高精度光学表面磁流变修形

　　1　引　言

　　现代光学系统对光学元件的形状精度、表面质量、亚表面质量、残余应力等性能指标的要求日益提高,传统光学加工方法已很难适应现代光学制造的需求。磁流变抛光技术作为一种新型的先进光学制造技术,具有高效率、高精度、高表面质量、亚表面损伤小、表面残余应力小等一系列优点,具有良好的应用前景[1]。

　　磁流变抛光技术是由美国Rochester大学COM光学加工中心首创,由美国QED公司完成产品化的新一代光学元件高精度抛光加工方法[2]。该抛光方法是智能材料、电磁学、流体动力学、分析化学等理论在光学抛光领域的集中应用。该方法通过控制外加的梯度磁场改变智能材料———磁流变液的粘度与剪切屈服强度,在抛光轮表面形成一个形状可控、“硬度”可调、粘度可变的可控聚束能量流,以该聚束能量流为“柔性抛光模”来实现光学零件的高精度抛光。磁流变抛光技术具有以下优点[3]:(1)可以完成光学表面的高精度抛光。采用磁流变抛光方法,光学表面(平面、球面、非球面等)面形精度(PV)可达λ/20以下,表面粗糙度可达1 nm以下。(2)磁流变抛光过程的材料去除机理是以剪切力为主、压力为辅,磨料颗粒对光学表面的物理损伤程度小,表面残余应力小,光学表面基本无亚表面损伤层。(3)磁流变抛光以聚束能量流的形式完成抛光过程,抛光区域温度上升不明显,不存在传统抛光方法的抛光头磨损,抛光过程不可控等一系列问题。(4)理论上,磁流变抛光方法不受抛光工件几何形状、外形尺寸大小等限制,可完成任何面形的光学零件抛光。

　　2　磁流变抛光关键技术

　　自行研制的磁流变抛光机床KDMRF-1000F及其基本原理,如图1所示。磁流变液在蠕动泵的作用下从喷嘴喷出,由旋转抛光轮带入抛光区域,在梯度磁场(由抛光轮内的电磁铁产生)的作用下形成可控的柔性抛光模,完成材料去除后进入回收装置,经过滤搅拌后连续循环。

　　2.1　磁流变液研制及其性能测试

　　磁流变抛光液在外加梯度磁场的作用下,在抛光轮表面形成“柔性抛光模”,对光学元件表面进行材料去除。典型的磁流变液由微米级的磁性微粒、非磁性载液、稳定剂等成份组成。不加磁场时,磁流变液与牛顿流体相似;在外加磁场的作用下,磁流变液可于瞬间(毫秒级)转变为Bingham流体;当撤去外磁场后,磁流变液可立即恢复原状[4]。国外对配制磁流变液的关键技术严格保密,国内尚无成熟产品。自主开发磁流变液的配置及测试技术是发展磁流变抛光技术的前提和基础。

　　如图2,自主开发的磁流变液流变性测试仪,可以测试磁流变液在磁流变抛光工作方式下的流变学性能。如图3,水基磁流变抛光液KDMRW-1的剪切屈服强度测试结果。