熔石英玻璃高效低缺陷磁辅助抛光

叶卉; 李晓峰; 崔壮壮; 姜晨

doi:10.37188/OPE.20223015.1857

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熔石英玻璃高效低缺陷磁辅助抛光

平面光学元件的设计、制造及应用 | 更新时间：2022-08-16

- 熔石英玻璃高效低缺陷磁辅助抛光
- Magnetic-assisted polishing of fused silica optics with high efficiency and low defects
- 光学精密工程 2022年30卷第15期页码：1857-1867
- 作者机构：
  
  上海理工大学机械工程学院，上海200093
- 作者简介：
  
  [ "叶　卉（1989-），女，福建人，博士，副教授，硕士生导师，2016年于厦门大学获得博士学位，主要研究方向为超精密加工与光学材料激光损伤性能优化等。E-mail： yehui513@usst.edu.cn" ]
  [ "李晓峰（1996-），男，山西晋城人，硕士研究生，2019年于安徽建筑大学获得学士学位，主要研究方向为精密与超精密抛光加工技术。E-mail：1144654497@qq.com" ]
- 基金信息：
  
  上海市青年科技英才扬帆计划资助项目(18YF1417700)
- DOI：10.37188/OPE.20223015.1857
  中图分类号： TH162.1
- 收稿日期：2022-04-02，
  
  修回日期：2022-05-10，
  
  纸质出版日期：2022-08-10
- 稿件说明：
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叶卉,李晓峰,崔壮壮等.熔石英玻璃高效低缺陷磁辅助抛光[J].光学精密工程,2022,30(15):1857-1867.

YE Hui,LI Xiaofeng,CUI Zhuangzhuang,et al.Magnetic-assisted polishing of fused silica optics with high efficiency and low defects[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(15):1857-1867.
叶卉,李晓峰,崔壮壮等.熔石英玻璃高效低缺陷磁辅助抛光[J].光学精密工程,2022,30(15):1857-1867. DOI： 10.37188/OPE.20223015.1857.

YE Hui,LI Xiaofeng,CUI Zhuangzhuang,et al.Magnetic-assisted polishing of fused silica optics with high efficiency and low defects[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(15):1857-1867. DOI： 10.37188/OPE.20223015.1857.

摘要

为了实现熔石英元件的高效低缺陷加工，研究了基于磁辅助抛光技术的元件材料去除特性和表面质量形成机制。采用不同抛光间隙和不同铁粉体积比的磁性抛光液对研磨后的熔石英元件进行磁辅助抛光，并对元件材料去除率、抛光斑轮廓、表面粗糙度和透过率进行评价，结合空间磁感应强度仿真和抛光压力分析，确定加工参数对元件加工效率和表面质量的影响规律。结果表明：材料深度去除率随空间磁感应强度的增强呈幂函数上升且随抛光液中铁粉体积比增加而显著提升，低空间磁场强度和低铁粉体积比的抛光液有利于促进以化学去除为主的磁辅助弹性抛光从而获得光洁表面。小抛光间隙（0.5 mm）及高铁粉体积比（14.18%）的抛光液可实现最大材料深度去除率0.439 2 μm/min和体积去除率1.49×10

/min，大抛光间隙（1.5 mm）及低铁粉体积比（9.93%）的抛光液能够获得粗糙度

低至8.1 nm的光滑表面。

Abstract

To achieve high-efficiency and low-defect machining of fused silica optics， the material removal characteristics and surface quality formation mechanism based on magnetically assisted polishing technology were studied. Magnetic polishing fluid with different degrees of polishing clearance and different volume ratios of iron powders was used to conduct magnetically assisted polishing of lapped fused silica optics. The material removal rate， profile of polished spots， surface roughness， and transmittance of samples were evaluated， and the effects of the processing parameters on processing efficiency and surface quality were determined by combining a spatial magnetic flux intensity simulation and polishing pressure analysis. Results show that the material depth removal rate increases as a power function with the magnetic flux intensity and rises significantly with the volume ratio of iron powders in the polishing fluid. In addition， polishing fluid with a low spatial magnetic field intensity and low volume ratio of iron powders can facilitate material removal in the elastic domain， resulting in a smooth surface. A small polishing clearance of 0.5 mm and high iron powder volume ratio of 14.18% in the polishing fluid can obtain maximum depth removal and volume removal rates of 0.439 2 μm/min and 1.49 × 10

/min， respectively. A large polishing gap of 1.5 mm and a low volume ratio of iron powders of 9.93% generates a smooth surface with

roughness as low as 8.1 nm.

关键词

Keywords

references

戴一帆，钟曜宇，石峰，等 . 强光光学元件加工技术发展［J］. 中国机械工程， 2020 ， 31 （ 23 ）： 2788 - 2797 . doi: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.23.003 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.23.003

DAI Y F ， ZHONG Y Y ， SHI F ， et al . Development of high-light optical element processing technology ［J］. China Mechanical Engineering ， 2020 ， 31 （ 23 ）： 2788 - 2797 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.23.003 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.23.003

YE H ， LI X F ， JIANG C . Etching behavior of ground fused silica and light enhancement modulated by surface/subsurface cracks ［J］. International Journal of Applied Glass Science ， 2022 ： doi.org/10.1111/ijag.16563.

叶卉，李亚国，姜晨，等 . 湿法化学刻蚀技术处理抛光熔石英元件［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 2 ）： 382 - 389 . doi: 10.1007/s12633-019-00150-4 http://dx.doi.org/10.1007/s12633-019-00150-4

YE H ， LI Y G ， JIANG CH ， et al . Processing fused silica with wet chemical technology ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2020 ， 28 （ 2 ）： 382 - 389 . （in Chinese） . doi: 10.1007/s12633-019-00150-4 http://dx.doi.org/10.1007/s12633-019-00150-4

YE H ， LI Y G ， XU Q ， et al . Resistance of scratched fused silica surface to UV laser induced damage ［J］. Scientific Reports ， 2019 ， 9 ： 10741 . doi: 10.1038/s41598-019-46048-4 http://dx.doi.org/10.1038/s41598-019-46048-4

TANI Y ， KAWATA K ， NAKAYAMA K . Development of high-efficient fine finishing process using magnetic fluid ［J］. CIRP Annals ， 1984 ， 33 （ 1 ）： 217 - 220 . doi: 10.1016/s0007-8506(07)61412-7 http://dx.doi.org/10.1016/s0007-8506(07)61412-7

JIAO L ， WU Y ， WANG X ， et al . Fundamental performance of Magnetic Compound Fluid （MCF） wheel in ultra-fine surface finishing of optical glass ［J］. International Journal of Machine Tools and Manufacture ， 2013 ， 75 ： 109 - 118 . doi: 10.1016/j.ijmachtools.2013.09.003 http://dx.doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2013.09.003

白杨，张峰，李龙响，等 . 碳化硅基底改性硅表面的磁流变抛光［J］. 光学学报， 2015 ， 35 （ 3 ）： 316 - 323 . doi: 10.3788/aos201535.0322007 http://dx.doi.org/10.3788/aos201535.0322007

BAI Y ， ZHANG F ， LI L X ， et al . Manufacture of silicon modification layer on silicon carbide surface by magnetorheological finishing ［J］. Acta Optica Sinica ， 2015 ， 35 （ 3 ）： 316 - 323 . （in Chinese） . doi: 10.3788/aos201535.0322007 http://dx.doi.org/10.3788/aos201535.0322007

JIANG C ， HUANG J L ， JIANG Z Y ， et al . Estimation of energy savings when adopting ultrasonic vibration-assisted magnetic compound fluid polishing ［J］. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology ， 2021 ， 8 （ 1 ）： 1 - 11 . doi: 10.1007/s40684-019-00167-5 http://dx.doi.org/10.1007/s40684-019-00167-5

SHI F ， SHU Y ， DAI Y F ， et al . Magnetorheological elastic super-smooth finishing for high-efficiency manufacturing of ultraviolet laser resistant optics ［J］. Optical Engineering ， 2013 ， 52 （ 7 ）： 075104 . doi: 10.1117/1.oe.52.7.075104 http://dx.doi.org/10.1117/1.oe.52.7.075104

GUO H ， WU Y ， LU D ， et al . Effects of pressure and shear stress on material removal rate in ultra-fine polishing of optical glass with magnetic compound fluid slurry ［J］. Journal of Materials Processing Technology ， 2014 ， 214 ： 2759 - 2769 . doi: 10.1016/j.jmatprotec.2014.06.014 http://dx.doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2014.06.014

YE H ， LI Y G ， ZHANG Q H ， et al . Post-processing of fused silica and its effects on damage resistance to nanosecond pulsed UV lasers ［J］. Applied Optics ， 2016 ， 55 （ 11 ）： 3017 - 3025 . doi: 10.1364/ao.55.003017 http://dx.doi.org/10.1364/ao.55.003017

YE H ， LI Y G ， YUAN Z G ， et al . Ultrasonic-assisted wet chemical etching of fused silica for high-power laser systems ［J］. International Journal of Applied Glass Science ， 2018 ， 9 （ 2 ）： 288 - 295 . doi: 10.1111/ijag.12332 http://dx.doi.org/10.1111/ijag.12332

YANG X ， GAO S . Analysis of the crack propagation mechanism of multiple scratched glass-ceramics by an interference stress field prediction model and experiment ［J］. Ceramics International ， 2022 ， 48 （ 2 ）： 2449 - 2458 . doi: 10.1016/j.ceramint.2021.10.026 http://dx.doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.10.026

LI Y G ， YE H ， YUAN Z G ， et al . Generation of scratches and their effects on laser damage performance of silica glass ［J］. Scientific Reports ， 2016 ， 6 ： 34818 . doi: 10.1038/srep34818 http://dx.doi.org/10.1038/srep34818

焦黎，吴勇波，郭会茹 . 磁场分布对磁性复合流体抛光材料去除率的影响［J］. 机械工程学报， 2013 ， 49 （ 17 ）： 79 - 84 . doi: 10.3901/jme.2013.17.079 http://dx.doi.org/10.3901/jme.2013.17.079

JIAO L ， WU Y B ， GUO H R . The effect of magnetic field distribution on material removal in magnetic compound fluid wheel polishing ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2013 ， 49 （ 17 ）： 79 - 84 . （in Chinese） . doi: 10.3901/jme.2013.17.079 http://dx.doi.org/10.3901/jme.2013.17.079

彭小强，戴一帆，李圣怡 . 磁流变抛光的材料去除数学模型［J］. 机械工程学报， 2004 ， 40 （ 4 ）： 67 - 70 . doi: 10.3321/j.issn:0577-6686.2004.04.013 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:0577-6686.2004.04.013

PENG X Q ， DAI Y F ， LI SH Y . Material removal model of magnetorheological finisfflng ［J］. Chinese Journal of Mechanical Engineering ， 2004 ， 40 （ 4 ）： 67 - 70 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:0577-6686.2004.04.013 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:0577-6686.2004.04.013

叶卉，李晓峰，段朋云，等 . 光学元件磁性复合流体抛光特性研究［J］. 上海理工大学学报， 2021 ， 43 （ 4 ）： 342 - 348 .

YE H ， LI X F ， DUAN P Y ， et al . Magnetic compound fluid polishing characteristics of optical elements ［J］. Journal of University of Shanghai for Science and Technology ， 2021 ， 43 （ 4 ）： 342 - 348 . （in Chinese）

WANG C J ， CHEUNG C F ， HO L T ， et al . A novel magnetic field-assisted mass polishing of freeform surfaces ［J］. Journal of Materials Processing Technology ， 2020 ， 279 ： 116552 . doi: 10.1016/j.jmatprotec.2019.116552 http://dx.doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2019.116552

PENG W Q ， GUAN C L ， LI S Y . Ultrasmooth surface polishing based on the hydrodynamic effect ［J］. Applied Optics ， 2013 ， 52 （ 25 ）： 6411 - 6416 . doi: 10.1364/ao.52.006411 http://dx.doi.org/10.1364/ao.52.006411

吕汉峰 . 光学元件磁流变抛光去损伤加工工艺研究［D］. 长沙：国防科学技术大学， 2010 .

LÜ H F . Research on Removing Damage of Optical Components Based on Magnetorheological Finishing Techniques ［D］. Changsha ： National University of Defense Technology ， 2010 . （in Chinese）

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