小曲率凹面光学玻璃的磁性混合流体精密抛光

陆政凯; 郭会茹; 吴勇波

doi:10.37188/OPE.20233109.1314

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

小曲率凹面光学玻璃的磁性混合流体精密抛光

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2026-09-12

- 小曲率凹面光学玻璃的磁性混合流体精密抛光
- Magnetic compound fluid polishing of concave optical glass with small curvature
- 光学精密工程 2023年31卷第9期页码：1314-1324
- 作者机构：
  
  1.武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，湖北武汉 430070
  2.南方科技大学机械与能源工程系，广东深圳 518005
- 作者简介：
  
  陆政凯（1998-），男，江苏昆山人，硕士研究生，2020年于武汉理工大学获得学士学位，主要从事磁场辅助抛光的研究。E-mail： 940063873@qq.com
  郭会茹（1985-），女，河南灵宝人，博士，讲师，2008年于西北农林科技大学获得学士学位，2010年于大连理工大学获得硕士学位，2014年于日本秋田县立大学获得博士学位，主要从事磁场辅助光学材料超精密抛光方面的研究。E-mail：guohuiru85@163.com
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金(51805394;61503290)
- DOI：10.37188/OPE.20233109.1314
  中图分类号： TG664;TH744
- 收稿：2022-11-02，
  
  修回：2022-12-07，
  
  纸质出版：2023-05-10
- 稿件说明：
移动端阅览
陆政凯,郭会茹,吴勇波.小曲率凹面光学玻璃的磁性混合流体精密抛光[J].光学精密工程,2023,31(09):1314-1324.

LU Zhengkai,GUO Huiru,WU Yongbo.Magnetic compound fluid polishing of concave optical glass with small curvature[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(09):1314-1324.
陆政凯,郭会茹,吴勇波.小曲率凹面光学玻璃的磁性混合流体精密抛光[J].光学精密工程,2023,31(09):1314-1324. DOI： 10.37188/OPE.20233109.1314.

LU Zhengkai,GUO Huiru,WU Yongbo.Magnetic compound fluid polishing of concave optical glass with small curvature[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(09):1314-1324. DOI： 10.37188/OPE.20233109.1314.

摘要

为实现小曲率凹球面光学玻璃的高效超精密抛光，充分发挥旋转磁场下磁性混合流体兼具黏度和粒子动态分布的特点，提出了一种新型半球头抛光装置。使用Ansoft Maxwell仿真分析轴向充磁圆柱永磁体及其上方分别加装平面铁块和凹面铁块3种磁源结构下的磁场分布，发现加装凹面铁块能强化“边缘效应”，获得更集中分布的大磁场区，进一步仿真优化磁体尺寸和偏心距。比较不同抛光液组分和磁体偏心距下的磁性混合流体行为，确定了抛光液的最佳组分以及磁体偏心距。最后，对曲率半径为15.4 mm、中心深度为2.24 mm的凹球面K9玻璃进行抛光实验，90 min后，面形精度RMS由0.719 μm降低至11.7 nm，表面粗糙度

由0.552 μm降低至9.656 nm。新型抛光装置能够实现小曲率凹球面工件的高效纳米级抛光。

Abstract

To realize efficient ultra-precision polishing of concave spherical optical glass with small curvature， a hemispherical head polishing device based on magnetic compound fluid （MCF） with a high apparent viscosity and stable distribution is proposed. First， the magnetic-field distribution of three different magnetic sources （axial magnetized cylindrical permanent magnet with a planar iron board and concave iron board installed above it） is simulated with the use of ANSOFT Maxwell. It is found that the addition of the concave iron board can strengthen the corner effect， and the magnetic field can be more concentrated. The dimensions of the magnetic sources and magnet eccentricity are optimized according to the simulation results. Second， by observing and comparing the behavior of the MCF slurry with different compositions and magnet eccentricities on the polishing head， the composition of the MCF slurry and magnet eccentricity are determined. Finally， a polishing experiment is performed on the concave spherical K9 glass workpiece with a curvature radius of 15.4 mm and center depth of 2.24 mm using the optimized polishing solution and self-made polishing device. Following 90 min of polishing， the root-mean-square （RMS） of the workpiece surface is reduced from 0.719 μm to 11.7 nm， and the surface roughness （

） is reduced from 0.552 μm to 9.656 nm. It is verified that the designed polishing device can achieve efficient nan

oscale polishing of concave spherical workpieces with small curvature.

关键词

Keywords

references

张韬，何建国，黄文，等 . 机械轴与虚拟轴复合的磁流变抛光［J］. 光学精密工程， 2021 ， 29 （ 2 ）： 286 - 296 . doi: 10.37188/OPE.20212902.0286 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212902.0286

ZHANG T ， HE J G ， HUANG W ， et al . Magnetorheological finishing method that combines mechanical and virtual axes ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2021 ， 29 （ 2 ）： 286 - 296 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20212902.0286 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212902.0286

钟显云 . 深紫外光刻物镜系统非球面的磁流变精抛技术研究［D］. 成都：中国科学院光电技术研究所， 2020 .

ZHONG X Y . Research on Ultra-precision Magnetorheological Finishing （ MRF ） Technology for Aspheric of Deep Ultraviolet Lithography Objective System ［D］. Chengdu ： Institute of Optics and Electronics， Chinese Academy of Sciences ， 2020 . （in Chinese）

TIAN J C ， LIU H N ， CHENG J ， et al . Improving the small ball-end magnetorheological polishing efficiency of fused silica workpiece by the promoting effect of water-bath heating and sodium hydroxide addition on polishing velocity and chemical reaction ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， 2022 ， 123 （ 1 ）： 645 - 656 . doi: 10.1007/s00170-022-10180-9 http://dx.doi.org/10.1007/s00170-022-10180-9

PENG Y F ， SHEN B Y ， WANG Z Z ， et al . Review on polishing technology of small-scale aspheric optics ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， 2021 ， 115 （ 4 ）： 965 - 987 . doi: 10.1007/s00170-021-07202-3 http://dx.doi.org/10.1007/s00170-021-07202-3

YIN S H ， JIA H P ， ZHANG G H ， et al . Review of small aspheric glass lens molding technologies ［J］. Frontiers of Mechanical Engineering ， 2017 ， 12 （ 1 ）： 66 - 76 . doi: 10.1007/s11465-017-0417-2 http://dx.doi.org/10.1007/s11465-017-0417-2

CAO M C ， ZHAO H Y ， XIE R Q ， et al . Multiparameter optimization design of chemical mechanical polishing for planar optics ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， 2021 ， 113 （ 7 ）： 2153 - 2162 . doi: 10.1007/s00170-021-06743-x http://dx.doi.org/10.1007/s00170-021-06743-x

王之恒 . 非球面光学元件离子束抛光技术研究［D］. 西安：西安工业大学， 2019 .

WANG ZH H . Research on Ion Beam Polishing Technology of Aspherical Optical Components ［D］. Xi'an ： Xi'an Technological University ， 2019 . （in Chinese）

张旭 . 中大口径光学元件离子束抛光控制技术研究［D］. 长春：长春理工大学， 2019 .

ZHANG X . Study on Control Technology of Ion Beam Figuring for Medium and Large Aperture Optical Components ［D］. Changchun ： Changchun University of Science and Technology ， 2019 . （in Chinese）

WALKER D D ， FREEMAN R ， MORTON R ， et al . Use of the 'Precessions' process for prepolishing and correcting 2D & 2（1/2）D form ［J］. Optics Express ， 2006 ， 14 （ 24 ）： 11787 - 11795 . doi: 10.1364/oe.14.011787 http://dx.doi.org/10.1364/oe.14.011787

石峰，戴一帆，彭小强，等 . 磁流变抛光消除磨削亚表面损伤层新工艺［J］. 光学精密工程， 2010 ， 18 （ 1 ）： 162 - 168 .

SHI F ， DAI Y F ， PENG X Q ， et al . Removal of subsurface damage in grinding by magnetorheological finishing ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2010 ， 18 （ 1 ）： 162 - 168 . （in Chinese）

袁胜豪，张云飞，余家欣，等 . 磁流变抛光中表面彗尾状缺陷的生成与演变行为［J］. 光学精密工程， 2021 ， 29 （ 4 ）： 740 - 748 . doi: 10.37188/OPE.2020.0499 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.2020.0499

YUAN SH H ， ZHANG Y F ， YU J X ， et al . Formation and evolution behavior of comet-tail defects in magnetorheological finishing ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2021 ， 29 （ 4 ）： 740 - 748 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.2020.0499 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.2020.0499

ZHANG P ， DONG Y Z ， CHOI H J ， et al . Reciprocating magnetorheological polishing method for borosilicate glass surface smoothness ［J］. Journal of Industrial and Engineering Chemistry ， 2020 ， 84 ： 243 - 251 . doi: 10.1016/j.jiec.2020.01.004 http://dx.doi.org/10.1016/j.jiec.2020.01.004

潘继生，阎秋生，路家斌，等 . 集群磁流变平面抛光加工技术［J］. 机械工程学报， 2014 ， 50 （ 1 ）： 205 - 212 . doi: 10.3901/jme.2014.01.205 http://dx.doi.org/10.3901/jme.2014.01.205

PAN J SH ， YAN Q SH ， LU J B ， et al . Cluster magnetorheological effect plane polishing technology ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2014 ， 50 （ 1 ）： 205 - 212 . （in Chinese） . doi: 10.3901/jme.2014.01.205 http://dx.doi.org/10.3901/jme.2014.01.205

LIU H N ， CHEN M J ， YU B ， et al . Configuration design and accuracy analysis of a novel magnetorheological finishing machine tool for concave surfaces with small radius of curvature ［J］. Journal of Mechanical Science and Technology ， 2016 ， 30 （ 7 ）： 3301 - 3311 . doi: 10.1007/s12206-016-0639-y http://dx.doi.org/10.1007/s12206-016-0639-y

CHEN M J ， LIU H N ， CHENG J ， et al . Model of the material removal function and an experimental study on a magnetorheological finishing process using a small ball-end permanent-magnet polishing head ［J］. Applied Optics ， 2017 ， 56 （ 19 ）： 5573 - 5582 . doi: 10.1364/ao.56.005573 http://dx.doi.org/10.1364/ao.56.005573

田可，郭会茹，吴勇波，等 . 旋转磁场下非球面工件的磁性混合流体抛光［J］. 金刚石与磨料磨具工程， 2022 ， 42 （ 4 ）： 495 - 503 . doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0211 http://dx.doi.org/10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0211

TIAN K ， GUO H R ， WU Y B ， et al . Magnetic compound fluid polishing of aspheric workpiece under rotating magnetic field ［J］. Diamond & Abrasives Engineering ， 2022 ， 42 （ 4 ）： 495 - 503 . （in Chinese） . doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0211 http://dx.doi.org/10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0211

FENG M ， XIE Y R ， CHEN L R ， et al . Investigation on feasibility of polishing concave surfaces using magnetic compound fluid slurry ［J］. International Journal of Automation Technology ， 2021 ， 15 （ 1 ）： 34 - 40 . doi: 10.20965/ijat.2021.p0034 http://dx.doi.org/10.20965/ijat.2021.p0034

WANG Y Q ， YIN S H ， HU T . Ultra-precision finishing of optical mold by magnetorheological polishing using a cylindrical permanent magnet ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， 2018 ， 97 （ 9 ）： 3583 - 3594 . doi: 10.1007/s00170-018-2199-z http://dx.doi.org/10.1007/s00170-018-2199-z

XU Z Q ， WANG J ， YIN S H ， et al . Compound machining of tungsten alloy aspheric mould by oblique-axis grinding and magnetorheological polishing ［J］. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing ， 2021 ， 22 （ 9 ）： 1487 - 1496 . doi: 10.1007/s12541-021-00504-2 http://dx.doi.org/10.1007/s12541-021-00504-2

SHIMADA K ， TOYOHISA F ， OKA H ， et al . Hydrodynamic and magnetized characteristics of MCF（magnetic compound fluid）［J］. Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers Series B ， 2001 ， 67 （ 664 ）： 3034 - 3040 . doi: 10.1299/kikaib.67.3034 http://dx.doi.org/10.1299/kikaib.67.3034

GUO H R ， WU Y B . Ultrafine polishing of optical polymer with zirconia-coated carbonyl-iron-particle-based magnetic compound fluid slurry ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， 2016 ， 85 （ 1 ）： 253 - 261 . doi: 10.1007/s00170-015-7929-x http://dx.doi.org/10.1007/s00170-015-7929-x

FENG M ， WANG Y L ， WU Y B . Investigation on polishing of zirconia ceramics using magnetic compound fluid： relationship between material removal and surface roughness ［J］. International Journal of Automation Technology ， 2021 ， 15 （ 1 ）： 17 - 23 . doi: 10.20965/ijat.2021.p0017 http://dx.doi.org/10.20965/ijat.2021.p0017

郭会茹，吴勇波，焦黎，等 . Ni-P镀层的磁性混合流体抛光［J］. 机械工程学报， 2013 ， 49 （ 17 ）： 73 - 78 . doi: 10.3901/jme.2013.17.073 http://dx.doi.org/10.3901/jme.2013.17.073

GUO H R ， WU Y B ， JIAO L ， et al . Ultrafine polishing of nickel phosphorus plating with magnetic compound fluid slurry ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2013 ， 49 （ 17 ）： 73 - 78 . （in Chinese） . doi: 10.3901/jme.2013.17.073 http://dx.doi.org/10.3901/jme.2013.17.073

FENG M ， WU Y B ， WANG Y L ， et al . Effect of the components of Magnetic Compound Fluid （MCF） slurry on polishing characteristics in aspheric-surface finishing with the doughnut-shaped MCF tool ［J］. Precision Engineering ， 2020 ， 65 ： 216 - 229 . doi: 10.1016/j.precisioneng.2020.04.021 http://dx.doi.org/10.1016/j.precisioneng.2020.04.021

浏览量

2060

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

阶梯式聚磁永磁定位磁针设计与试验

基于频域滤波面形的毫米级束径离子束驻留时间补偿

微透镜阵列单点金刚石车削补偿技术

光纤耦合系统中角位移台耦合误差建模与修正

光子晶体激光器掩埋纳米孔结构自动量取