超光滑光学表面的磁性类Bingham流体确定性抛光_程灏波.pdf

第50 卷 第 1 期 2005 年 1 月 论 文 超光滑光学表面的磁性类Bingham 流体确定性抛光 ① ① ② ① ③ ④ 程灏波 冯之敬 王英伟 张 云 郭占社 余景池 (①清华大学精密仪器系制造工程研究所, 北京 100084; ②中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 长春 130021; ③清华大学 精密仪器系摩擦学国家重点实验室, 北京 100084; ④苏州大学近代光学研究所, 苏州 215006. E-mail: chenghb@; chenghaobo@) 摘要 利用磁性抛光介质在梯度磁场作用下呈现出具有粘塑性的类 Bingham 流体的特点, 实现了对具 有超光滑表面精度要求(表面粗糙度一般低于0.5 nm) 的光学元件, 特别是应用于接近衍射极限的短波段 光学元件的确定性抛光. 磁流体与被抛光工件间的相对运动导致工件表面抛光区域产生较强的剪切力, 从而去除工件表面材料. 通过控制梯度磁场的敏感参量如磁场强度、磁极间距等获得磁场中类Bingham 流体形成柔性抛光带的形状及工作状态的实时响应. 去除函数和去除率曲线反映了磁流体抛光符合经 典 Preston 抛光模型, 并突出体现确定性去除这一特点. 磁流体抛光全过程中去除函数向外周呈稳定的 高斯分布状光滑渐变化趋势. 抛光结果表明, 配制成功的初始粘度0.5 Pa ·s 的标准磁流体抛光液可实 现对超光滑光学元件确定性抛光, 弥补传统接触式或压力式光学抛光呈现较大下表面破坏层、去除确定 性不高等缺点, 抛光35 min 后工件表面粗糙度由最初17.58 nm 收敛到0.43 nm. 关键词 超光滑 磁流体 抛光 非球面 去除率 Bingham 流体 超精密光学元件, 特别是非球面元件的计算机 后来, 他们又在磁场[14~17]和磁粉的组成成分[18~20] 上 控制制造技术, 决不仅仅是一个设备问题, 更大程度 开展了进一步研究. 1999 年, Su zuki 等人又将该方法 [1] [21] 上体现为极强的工艺技术与先进设备的结合 . 利用 用于超微细砂轮的修正上 , 使钝化的砂轮迅速得 磁性流体数控抛光技术对脆性材料进行确定性误差 以修整. 总体来看, 这种方法适用于非磁性材料, 如 [2,3] 钢或陶瓷等材料的轴的加工, 但对玻璃等脆性材料 修正和抛光是一项非常有前景的技术 . 在磁性流体辅助抛光技术逐步深入的研究过程 的加工易产生下表面破坏层和较粗糙的表面, 不能 中, 早在20 世纪80 年代初期, 日本就有研究者将磁 加工出精密的光学元件. 场用于光学加工. 1984 年, Tain 和Kawata 利用磁场对 随着研究的深入, 为了克服一般磁介质辅助光 浸入磁性液体中的聚丙烯平片进行加工,抛光后的工 学加工效率较低、面形不易控制或易产生下表面破坏 [4] 层等缺点, 上世纪 90 年代初, Rochester 大学光学制 件表面粗糙度相比抛光前明显降低 . 1989 年, Suzuki 采用柔性的橡胶垫制作抛光盘, 由SiC 颗粒混入水中 造中心(Center of Optical Manuf