小曲率凹面光学玻璃的磁性混合流体精密抛光

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 1 first-author 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 http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43439221&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43439229&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43439223&type= 22.01332855 32.00399780 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 940063873@qq.com 1 corresp E-mail： guohuiru85@163.com E-mail： guohuiru85@163.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 http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43439239&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43439251&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43439241&type= 22.01333618 32.00399780 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 guohuiru85@163.com 2 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 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 Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China 南方科技大学 机械与能源工程系，广东 深圳 518005 南方科技大学 机械与能源工程系，广东 深圳 518005 Department of Mechanical and Energy Engineering， Southern University of Science and Technology， Shenzhen 518005， China Department of Mechanical and Energy Engineering， Southern University of Science and Technology， Shenzhen 518005， China 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 R a 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。 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 （ R a ） is reduced from 0.552 μm to 9.656 nm. It is verified that the designed polishing device can achieve efficient nanoscale polishing of concave spherical workpieces with small curvature. 超精密加工 磁性混合流体 小曲率凹球面 边缘效应 磁场优化 抛光液行为 ultra-precision fabrication magnetic compound fluid concave spherical surface with small curvature corner effect magnetic field optimization behavior of polishing fluid 1 引 言 1 随着光电通信、航空航天等设备的核心部件向着小型化、复杂化发展，对小曲率凹面光学元件的需求不断增加 ［ 1 1 - 3 3 1-3 ］ 。光学玻璃具有高透明度、高均匀性、良好的热稳定性，大量应用在实际生产中 ［ 4 4 ］ 。为得到满足使用要求的低表面粗糙度、高形状精度的小曲率凹面光学玻璃元件，需要对其进行超精密抛光以获得纳米级表面精度。 目前，通常可通过模压成型的非球面玻璃直径需要小于110 mm ［ 5 5 ］ ，传统抛光装置尺寸较大，在抛光直径较小、中心深度较大的小曲率凹面工件时，由于容纳抛光工具的空间较小，常常存在加工干涉问题。化学机械抛光技术受抛光盘结构的限制，难以应用于凹面工件抛光 ［ 6 6 ］ 。离子束抛光技术通常用于大曲率工件抛光和修形，且成本较高，对加工环境有较高要求 ［ 7 7 - 8 8 7-8 ］ 。Walker ［ 9 9 ］ 等使用气囊抛光技术对直径为70 mm、曲率约为44.4 mm的凹面SLAH66 玻璃进行抛光，在约100 min抛光后将工件面形RMS降低至9.492 nm。然而，气囊抛光技术属于接触式抛光，抛光工具存在磨损问题，导致去除函数不稳定，同时抛光工具运动至工件边缘时抛光压力会发生变化，产生塌陷等缺陷。 磁场辅助抛光是一种新型抛光技术，抛光液在磁场作用下变为具有黏塑性的Bingham介质，在抛光区域形成柔性抛光模，在有效去除磨削造成的表面和亚表面缺陷的同时几乎不产生新的缺陷 ［ 10 10 - 11 11 10-11 ］ 。抛光液与工件产生相对运动时在工件表面产生微量去除实现抛光。Zhang ［ 12 12 ］ 等使用轴向充磁的圆柱形电磁铁作为励磁单元，设计往复式抛光装置，在300 min后将平面K9玻璃的粗糙度 R a 由213.2 nm降低至37.2 nm。潘继生 ［ 13 13 ］ 等使用集群磁流变抛光技术，抛光30 min后将平面K9玻璃的 R a 由340 nm降低至1.4 nm。这些抛光装置由于自身结构尺寸较大，只能用于平面工件抛光。针对小曲率工件抛光，Liu ［ 14 14 ］ 等使用直径为4 mm的半球永磁体作为磁源安装在四轴机床上，对最小过渡圆角曲率半径为2.5 mm的熔融石英半球谐振子进行抛光，其内表面粗糙度 R a 由0.53 μm降低至小于18 nm。Chen ［ 15 15 ］ 等使用相同装置将曲率半径为16 mm的凹面K9玻璃的表面粗糙度 R a 由10.4 nm降低至2.4 nm。田可 ［ 16 16 ］ 等将径向充磁的圆柱永磁体安装在半球形抛光头内，对直径为25 mm、中心曲率为51.55 mm的非球面PMMA工件进行抛光，15 min后表面粗糙度 R a 由0.545 μm降低至1.786 nm，但缺乏对更小曲率工件的抛光研究。Feng ［ 17 17 ］ 等将水平放置的径向充磁永磁体安装在圆柱形抛光头内，对半径为0.8 mm的光学玻璃内圆角进行抛光，90 min内将表面粗糙度 R a 由247 nm降低至4 nm，但没有使用该装置对更深凹面进行抛光研究。Wang ［ 18 18 ］ 等根据轴向充磁的圆柱永磁体在两侧端面边缘处的磁通量密度最大，将永磁体斜置对直径为8 mm，中心深度约为0.89 mm的凹非球面碳化钨工件进行抛光，2小时后将 R a 降低至1 nm，但磁场较为分散，去除不均匀。Xu ［ 19 19 ］ 等利用磁轭的漏磁将磁场集中于一点设计新的抛光装置，以实现小曲率凹面工件的抛光，经过170 min后将直径为8 mm，中心深度约为1.12 mm的凹非球面钨合金工件的表面粗糙度 R a 由200 nm降低至0.9 nm，面形精度PV值为0.129 μm，但导磁部件结构较为复杂难于加工。 为解决传统磁性流体（Magnetic Fluid， MF）剪切力不足以及磁流变液（Magnetorheological Fluid， MRF）粒子分散稳定性不佳等问题，Shimada ［ 20 20 ］ 等将MF作为基载液，与磁性颗粒、磨粒、添加剂混合得到磁性混合流体（Magnetic Compound Fluid， MCF）作为抛光液。MCF兼具较好的黏度和粒子分布稳定性，抛光性能良好，目前已实现平面PMMA、氧化锆陶瓷等材料的纳米级抛光 ［ 21 21 - 22 22 21-22 ］ 。 本文提出一种针对小曲率凹面工件的旋转磁场半球头抛光装置。通过仿真分析获得合适的磁源结构，优化磁体尺寸和偏心距。随后研究优化磁场作用下的抛光液行为，选定抛光液成分配比以及偏心距，实现了曲率半径为15.4 mm，中心深度为2.24 mm的凹面K9玻璃的高效超精密抛光。 2 MCF抛光装置设计及参数优化 1 在小曲率凹面工件的抛光中，由于工件曲率较小、中心深度较大，能够容纳抛光工具的空间较小，在对中心位置的抛光中，传统抛光装置受结构尺寸的限制存在加工干涉问题，因此本文使用半球形抛光头 ［ 16 16 ］ 以避免加工干涉。 磁场分布决定着抛光液的分布情况，在磁场辅助抛光中起主要作用。在半球形抛光头的基础上，针对小曲率凹面光学玻璃工件设计磁场发生装置时一方面应产生较大的磁场以提高材料去除效率，另一方面应使抛光头表面的大磁场区域分布较集中，以实现小曲率凹面工件的确定性去除。这里使用仿真软件Ansoft Maxwell对磁场分布和磁通量密度进行分析。 2.1　磁源形状的选择 2 由于存在“边缘效应”，轴向充磁的永磁体两侧端面边缘位置处的磁通量密度最大，并向外辐射。如 图1 图1 所示，轴向充磁的圆柱永磁体端面中心处磁通量密度较小并沿半径方向逐渐增大，在边缘处达到最大值。由磁体边缘向外发散的磁力线在半球形抛光头表面产生如 图2 图2 所示的条形磁场，可以利用该长条形磁场对斜置的小曲率凹面工件进行抛光。而根据磁屏蔽理论，在恒定磁场中加入具有高磁导率物体能够改变磁力线的疏密分布。在磁体上方加装相对磁导率远超磁体材料和空气的纯铁能够屏蔽部分沿磁体轴向发散的磁力线，同时由于铁块具有更大的相对磁导率，磁力线更集中于铁块边缘，并由铁块边缘向外辐射。通过加装铁块能够引导磁力线的分布，从而得到理想的磁场分布。因此，使用仿真软件轴向充磁的圆柱形永磁体及其分别加装平面和凹面铁块时不同的磁场分布进行分析。圆柱形永磁体的直径和高度分别为8，10 mm，平面铁块的中心和边缘高度都为2 mm，凹面铁块的中心和边缘高度分别为2，0.5 mm。 3种磁源在 YOZ 平面的磁力线分布如 图3 图3 所示。由 图3 图3 （a）可知，圆柱永磁体的磁力线主要沿轴向方向发散，在抛光头表面的磁场分布较为分散，最大磁场无法集中于加工区域；如 图3 图3 （b）所示，加装铁块后，沿轴向方向发散的磁力线减少；由 图3 图3 （c）可见，加装凹面铁块后，磁力线被引导至凹面铁块的边缘顶端并向外辐射，使磁场集中在预设的抛光区域。 图4 图4 为抛光头表面磁通量密度沿母线 l' 随 θ （球形抛光头母线 l' 上一点与抛光头球心连线和水平面之间的夹角）的变化情况。使用特斯拉计测量加装凹面铁块时磁通量密度沿曲线 l '随 θ 的变化。磁场测量值的变化情况与仿真值接近，验证了仿真结果的正确性。由 图4 图4 可知，加装铁块后虽然抛光头表面的磁通量密度最大值有所减小，但大磁场区域更集中于 θ 大约为35°圆周的预设抛光区域，抛光头旋转时抛光液与工件之间也能产生相对较大的线速度。因此，在使用凹面铁块时，大磁场区域集中分布在抛光间隙最小的预设抛光区域。抛光液添加在抛光头表面后会在预设抛光区域形成长度最长、剪切屈服强度最大的磁性簇，而在其他位置抛光间隙较大且磁性簇相对较短，不参与实际抛光，从而实现对小曲率凹面工件的高效、确定性去除。 1;2;3; 基于以上分析提出新型抛光装置，抛光原理如 图5 图5 所示。磁源为轴向充磁的圆柱永磁体上方加装凹面铁块，相对抛光头的旋转轴线以偏心距 r 安装，铝制半球抛光头（抛光液载体）位于磁源和工件之间，与铁块尖端间隔 δ 。工件的安装角度 θ 为35°。当一定体积的MCF抛光液供应到抛光头表面时，沿磁力线方向立即形成链状磁性簇。由于有偏心距，磁源旋转时产生的磁通量密度不变，但磁力线方向公转的旋转磁场使磨粒在抛光液中具有动态行为，抛光液具有形状恢复能力。抛光头以 n c 旋转时带动抛光液旋转，磨粒与工件表面产生相对速度，实现对工件的微量去除。 2.2　磁体尺寸的选定 2 图6 图6 所示为磁通量密度由抛光头表面 A 点至工件表面 O '点沿直线 l （如 图5 图5 所示）的变化。可明显看出，磁通量密度随磁体直径和高度的增大而增大，磁体直径超过8 mm，高度超过10 mm时，磁通量密度的增幅明显减小。当偏心距保持一定而磁体直径增大时，抛光头直径随之增大，对小曲率工件抛光时容易产生加工干涉问题；当磁体高度增大时高径比增大，在高速旋转时容易产生晃动问题，因此选择直径为8 mm、高度为10 mm的N35永磁体。由仿真结果可得，此时抛光头和工件表面在抛光区域的磁通量密度最大值分别为219.75 mT和132.34 mT。 2.3　偏心距的选定 2 在MCF旋转磁场抛光研究中，磁体偏心距通常设定为磁体直径的1/6~1/3 ［ 21 21 ， 23 23 ］ ，在此基础上对偏心距1~3 mm下的磁场分布和磁通量密度变化进行研究。抛光头表面的磁场分布如 图7 图7 所示，随着偏心距 r 由1 mm增大到3 mm，抛光头表面磁通量密度的最大值分别为85.6，174.4，220.0 mT，磁场强度较大且更集中。 图8 图8 为磁通量密度沿曲线 l ' 随 θ 的变化，随着偏心距的增大，抛光头表面两侧的磁通量密度相差越大，有助于改善抛光液在抛光头的形状恢复能力，使磨粒具有动态行为。但是，随着偏心距的进一步增大，半球形抛光头的直径会增大，在小曲率凹面工件抛光中容易产生加工干涉问题。因此，选择偏心距 r =3 mm，此时抛光头表面在靠近和远离永磁体两侧的磁通量密度之差较大，利于抛光液恢复形状，无需进一步增大偏心距，同时抛光头尺寸较小，利于小曲率凹面工件抛光。 综上分析，搭建了如 图9 图9 所示的抛光装置。工件夹具固定在机械臂上，凹面K9玻璃工件由夹具夹紧并通过机械臂调整与半球形抛光头间的抛光间隙 Δ 。电机1通过联轴器带动磁体以 n m 的速度公转形成旋转磁场。电机2经皮带轮带动半球头抛光头以 n c 的速度旋转，与工件之间产生相对速度，实现材料去除。 3 抛光机理 1 使用的MCF抛光液由平均粒径为5 μm的羰基铁粉颗粒（Carbonyl Iron Powders， CIPs）、平均粒径为1 μm的非凝聚态α相氧化铝磨粒（Abrasive Particles， Aps）、含有Fe 3 O 4 （粒径约为10 nm）的MF以及平均粒径为50 nm的α纤维组成。当一定体积的抛光液供应到抛光头表面时，抛光液中的磁性纳米颗粒和微米级的CIP颗粒立即沿磁力线形成链状的磁性簇。非磁性的AP颗粒和α纤维分散在磁性簇中，AP颗粒受到磁场影响悬浮在磁性簇外侧，而α纤维与磁性簇相交织，提高了抛光液的黏度 ［ 24 24 ］ 。抛光液成分如 表1 表1 所示，其中，MCF1至MCF5用于研究CIP质量分数的影响，MCF4及MCF6~MCF8用于研究α纤维的影响。 No. w （CIP） w （AP） w （MF） w （α-cellulose） MCF1 43 12 42 3 MCF2 48 12 37 3 MCF3 53 12 32 3 MCF4 58 12 27 3 MCF5 63 12 22 3 MCF6 58 12 30 0 MCF7 58 12 28.5 1.5 MCF8 58 12 25.5 4.5 % 3.1　偏心距的研究 2 将0.7 mL的MCF4抛光液供应到抛光头表面，磁体以1 000 r/min的转速旋转10 s，抛光液形貌如 图10 图10 所示。在偏心距 r =1 mm时，抛光液在磁体旋转前后的分布情况几乎不变，抛光液的动态行为较差，磁性簇集中在抛光头顶部，磁体旋转时间的增加不会改变抛光液分布。在偏心距 r =2 mm时，抛光液的动态行为有一些改进，但磁性簇仍主要集中在抛光头顶部，磁体旋转时间的增加同样不再改变抛光液分布。在偏心距 r =3 mm时，链状磁性簇均匀覆盖在抛光头表面，具有较好的动态行为和形状自恢复能力。若继续增大偏心距，抛光头直径则增大，不利于小曲率凹面工件的抛光。因此将偏心距选定为3 mm。 3.2　CIP质量分数的影响 2 随着抛光液中CIP质量分数的增大，抛光液在磁场下的磁化强度增大，抛光液形成屈服强度更大、更紧密的链状结构，但在抛光时容易变得干燥。CIP质量分数较小时，抛光液流动性更好，但剪切屈服强度会减小，不利于实现高效抛光 ［ 22 22 ］ 。 磁体旋转前后不同CIP质量分数下抛光液的分布情况如 图11 图11 所示。抛光液在磁体旋转前的分布接近，都集中在抛光头上部，而在磁体旋转后迅速成形，并沿磁力线方向形成链状分布的磁性簇。随着CIP质量分数的增大，抛光液的链状磁性簇分布更紧密并逐渐接近固态。在使用MCF1和MCF2时，抛光液中CIP的质量分数较低，抛光液在磁体旋转后有明显的向下流动趋势，同时磁性簇的覆盖范围较小，无法应用于抛光。使用MCF3时，形成的磁性簇较少，抛光效率会降低。在使用MCF5时，抛光液中CIP质量分数较大使得黏度较大，在磁场作用下接近固态，磁性簇在抛光头表面覆盖面积较小，同样不利于抛光。CIP质量分数为58%的MCF4能够较好地附着在抛光头表面，在保持一定流动性的同时能够产生较高的剪切屈服强度，利于抛光工作。 3.3　α纤维的影响 2 磁体旋转前后不同α纤维质量分数下抛光液的分布情况如 图12 图12 所示。抛光液黏度随着α纤维质量分数的增大而增大。选用MCF6和MCF7时抛光液黏度较小，在抛光头表面有向下流动的趋势，附着不好。而较小的黏度造成剪切力减小，抛光效率降低。在使用MCF8时，α纤维质量分数过大，抛光液流动性较差，无法均匀分布在抛光头表面。因此，选择α纤维质量分数为3%的MCF4，此配比的抛光液表现出较好的流动性和黏塑性，能够较好地附着在抛光头表面，同时兼具较高的剪切力，抛光效率更高。在后续实验中使用MCF4对工件进行抛光。 4 实 验 1 为验证磁性混合液抛光装置的实际抛光能力，对曲率半径为15.4 mm、中心深度为2.24 mm的凹球面K9玻璃工件（见 图13 图13 ）进行抛光。抛光前使用粒径为10 μm的碳化硅砂纸打磨后得到工件的初始表面，实验使用MCF4抛光液。对工件使用如 图14 图14 所示的栅线路径进行扫描，其他工艺参数如 表2 表2 所示。实验过程中，每隔5 min更换一次抛光液，实验结束后使用酒精清洁工件表面，工件干燥后观测其表面。 Process parameter Value Magnet eccentricity r / mm 3 Polishing head rotational speed n c /（r·min -1 ） 500 Magnet rotational speed n m /（r·min -1 ） 1000 Working gap/mm 1 Polishing time t / min 90 Volume of MCF slurry supplied v /mL 0.7 工件抛光前后的微观形貌和外观如 图15 图15 所示。如 图15 图15 （a）所示，工件在抛光前表面较为模糊，而在抛光后透明度明显提高，工件表面质量得到明显改善。光学显微镜观测的放大200倍后的工件表面形貌如 图15 图15 （b）所示，未抛光工件表面存在较多划痕，在经过90 min抛光后划痕得到去除，存在的凹坑应为工件本身缺陷而非抛光过程中引入的缺陷。使用白光干涉仪（布鲁克contour GT）观测抛光前后的工件，如图 15 15 （c）和 15 15 （d）所示，抛光后工件的面形精度RMS由0.719 μm降至11.7 nm，表面粗糙度 R a 由0.552 μm降至9.656 nm，抛光后工件表面明显更光滑。 1,2;3,4; 5 结 论 1 本文提出一种针对小曲率凹面工件的半球头抛光装置。使用软件Maxwell仿真分析了不同磁源的磁场分布，发现轴向充磁的圆柱永磁体上方加装凹面导磁铁块能获得更集中分布在预设抛光区域的大磁场区，在提高抛光效率的同时易于实现材料的确定性去除，并选定圆柱形永磁体直径为8 mm、高10 mm，优化磁体偏心距为3 mm。使用不同质量分数的CIP和α纤维对抛光液行为进行研究。CIP质量分数的增大提高了抛光液的磁化强度，抛光液的磁性簇变得更紧密；α纤维质量分数的增大提高了抛光液中磁性簇的韧性，因而抛光液黏度随着CIP和α纤维质量分数的增大而增大。当CIP，AP，MF，α纤维质量分数分别为58%，12%，27%，3%时，组成的MCF4抛光液兼具较好的流动性和黏塑性，在抛光头表面的分布较为理想。同时发现，在3 mm偏心距下抛光液中的链状磁性簇均匀覆盖在抛光头表面，能够保持较好的形状恢复能力。最后，对曲率半径为15.4 mm、中心深度为2.24 mm的凹球面K9玻璃工件进行抛光，在磁体转速为1 000 r/min、抛光头转速为500 r/min、加工间隙为1 mm的条件下使用MCF4抛光液抛光90 min，工件表面质量得到显著改善，工件表面划痕被去除，面形精度RMS由0.719 μm降低至11.7 nm，表面粗糙度 R a 由0.552 μm降低至9.656 nm，表明新型抛光装置能够实现小曲率凹面的超精密抛光。 参考文献 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 机械轴与虚拟轴复合的磁流变抛光 ZHANG T ， HE J G ， HUANG W ， et al . 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