大尺度光學(xué)玻璃為直徑或?qū)蔷€直徑1m以上的平面、球面、非球面等光學(xué)元件，當(dāng)前廣泛應(yīng)用于航空航天、天文探索、核能工業(yè)、光刻工藝等領(lǐng)域。大尺度玻璃要求嚴(yán)格，直徑1.5m的光學(xué)元件，表面形狀精度優(yōu)于0.1μm、表面粗糙度Ｒa優(yōu)于1nm、低表面波紋度、極少的表面與亞表面損傷、極小殘余應(yīng)力、完整晶格結(jié)構(gòu)。光學(xué)玻璃材料脆性高，斷裂韌性低，其顯微硬度在600kg/mm2左右，一般大尺寸玻璃精密加工主要依靠材料超微量去除，通常經(jīng)過3道工序: 固結(jié)磨料加工、離散粒子拋光、納米級(jí)磨料修整。

大尺寸玻璃拋光加工工序

固結(jié)磨料加工、離散粒子拋光、納米級(jí)磨料修整3個(gè)工序作用不同，如下圖所示，各工序中包含不同的加工方法、加工精度范圍及工藝路線。

拋光加工過程工藝流程圖

1.固結(jié)磨料加工

固結(jié)磨料加工目的是以高材料去除率快速獲得亞微米級(jí)平整表面，面形精度優(yōu)于0. 1μm，表面粗糙度Ｒa優(yōu)于25nm。它利用固結(jié)硬質(zhì)磨料直接接觸工件進(jìn)行高速劃擦和微切削實(shí)現(xiàn)材料強(qiáng)制去除，主要有超精密磨削、超精密切削等方法。

超精密磨削通常使用超細(xì)磨粒金剛石砂輪，采用在線修整方法，可獲得納米級(jí)表面粗糙度。然而，由于機(jī)床振動(dòng)、砂輪修整及磨削加工單向性等問題，不可避免會(huì)產(chǎn)生微米級(jí)損傷層。由磨削發(fā)展來的平面珩磨，通過面接觸低轉(zhuǎn)速加工，減少了表面損傷，且加工效率等同磨削，英國克蘭菲爾德大學(xué)BoX大玻璃專業(yè)數(shù)控磨床采用了這個(gè)形式。

克蘭菲爾德超精密金剛石機(jī)床

超精密切削主要指單點(diǎn)金剛石切削(Single Point Diamond Turning,SPDT)，利用刃口半徑0.1～0.3μm的天然單晶金剛石微刀具進(jìn)行極微小去除，切深最小可至1nm。美國LL國家實(shí)驗(yàn)室研制的LODTM大型立式(1.65m×0.5m)光學(xué)金剛石超精密車床可進(jìn)行大玻璃加工，面形精度可達(dá)0.028μm，表面粗糙度可達(dá)3.5～9nm。

光學(xué)玻璃金剛石切削

目前，多點(diǎn)金剛石銑削也正在開發(fā)中。總而言之，固結(jié)磨料加工效率高，材料去除總量大，加工時(shí)間占總加工時(shí)間的1/5，加工精度可達(dá)到符合光學(xué)應(yīng)用要求，但是會(huì)引入加工變質(zhì)層，需要在后續(xù)工序中去除。

2.離散粒子拋光

離散粒子拋光一般作為最終或次終工序，目的是消除前道工序后的表面殘差，最終獲得平面度亞微米級(jí)、表面粗糙度納米級(jí)的優(yōu)質(zhì)表面。它通過柔性拋光盤或流體驅(qū)動(dòng)離散粒子劃擦、耕犁工件表面實(shí)現(xiàn)材料去除。刀具為柔性工具，因此極少甚至不會(huì)引入表面瑕疵。

離散粒子拋光的主要方法有: 超精密氣囊拋光、磁流變拋光、磨料射流拋光、應(yīng)力盤拋光、可控式混合磨料流體拋光等，離散粒子拋光效率較低，加工時(shí)間約占總加工時(shí)間3/5。

3.納米級(jí)磨料修整

納米級(jí)磨料修整是大玻璃加工的最終工序，目的是修正殘留微小誤差。它是通過低動(dòng)能極細(xì)磨料或其他性質(zhì)粒子沖擊，或采用添加化學(xué)成分復(fù)合磨料對(duì)工件進(jìn)行化學(xué)、物理、機(jī)械復(fù)合去除，獲得表面粗糙度Ｒa＜1nm的超光潔表面。

目前，主要方法有化學(xué)機(jī)械拋光、彈性發(fā)射加工、浮法拋光、離子束拋光等。納米級(jí)磨料修整可獲得超光滑無損傷表面，材料去除率極低，此階段材料去除量極少，加工時(shí)間一般占到總時(shí)間的1/5。

化學(xué)機(jī)械拋光修整

通過以上幾大工序可知，在大尺寸玻璃精密加工中，離散粒子拋光必不可少、耗時(shí)最長。若無此工序，直接在固結(jié)磨料加工后進(jìn)行納米級(jí)磨料修整，納米級(jí)磨料修整需去除較多材料，耗時(shí)更長。此外，納米級(jí)磨料修整對(duì)于面形誤差的修正效果極其有限，且這些誤差會(huì)對(duì)拋光盤等有嚴(yán)重?fù)p傷。因此，如何提高離散粒子拋光效率是一個(gè)亟需解決的問題。

大尺寸玻璃離散粒子拋光方法

1.超精密氣囊拋光

超精密氣囊拋光的拋光頭為內(nèi)部氣壓在線可調(diào)的小尺寸球形柔性皮囊，外部覆蓋聚氨酯拋光墊。拋光時(shí)拋光頭和接觸區(qū)法線傾斜、皮囊繞接觸區(qū)中心法線旋轉(zhuǎn)時(shí)工件自轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)方式，由CNC系統(tǒng)控制，以上述“進(jìn)動(dòng)”方式按照設(shè)定路徑速度和壓力對(duì)工件實(shí)施拋光。氣囊拋光工具可完美貼合工件平面，在去除前面工序產(chǎn)生表面瑕疵時(shí)不引入新的損傷，是一種非常適合大平面光學(xué)玻璃的拋光方法。

氣囊“垂直旋轉(zhuǎn)”、“傾斜旋轉(zhuǎn)”、“進(jìn)動(dòng)”拋光痕跡比較

然而，氣囊柔性退讓，只對(duì)工件有擦光作用，不易提高工件形狀精度；高速旋轉(zhuǎn)拋光盤對(duì)液體磨料有推阻作用，限制加工效率提高。

超精密氣囊拋光對(duì)不同材料拋光效果

2.磁流變拋光

磁流變拋光是一種利用磁流變液的流變效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件超精密加工的柔性拋光技術(shù)，它具有材料去除速率快、拋光質(zhì)量好、加工精度高等優(yōu)點(diǎn)。磁流變液由微米級(jí)磁性顆粒、絕緣基載液、穩(wěn)定劑混合而成，是一種黏度由磁場調(diào)控的智能材料。磁流變液進(jìn)入工件與拋光盤間狹縫中，通過磁場控制黏度迅速增大成為黏塑性介質(zhì)，在接觸區(qū)域形成剪切力，調(diào)整工件的旋轉(zhuǎn)角度和速度可實(shí)現(xiàn)工件表面材料各向均勻去除，得到光滑表面。

磁流變拋光原理及設(shè)備

國內(nèi)從事磁流變拋光研究的有清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、湖南大學(xué)、國防科技大學(xué)等。磁流變光整加工技術(shù)是未來最具前途的光學(xué)精密加工方法之一，它具有切入量非常小，加工表面潔凈、無刮傷，節(jié)能、環(huán)保、綠色及智能化等特點(diǎn)，是一種可控的、確定性的拋光技術(shù)，非常適合高精密光學(xué)元件的加工。

3.磨料射流拋光

磨料射流拋光原理是將磨料與基載液進(jìn)行混合，增壓后從噴嘴噴出高速射流沖擊工件表面，引起材料表面局部應(yīng)力集中，產(chǎn)生沖蝕、剪切作用，使材料失效脫落，改善工件表面質(zhì)量。

磨料水射流加工原理示意圖

國內(nèi)從事磨料射流拋光的主要有山東大學(xué)、蘇州大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。磨料射流拋光無工具磨損、無熱影響、反作用力小、加工柔性高，無切帶誤差與邊緣效應(yīng)，可去除磨削變質(zhì)層且基本無亞表面損傷，非常適合大玻璃拋光。當(dāng)然，磨料射流磨粒也存在沖擊工件表面后濺射嚴(yán)重、能量損失嚴(yán)重等缺點(diǎn)，需在未來改進(jìn)。

4.應(yīng)力盤拋光

應(yīng)力盤拋光(Stressed-lap polishing,SLP)拋光原理為：應(yīng)力盤以大尺寸剛性材料為基底，外圍均勻分布數(shù)個(gè)驅(qū)動(dòng)器，調(diào)整驅(qū)動(dòng)器改變彎矩、扭矩使拋光盤按照一定規(guī)律發(fā)生形變始終與工件表面貼合。

應(yīng)力盤變化規(guī)律

國內(nèi)從事應(yīng)力盤拋光研究的主要有南京天文臺(tái)、長春光機(jī)所等，所采用的應(yīng)力盤結(jié)構(gòu)基本沿襲了國外方式。應(yīng)力盤與其他柔性拋光盤（如氣囊）的區(qū)別是：應(yīng)力盤可主動(dòng)控制形變，柔性退讓現(xiàn)象較輕微。因此，應(yīng)力盤拋光技術(shù)可優(yōu)先去除表面高點(diǎn)，修正平滑局部中高頻誤差效果顯著；另外，在粗拋、精拋及最終的修形中，可選取不同口徑拋光盤以完成對(duì)工件形狀精度及表面粗糙度的有效控制，并可有效地提高加工效率。

5.可控式磨料流體拋光

可控式磨料拋光可以理解為磨料射流和彈性發(fā)射加工(Elastic Emission Machining,EEM)的結(jié)合，其原理是：將高速磨料射流充入旋轉(zhuǎn)的限控輪與光學(xué)玻璃表面間的微米級(jí)空隙中，利用限控輪限制磨料流體飛濺、約束磨料流體形態(tài)，在限控輪的離心力驅(qū)動(dòng)及局部流體動(dòng)壓力作用下，形成高能速度場，裹挾著磨料顆粒不斷地與聚氨酯限控輪及光學(xué)玻璃表面發(fā)生彈性碰撞，在狹小空間內(nèi)形成高頻振蕩，使單顆磨粒可以多次多向沖擊工件表面，同時(shí)流體在限控輪寬度方向側(cè)泄形成網(wǎng)格狀去除，均化、消除表面波紋度，獲得光滑表面。

計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成形(Computer Controlled Optical Surface,CCOS)用計(jì)算機(jī)控制的定量檢測加工代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工方式的定性檢查加工，具體到可控式磨料流體拋光中，即根據(jù)定量的面形檢測數(shù)據(jù)，通過控制駐留時(shí)間、射流壓力、入射角度及限控輪轉(zhuǎn)速來控制材料的去除量。

可控式磨料射流拋光 CCOS 示意圖

可控式磨料流體拋光結(jié)合射流拋光與EEM的優(yōu)點(diǎn)，拋光與最終修整可同時(shí)進(jìn)行，材料去除率較高，工件無需多次裝夾，對(duì)于提高此工序加工效率有重要意義。

參考來源：

1.大尺度光學(xué)玻璃拋光技術(shù)研究，柳源、閆如忠（機(jī)床與液壓）；

2.超光滑表面磁流變加工原理與實(shí)驗(yàn)研究，周杭君（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)）；

3.精密磨料水射流加工硬脆材料沖蝕機(jī)理及拋光技術(shù)研究，朱洪濤（山東大學(xué)）。

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