光学元件柔性抛光材料对表面质量影响研究影响表面研究抛

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1、光学元件柔性抛光材料对表面质量影响研究朱学亮，杭凌侠（陕四省薄膜技术与光学检测重点实验室，西安工业大学，四安710032）摘要：气囊柔性抛光是一种新型的精密光学元件的抛光技术，在非球面制造领域有着广泛的应用。采用柔性气囊抛光装置，选择了三种不同的抛光模层材料进行实验，分析了抛光材料对样片表面粗糙度与表面缺陷的影响。实验研究表明：呢绒是一种高效的非球面元件柔性抛光的模层材料，丝绒材料适用于高质量超光滑元件的抛光。关键词：柔性抛光、气囊抛光、模层材料、表面粗糙度0引言随着上世纪国家高新技术“863”计划

2、的实施，国家的航空、航天、国防等科技得到全面快速的发展。随着光学技术及其相关技术的发展，对光学元件制造技术捉出了极为严格的更求，对所需元件的表面质量的要求越來越高，主要包括极低的表面粗糙度和极高的表面面型精度。由于非球面元件具有传统光学球面零件所无法比拟的优势而得到了广泛的应用。传统的光学加工方法，无论从在加工精度、加工质量的稳定性方面，都无法满足其极高的加工精度和表面质量的要求[1]0气囊柔性抛光是一种新型的光学非球面加工方法。20世纪90年代伦敦光学实验室首先提出气囊抛光方法，并与Zeeko公司

3、合作研制了IRP系列气囊式抛光机床⑵。国内的一些专家和学者也对气囊抛光进行了一系列的研究，并取得了一些进展。哈尔滨工业大学研究人员研制出了气囊抛光机床的原型样机⑶。西安工业大学陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室研制出FRP-1型柔性抛光机。木文工作是对其抛光模层材料进行研究，以K9玻璃为样片分别选用毛毡、呢绒、丝绒等作为抛光材料进行工艺实验。通过对表面粗糙度与表面缺陷的测量对比，分析了抛光材料的去除效率以及对最终表面质量的影响。1实验装置与原理气囊柔性抛光装置由陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室自主

4、研发⑷，柔性抛光主要是通过气囊抛光模与工件表而Z间的柔性贴合而实现。T件安装丁•装置主轴上并自转，速度可调节，如图所示。工件上方为抛光气囊结构，抛光气囊由工装、橡胶层、加强层和抛光模层材料组成，T装与橡胶层封闭的腔体内充入压缩空气保持均匀的压力，屮间选用抗拉度较高、厚度很薄的纤维布作为加强层,以保持良好的面型。通过调节工装高度、气囊气压使抛光模与工件表面良好贴合,并且通过摆轴可可实现小角度转动；抛光液通过循环供液系统喷射在抛光接触区域。在柔性气囊抛光工艺过程中，气囊压力、气囊位置、摆速、工件转速和抛

5、光模层材料等是影响最终表面加工质量的匣要参数。通过不断的工艺实验探索，已经实现对平面、球面、非球血的光学元件的精密抛光；图1气囊柔性抛光装置原理图2抛光模层材料抛光是决定最终表面质量的关键工序，至今尚未形成一种统一的理论来解释抛光机理。但在抛光过程中，无论从机械磨削的观点，还是从化学作用的观点，抛光模均发挥着重要的作用叫因此，如何选取抛光模层材料是一个关键的问题,具体的指标有：具备均匀承载抛光粉能力，以利于产生微小切削作用，同时能储存充分的水，有助于水解反应的进行，并有利于冷却和清洗；抛光过程中产生

6、较高的摩擦热而不至于引起磨具变形，所以须具有较好的耐热性；具有较好的耐磨性和适当的硬度，使工件和抛光模有良好的吻合性；由于抛光模是在湿热的条件下工作，加速了抛光模的老化，必须选择抗老化性能好的抛光材料，以延长抛光模的使用寿命。为保证磨具的面形精度，应选择收缩率小的抛光材料。根据以上抛光模层材料的选择要求，木文实验选定以下三种材料：a、丝绒：它质地细腻，表面柔软，使用周期长，不脱毛，主要用來做高精度镜面抛光的特殊材料和终道抛光。b、呢绒：精纺呢绒用精梳毛纱织制，所用原料纤维较长而细，梳理平直，纤维在纱

7、线中排列整齐，纱线结构紧密。表面光洁，织纹清晰。C、毛毡：具备良好的强力，良好的弹性、良好的耐磨性；3实验与分析实验选用口径D60mm＞曲率半径R65mm的K9玻璃球而样片，在ZGX70球而铳磨机上进行铳磨，金刚石磨轮粒度为280#,屮径40mm；本文实验选择三组球面样片，依次编号为a组、b组、c组，与三种抛光模层材料编号相对应以便于买验数据的分析。通过TaylorHobsonFFS2轮廓仪检测，表面粗糙度Ra值为450nm,在20倍显微镜下观察表面未出现明显划痕和疵病。在气囊柔性抛光平台上分别采用

8、丝绒、呢绒和毛毡材料进行工艺实验。实验工艺参数主要有：主轴转速200r7niin、主摆速度25r/min＞副摆速度15r/min＞气囊压力5kPa⑹。在抛光的不同时间阶段，通过TalySurfCCI2000白光干涉仪对样片进行检测。间隔lOmin对样片进行测量，如图2所示为表面粗糙度与加工时间的关系曲线。10203040506070抛光时间/min图2样片表而粗糙度测量结果亠8纽fb组C组500450400350300250200150100500农1表而粗糙度分阶段