目前常用的超光滑表面加工方法

目前常用的超光滑表面加工方法，是由传统的研磨抛光加工技术改进而来的，如浴法抛光、浮法抛光等，此类方法材料去除率低，也能够达到亚纳米量级的表面粗糙度，但很难避免机械接触式抛光对工件表面带来的亚表面损伤和加工变质层。各种基于新原理的抛光方法逐渐被提出，如离子束抛光、等离子体辅助化学抛光、液体喷射抛光、磁流变抛光、化学机械抛光和弹性发射加工等。其中日本大阪大学学者发明的弹性发射加工方法利用工件材料与磨料之间发生固相反应实现原子级材料去除，被认为是获得最高表面质量的加工方法，可以达到RMS0.1nm的表面粗糙度，但其加工效率很低，并且设备复杂，维护成本高。纳米颗粒射流抛光是借鉴了弹性发射加工的去除原理的一种超光滑表面加工方法，结合数控技术可以实现光学零件纳米级粗糙度、无表面损伤的精确抛光，但仍然存在抛光效率不高的问题。光学元件的加工一般都需要三大基本步骤：铣磨、精磨和抛光，其中铣磨和抛光是最主要的两道工序。抛光的目的是在去除表面破坏层的同时精修面形。现行的抛光理论认为抛光是三种作用的结果：磨料与工件之间的机械磨削、抛光液的化学作用和工件表面的热流动。这些理论对于超光滑表面加工已经不完全适用，基于新原理的超光滑表面加工方法不断涌现。液体喷射抛光技术：液体喷射抛光技术(FluidJetPolishing,FJP)是近几年提出的用于加工脆性材料光学元件的新方法。液体喷射抛光技术系统如图1-4a)所示，其思想源于磨料射流加工技术，高压泵加速混有磨料粒子的抛光液，利用磨料粒子对工件表面材料的冲击和剪切作用实现材料去除。该方法通过控制液体喷射的压力、方向及驻留时间实现对工件面形的定量修正。加工机床本体纳米颗粒胶体液流动压空化射流抛光要实现对非球面的加工，因此，抛光的机床应具有X,Y,Z,A,C五轴联动的功能。在转台上安装喷射头部分，通过控制转台的沿Z轴上下运动和沿A轴的摆动实现喷射距离和喷射角的变化。工件放置在十字回转工作台上，通过步进电机带动滚珠丝杠实现十字工作台在X、Y方向的进给运动和抛光槽带动工件沿C轴的旋转运动。转台抛光槽转台抛光槽图5-1机械系统机床的床身材料为低热膨胀系数和高尺寸稳定性的花岗岩。总体结构为龙门式构架，抛光槽材料为不锈钢，具有足够的体积。回流装置使用蠕动泵抽吸回流，可以保证淹没深度不变，简单可靠。液压循环控制回路瑚油容2•过蠕3崔藏4•柱畿5开关阕6•压力表璞能器痢虾觥9•蓄能器10•蜻11-射施喷相2魂光槽13.工作台14魂光液容器液压油循环装置部分采用柱塞泵驱动，为保证抛光液不被污染，用蠕动泵将抛光液输送到蓄能器的气囊中，蓄能器中有气囊，在气囊内是抛光液，其余部分为液压油，实现液压油与抛光液的隔离式压力传送。循环控制回路分为两种工作状态来保证抛光液连续不断地对工件表面进行抛光。蠕动泵从纳米颗粒胶体容器中将抛光液吸入到蓄能器A的封闭气囊内，柱塞泵通过压力油将压力传递给蓄能器B中的抛光液，抛光液从B的气囊中被挤出来，通过喷嘴喷射到工件表面进行抛光，通过蠕动泵将高于淹没液面的抛光液吸回到抛光液容器中。当蓄能器A中气囊充满抛光液时，通过电磁阀切换油路，使A中抛光液被液压油挤压而喷射到工件表面处进行抛光，通过蠕动泵将抛光液输送到蓄能器B中。磨料水射流抛光机理磨料水射流以一定角度冲击抛光工件时，磨料对工件的冲击力可分解为水平分力和垂直分力。水平分力对工件上的凸峰产生削凸整平作用，垂直分力对工作表面产生挤压，使工件表面产生冷硬作用。抛光初期，工件表面的凹谷处会滞留一部分磨料水射流混合液，形成一层薄膜。露置在薄膜外的凸峰，会先受到磨料的冲击作用而被去除掉，使工作表面得到明显的平整。通常表面粗糙度为微米级，这一过程通常被称为一级抛光（即粗抛光）。在此过程中，材料的去除量较大，需选用颗粒较大的磨料，其材料去除机理目前被认为与普通磨料水射流加工机理相似。在磨料水射流抛光过程中，磨料去除工件表面材料的机制主要有两种，一种是塑性变形机制引起的，磨料对工件表面的冲击使材料向两侧隆起，这种过程并不会直接引起材料的切削过程，但在随后磨粒的作用下材料产生脱落而形成二次切屑。同时，磨粒也对工件表面如刨削一样有切削过程，这个过程可直接去除材料，形成一次切屑。另一种是利用混有磨料粒子的抛光液对工件的碰撞冲击、剪切刻划作用来去除材料。粗抛光后，工件表面上只留下较小的凸峰，这时水平冲击分力减小了，垂直冲击分力增大，使得磨料对工作表面的挤压作用增强了，这一过程通常被称为二级抛光，即精抛光。在这一过程中，材料去除量很小，需选用细颗粒磨料。这一阶段材料的去除机理至今还处于研究阶段。有学者认为，当材料去除尺度为纳米级别时，由于去除深度小于其临界切削深度，这时塑性流动便成为材料去除的主要方式，纳米尺度的磨料对工件的作用主要是挤压磨削作用。工艺参数对抛光效果的影响利用磨料水射流进行抛光加工时，加工质量受到诸多因素的影响，例如：射流压力，射流喷嘴直径，靶距，倾角，砂喷管的直径、形状和长度，作用时间，磨粒的流量、大小、形状和硬度以及被加工材料的性质等。（1） 喷射压力太大时，材料去除量较大，抛光效果不理想；喷射压力太小，材料难以去除，达不到抛光效果。所以喷射压力应根据材料的性质和硬度来优化选取。（2） 磨料粒度对抛光效果影响较大，磨料粒度越小，抛光质量越好，但抛光效率亦越低。（3） 磨料硬度对抛光效果有明显影响。在普通的磨料水射流加工中，通常认为磨料的硬度要比工件硬度高，才能对工件进行加工。但在磨料水射流精抛光加工时，由于其不同的加工机理和对加工表面质量的高要求，磨料自身的变形量越大，即磨料硬度越小，抛光效果越好。（4） 加工时间对抛光效果影响不明显，对材料去除量影响较大，加工时间越长，材料去除越多。（5） 靶距对抛光效果的影响存在最优取值范围。靶距选择过小，如选在射流的初始段内进行抛光时，材料去除率高，但对工件的抛光作用较弱。靶距选择过大，如选在射流的消散段内进行抛光加工时，材料基本没有去除，同样抛光效果不好。通常认为抛光时，靶距的选择应使射流在基本段抛光工件。（6） 喷射倾角对于抛光效果具有最佳值关系。在磨料水射流抛光工件时，随着喷射倾角的减小，抛光效果越来越好，当减小到一定值时，抛光表面质量达到最优，喷射倾角进一步减小时，表面质量变化不大，但材料去除量会随着喷射倾角的减小越来越小。如果喷射倾角过小（如射流沿与工件表面平行的方向抛光工件），这时材料去除量过小或基本没有去除，抛光效果反而不理想。（7） 砂喷管的直径、形状和长度影响磨料在射流束中的分布情况。抛光时，理想的磨料分布是磨料在射流束中均匀分布。（8） 在相同的抛光条件下，材料硬度越高，表面粗糙度越低，材料去除量越小。4目前磨料水射流抛光技术存在的主要问题。理想的磨料水射流抛光加工结果是材料去除量小，表面质量高。若想得到理想的抛光结果，需选用压力低、磨料尺寸小的磨料水射流，即微磨料水射流。但目前微磨料水射流的理论还不成熟，有以下主要问题有待解决：（1） 微细磨料水射流的形成。普通的磨料水射流形成是利用文杜里效应引射，使磨料进入水射流的，但Miller发现，当射流直径小于300Mm时，这种使磨料进入水射流的方式已不能应用。现在对于微磨料水射流混合机理的研究还少见报道。（2） 磨料团聚。当磨料颗粒为纳米级时，磨料的表面能很大，在磨料水射流形成过程中，磨料颗粒有团聚趋势。在磨料水射流精抛光加工时，需要用到纳米级的磨料，而对于磨料水射流中纳米级磨料的分散问题目前还没有解决。（3） 微细磨料加工时发生喷嘴堵塞。由于微细磨料水射流喷嘴尺寸较小，在射流开关的过程中，极易堵塞。有的学者利用阀控制磨料进入喷嘴的时间，但同时，阀的快速磨损破坏又成为一个新的问题。（4） 因为对磨料水射流抛光技术的研究刚处于起步阶段，从实验到理论都还没有形成成熟的抛光工艺、理论。磨料水射流精抛光加工时，材料去除机理是微观去除机理，各种材料的微观去除机理至今还没有定论。（5） 磨料水射流抛光加工（尤其是精抛光加