浮法抛光超光滑表面加工技术Word文件下载.docx

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靠传统的体会依靠性的光学加工方法是不能满足日益进展的光学、电子学要求的。

国内外已有许多科学家在探究加工高精度超光滑表面的各种技术。

一样原子直径小于0.3nm，而超光滑表面微观起伏的均方根值为几个原子的尺寸，因此实现超光滑表面加工的关键在于实现表面材料原子量级的去除。

1997年，日本大坂大学的难波义治教授发明了浮法抛光（FloatPolishing）加工超光滑表面技术。

通过使用这项技术，可使刚玉单晶的平面面形达到λ/20，表面粗糙度低于1nmRz。

1987年的研究报告说明，使用浮法技术进行多种材料的抛光实验，对φ180mm的工作，能够达到表面粗糙度优于o.2nmrms，平面度优于λ/20=0.03μm。

目前在日本，浮法抛光技术应用专门广泛，专门是用于录音机、录像机或运算机的磁头生产；

每年有2500万个磁头确实是采纳这项技术制造的。

近年来，德国也在研究类似抛光技术。

德国Ulm大学的欧威（O.Weis）研究说明，对白宝石材料的φ7mm的工件进行抛光，30分钟后达到表面粗糙度小于0.05nm的结果。

将浮法抛光样品与一般抛光样品比较能够发觉浮法抛光有许多优点。

一般沥青式抛光使用硬度大于工件的磨料，也能够获得所谓超光滑表面的粗糙度指标，但对磨盘的平面度的修正专门有讲究，这阻碍到被抛光工件的面形。

一般抛光后的工件，其边缘几何尺寸总不太好，经常有塌边或翘边现象；

同时在高倍显微镜下能够看到表面有塑性畸变层。

应用浮法抛光法技术获得的超光滑表面，不仅具有较好的表面粗糙度和边缘几何形状，而且抛光晶风光有理想完好的晶格，亚表面没有破坏层，同时由抛光引起的表面残余应力极小。

二、浮法抛光机的机械结构与抛光过程

浮法抛光机的机械构造类似于定摆抛光机。

在对工件进行浮法抛光前，被加工工件第一要进行预抛光，干燥。

就能够浮法抛光。

抛光过程中，抛光液随磨盘旋转；

由于流体运动产生动压，工件与磨盘之间形成一层薄薄的液膜，使得工件浮在磨盘上旋转，保持软接触。

液体旋转时的离心作用使抛光液中粒度稍大的颗粒被甩到四周，并慢慢沉到底部，如此夹在磨盘与工件间的液膜中的磨料越来越精细平均；

被加工光学表面越来越光滑，最后达到超光滑。

工件的面形要紧由磨盘面形决定，浮法抛光中，由于锡材料本身的特性，其硬度及流淌性适中，在抛光中锡盘的磨损能够忽略，因而锡盘的平面度是专门容易操纵的；

如此保证了工件面形的稳固性。

传统抛光的体会性要紧是由于沥青盘的抛光中变形决定的；

使用锡盘后，这种体会性抛光就能够成为稳固抛光。

三、浮法抛光的去除机理

浮法抛光表面粗糙度可达到亚纳米量级，接近原子尺寸，工件材料的去除是原子水平上进行的。

工件表面原子在磨料微粒的撞击作用下脱离工件主体，从而被去除。

原子的去除过程，是磨料与工件在原子水平的碰撞、扩散、填补过程。

四、磨料的选取

依照去除机理，利用外表面层与主体原子结合能的差异，任何材料都可作为磨料去除工件表层原子，能够获得无晶格错位与畸变的表面。

在进行浮法超光滑表面的抛光中，选择合适的材料作为磨料专门重要。

一样用于浮法抛光的磨料为粒度约7nm的SiO2微粉。

综上所述，浮法抛光技术的关键在于：

1.高面形精度的锡盘，以此来保证工件面形的高精度。

2.粒度小于20nm的磨料，目的在于增大工件与磨盘的接触面积，增多磨料颗粒与工件表面的碰撞机会，达到原子量级去除的目的。

3.抛光液将工件和磨盘浸没，靠流体作用形成工件与磨盘间液膜，为磨料颗粒与工件的碰撞提供环境。

五、我国的研究现状

长春光机所应用光学国家重点实验室，在短波段光学的带动下，从1992年开始研究浮法抛光技术，已研制出一台抛光原理样机，并进行了大量实验。

目前对K9玻璃样片的抛光实验结果说明，表面粗糙度优于1nmRa。

所使用磨料粒度约为25nm。

有关实验正在连续进行，同时一台高精度的浮法抛光实验样机正在研制中。

〔来源：

«

光学技术»

1995年第3期〕

运算机操纵光学加工过程中的技术难点及解决方法

0引言

　　运算机操纵表面成形（ComputerControlledOpticalSurfacing,简称CCOS）是七十年代初进展起来的一门新兴光学加工技术，它利用运算机操纵一个比被加工工件小得多的研磨头或抛光头在工件表面上移动，通过操纵磨头与工件间的相对运动速度，压力以及磨头在表面某一区域的停留时刻实现对材料去除量的操纵。

由于运算机数据处理速度快、操纵准确、经历可靠，因此，能够极大提高工作效率及加工质量，降低对操作人员技术的依靠性，因此具有宽敞的进展前景。

目前国外应用这一技术差不多加工出各种大口径周密光学表面，包括手工难以加工的对称或非对称的非球面。

　　应用该技术形成一个高精度的光学表面的原理框图。

如图1所示。

图1CCOS加工流程示意图

1CCOS的差不多原理

　　描述材料去除量与其阻碍因素之间关系的数学模型是Preston方程：

（1）

式中

——单位时刻材料去除量；

K——与加工条件及材料性能有关的系数；

P——磨头与工件间的相对压力；

V——磨头与工件间的相对运动速度。

　　定义磨头的工作函数R（x,y）为磨头覆盖区域内材料去除量的分布函数：

R（x,y）=K∫TOV（x,y,t）·

P（x,y,t）dt，

式中T——加工周期。

假设考虑压力P为常量，那么t式变为：

　　R（x,y）=KP∫TOV（x,y,t）dt定义D（x,y）为磨头中心在表面任一点（x,y）周围区域的驻留时刻函数，并考虑当小磨头与工件表面吻合良好且加工过程中不露出工件边缘时压力P为常量，如此在工件表面上移动磨头并在每一区域停留相应的时刻，然后将各区域材料去除量叠加起来即可确定整个表面的材料去除量，它是磨头的工作函数与驻留时刻的卷积，即：

Z（x,y）=R（x,y）**D（x,y）　　　　

（2）

式中**——两维卷积。

设原始表面误差为W0（x,y），那么加工后表面误差W（x,y）为：

W（x,y）=W0（x,y）-NR（x,y）**D（x,y）　　　　（3）

N为加工次数，（3）式确实是运算机模拟的最重要的理论依据。

2CCOS加工中的关键问题及解决方法

　　一样光学加工的差不多步骤为：

成形粗磨、精磨抛光，衡量每一过程加工质量的指标是：

面形误差的收敛速度；

下表面破坏层深度的操纵；

边缘磨削量的操纵，即边缘效应的去除。

上述环节解决的好坏将直截了当阻碍到被加工工件的表面质量，处理好这些技术难点多年来一直为各国光学技术人员所关注〔１〕。

　　本文在理论分析及工艺实验的基础上做了以下研究。

图2下表面结构示意图

　　2.1微量磨削技术（Microgrinding）的研究

　　传统的抛光工序一样在被加工表面RMS误差为1～3μm时开始，这时研磨工序在工件下表面留下一个裂纹层，称之为破坏层，其深度可达几个微米甚至更多，如图2所示。

它的存在会严峻阻碍光学零件的表面质量，必须抛掉，但由于抛光工艺的加工效率较低，要抛去这一破坏层需要好几个加工周期，加工效率极大降低；

另外由于传统研磨后工件的表面质量专门差，不能进行定量的干涉测量，从而也就不能提供数据指导CCOS加工。

这一直是CCOS过程中急待解决的问题。

　　本文提出用固着金刚石丸片为磨头，在细磨和抛光工序之间加入微量磨削工序，通过大量工艺实验获得了最正确工艺参数组合〔２〕，加工后的工作表面可直截了当进行干涉计量，并使下表面破坏层深度降至最低。

如图3所示，这一结果提高了细磨和抛光时期的加工及检测效率，使CCOS技术前进了一步。

（a）微量磨削后可直截了当进行干涉计量的表面（b）裂纹层深度已降低，包含在

表面粗糙度起伏当中（1000×

）

图3固着金刚石丸片微磨削结果

　　2.2边缘效应的排除

　　本文提到的CCOS技术，保持压力恒定靠操纵磨头在工件表面的驻留时刻来操纵去除量，因此当磨头移动到工件边缘而不露边时，由于最边缘区域的相对加工时刻小于中间区域，那么去除量减少，工件发生〝翘边〞；

反之，当磨头部份露出工件边缘时，由于相对压力增大，使边缘区域去除量增加，工件发生〝塌边〞。

这两种现象都使工件边缘去除量难以操纵，严峻阻碍面形误差收敛，称之为边缘效应。

我们通过理论运算及实验研究，确定了磨头在工件边缘区域运动时的修正函数，经修正使边缘误差得以收敛，从而排除了边缘效应〔３〕。

　　该方法的差不多思路是：

设工件边缘面形误差函数为E（x,y），而磨头露边后由于压力P不恒定，那么工作函数的修正函数为：

Rm（x,y）=R（x,y）·

P（x,y,n）

式中P（x,y,n）——边缘区域磨头与工件间的相对压力；

n——与露边程度等因素有关的变量。

如此利用卷积迭代法，以E（x,y）为迭代初值，便可求出边缘区域去除量，即：

Zm（x,y）=Rm（x,y）**E（x,y）

**表示卷积。

按上式操纵修抛就可使边缘误差收敛，实验结果如图4所示。

3FSGJ-1型非球面自动加工机床介绍

　　3.1设计特点

　　这是一台四轴联动集成形、抛光及在线检测于一体的非球面自动加工机床。

它能够沿着X，Y，Z轴移动，还能够沿着C轴转动，如此便可加工各种球面和非球面，专门是非回转对称的离轴非球面。

最大加工直径为Φ600mm，相对孔径为1∶4。

　　3.2工艺实验情形

图4边缘去除量的操纵结果

　　应用自行编制的应用程序可依照面形误差自动选择加工方案并生成加工代码，从而指导CNC单元操纵加工，通过几个加工周期可使面形误差收敛。

4终止语

　　CCOS技术极大提高了加工精度及效率，实验证明其差不多理论正确；

本文研制的FSGJ-1型非球面自动加工机床性能可靠，适用于非球面的加工；

CCOS中关键问题〝边缘效应〞的解决方法已在该机床上得到验证，用加工非球面的方法抛光中Φ230mm的球面仅用15小时便使面形误差下降到

（1）/（8）λRMS，而且边缘误差得到了专门好的操纵，其波动在±

15%之间，完全满足光学表面的要求。

磁流变抛光技术*

张　峰　　余景池　　张学军　　王权陡

　　摘　要　对磁介质辅助抛光技术20年来的进展作了简要的回忆,进而介绍了磁流变抛光技术的产生和进展背景、抛光机理及微观说明、数学模型,同时提出了这种抛光技术的关键所在,并对其进展以后进行了展望。

　　关键词　磁介质辅助抛光　磁流变抛光　磁流变抛光液　凸缎带　抛光区

　　中图分类号　TQ171.684　　文献标识码　A

MagnetorheologicalFinishingTechnology

ZHANGFeng,YUJing-Chi,ZHANGXue-Jun,WANGQuan-Dou