光學拋光加工階段是光學零件加工過程中最重要的環節之一,拋光技術的優劣直接影響著光學零件表面的最終加工質量,文章主要闡述了目前國內廣泛應用的光學零件超光滑表面技術。

    1.超光滑表面

    所謂超光滑表面是指其表面粗糙度均方根值小于1nm的表面,并且具有較高的面形精度和較低的表面波紋度,無表面疵病和亞表面損傷,具有完整的晶格結構[3]。機械學說、化學學說和流布學說等是光學玻璃的三種拋光機理,一般認為光學零件的拋光過程是三種機理共同作用下,與拋光頭表面接觸區域地光學玻璃表面的材料發生機械微切、分子流動和化學水解反應等實現光滑表面的拋光。

    2.超光滑表面加工方法

    2.1 古典法

    古典法加工超光滑表面是利用光學零件與拋光盤之間產生相對運動,在拋光液的機械、化學和熱的表面流動作用下,實現光學零件表面材料的微量去除,從而得到高質量的光學零件表面。拋光盤一般由聚氨酯、柏油等材料制作而成,在主軸的帶動下可以繞自身作旋轉運動;光學零件置于拋光盤的上面作左右擺動運動,并且在拋光盤的帶動下繞自身作旋轉運動。古典法加工超光滑表面光學零件具有成本低和設備簡單等優點,主要通過對拋光盤、拋光液、主軸轉速和擺動速度等工藝因素的精細化研究來實現光學零件的超光滑表面加工。然而,高技術工人是影響古典法實現超光滑光學零件表面加工的重要因素,主要依賴工人的手工操作,適合于單件小批量生產。氣囊拋光頭的密封材料和拋光材料都具有很好的柔韌性,其拋光材料能很好的實現與不同類型的光學零件表面的完全貼合接觸,從而保證零件表面材料的均勻去除。

    2.2 磁流變拋光技術

    磁流變拋光技術利用磁流變液形成的柔性拋光盤對光學零件進行拋光。磁流變拋光液由拋光粉、表面活性劑、基載液和磁性微粒等組成,未受磁場作用時,磁流變液呈現出流體狀態,在磁場的作用下,磁流變液可形成類似于半固體狀態的Bingham介質。拋光光學零件時,磁流變液在磁場的作用下發生流變效應形成Bingham介質的拋光磨頭,拋光粉顆粒懸浮拋光磨頭的上表面,當拋光磨頭與光學零件之間產生相對運動時,夾持在兩者之間的拋光粉顆粒實現對光學零件表面的材料去除而完成拋光。在磁流變液的磁場飽和度范圍內,保持拋光磨頭與光學零件之間的間隙固定,磁場強度的增大,Bingham介質所形成的拋光磨頭硬度越大,提供給拋光粉的切削壓力隨著增大,光學零件表面的材料去除率越高。磁流變拋光技術具有拋光亞表層損傷很小和拋光磨頭基本不磨損等優點,然而拋光加工成本較高。

    2.3 氣囊拋光技術

    氣囊拋光是一種利用氣囊拋光頭對光學零件進行加工的方法。氣囊拋光磨頭是氣囊拋光技術的重要組成部分,主要包含基體、密封層和拋光材料等部分,基體和密封層形成氣室,拋光材料覆蓋在密封層的表面。拋光光學零件時,氣囊拋光頭的拋光材料與工件表面進行接觸,通過調節氣室內的充氣量多少來實現接觸區域表面壓力的不同,氣室內的充氣量大,接觸區域光學零件表面受到的壓力大,去除率大,反之,氣室內的充氣量小,接觸區域的光學零件表面受到的壓力小,去除率小。因此,通過調整氣室內的充氣量多少可以控制光學零件表面的材料去除率和表面精度。目前,氣囊拋光頭的形式主要有球冠型和環型兩類,球冠型即氣囊拋光頭在充氣后的表面拋光材料外形為球冠,環型即氣囊拋光頭在充氣后的表面拋光材料外形為環型。氣囊拋光技術具有拋光效率高、低成本和適用性強等優點,然而,由于氣囊拋光頭在接觸區域有磨損,光學零件表面存在邊緣效應,故對機床要求高。

    3.結論

    光學零件的超光滑表面加工技術是一個國家精密加工技術的重要體現,國外在光學零件超光滑表面加工技術已經應用于商業化,然而,我國超光滑表面的加工還處于單件、小批量的人工生產,大多數科研院所的研究也集中于拋光技術的初級階段,特別是未形成商業化的加工設備。因此,先進的超光滑表面加工技術和設備是今后一段時間研究的重點。

    參考文獻

    [1]楊力.先進光學制造技術發展研究[J].光學技術,1998(03):2-5.

    [2]王文博.大口徑快速拋光機設計與相關問題研究.中原工學院碩士學位論文,2015.

    [3]馬占龍,劉健,王君林.超光滑光學表面加工技術發展及應用.激光與光學電子進展,2011,48(08):71-77.

    作者簡介:王新海(1984-),男,陜西西安人,講師,主要從事精密加工及機械設計方面的研究。

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