基于双磨头的磁流变抛光机床与工艺研究

黄 文，张云飞，郑永成，罗 清，侯 晶，袁志刚

（1.中国工程物理研究院 机械制造工艺研究所，四川 绵阳621900；2.成都精密光学工程研究中心，四川 成都610041）

引言

磁流变抛光是近十多年才发展起来的一种高确定性柔性抛光技术，它主要利用磁流变抛光液的可控流变特性进行加工，即通过控制外加磁场的强度和分布来控制磨头的柔度和形状，通过控制磨头的加工轨迹和驻留时间来实现定量加工［1－2］。与传统数控抛光技术相比，磁流变抛光具有极高加工精度、极高收敛效率与极低表面缺陷等显著工艺特点，能够高效、低成本地解决平面及非球面的超精密加工难题，被誉为是光学制造界的革命性技术［3－7］。

国家若干重大型光学工程急需大量的大口径平面、非球面或连续位相板等光学元件［8］。目前，采用单磨头磁流变抛光技术，很难满足大口径平面及非球面不同加工阶段（去亚表面缺陷、修全频段误差）以及不同误差结构（低频、中频及高频）的加工需求，而大口径连续位相板复杂的“大振幅、小周期”波面结构对单磨头抛光技术提出了更为严峻的挑战。大磨头抛光斑尺度较大，比较适合大口径元件的超精加工、大周期波面结构的精确控制、中低频误差的定量修正以及材料的高效去除。小磨头的抛光斑尺度较小，在小口径元件的超精加工、小周期波面结构的精确控制、中高频误差的定量修正以及材料的微量去除等方面更具优势。通过组合大、小磨头的差异化工艺能力，可为平面、非球面，特别是位相板的超精、高效加工提供一种更优工艺方法，能更好地实现精度与效率的优化匹配［9－10］。美国 QED公司于2008年底成功研发了一台型号为Q22-750P2的三轴双磨头磁流变抛光机［11］，其最大加工尺寸为1 000mm×750mm，但仅具备平面的平行线加工能力，不过对我国却实施了严格装备禁运。

基于美国的禁运以及国内的急需，本文研制了一台以大、小双柔性磨头为核心的八轴磁流变抛光机床，完全具备了大口径平面、非球面及连续位相板的双磨头组合超精密加工能力，不仅获得了满足高精度面形快速收敛的大、小尺度抛光斑特征，而且实现了大、小口径平面的超精、高效加工。

1 双磨头磁流变抛光机床的工程化研制

双磨头磁流变抛光机床主要基于磨头与工件复合摆运动原理及构型方法来进行工程化设计，其以“一维可摆动双柔性磨头”为核心和“独立式双Z轴龙门床身”为主体，主要由双Z轴龙门床身、双柔性磨头和双循环系统以及集成控制系统等单元模块组成。其中，龙门床身的主要作用是满足大口径光学元件加工对机床行程、精度、速度及加速度等性能的要求，配置了X、Y、Z1、Z2 4个直线轴和A1、A2、B、C4个旋转轴，X轴安装在龙门底座上，Y轴安装在龙门横粱上，Z1、Z2两轴均安装在Y轴上，A1、A2两轴分别安装在Z1、Z2轴上，B、C两轴组成二维转摆工作台并固定在X轴上。双柔性磨头的主要作用是确保抛光液能形成有效、可控及稳定的柔性缎带与去除特征，大、小磨头分别安装在A1、A2轴上，其大小分别为φ300mm和φ50mm且其轮轴方向均与Y轴平行。双循环系统的主要作用是确保抛光液在抛光过程中可循环使用以及主要工艺参数，如流量、粘度及温度等，能在一定范围内稳定调控，大、小流量循环系统分别为大磨头和小磨头提供抛光液，并整体安装在一个柜子中且置于床身后侧。控制系统基于840D数控系统构建，主要实现了 X、Y、Z1、Z2、A1、A2、B、C等运动量、磁场、粘度、流量等过程量、抛光斑采集、缎带特征标定等工艺流程的的综合集成控制。实际研制的双磨头磁流变抛光机床如图1所示。

图1 双磨头磁流变抛光机床Fig.1 Two-polishing-head MRF machine

双磨头磁流变抛光机床主要通过大、小磨头来实现去除函数尺度及效率等关键特征的宽范围调节。大、小磨头的工况完全独立，小磨头工作时，大磨头先回非工作位（即A1、Z1两轴回零位）；大磨头工作时，小磨头同样须先回非工作位（即A2、Z2两轴回零位）。

由于配置了8个运动轴，因此本机床不仅支持平面及非球面的螺旋线加工，而且支持平行线加工。以大磨头加工非球面为例，采用螺旋线时，通过X、Y、Z1、B、C五轴加工即可，其中，X、Z1、B、C四轴联动、X轴实现大磨头径向进给、C轴实现大磨头主运动切削。采用平行线时，通过X、Y、Z1、A1、B五轴加工即可，其中，Y、Z1、A1、B 四轴联动、X轴实现大磨头横向进给、Y轴实现大磨头主运动切削。另外，本机床最大平面加工尺寸为1 000mm×1 000mm、最大非球面加工尺寸为430mm×430mm。

2 大、小磨头的材料去除特性工艺研究

在磁流变抛光中，磨头的材料去除特性主要通过磨头的抛光去除函数来描述，而磨头的抛光去除函数又主要通过磨头的抛光斑来表征。磨头的材料去除特性或去除函数或抛光斑特性，主要包括去除有效性和去除稳定性2个方面，其中，去除有效性关系到抛光斑能否使用的问题，去除稳定性关系到抛光斑能否长时使用的问题。由此可见，磨头的材料去除特性是磁流变抛光能否实现面形高精度收敛、材料高效率去除、工艺长时间稳定的基础和关键。而在实际工艺过程中，抛光斑的优化控制主要通过抛光液的组份设计与配比、抛光区的磁场大小及分布、抛光液的缎带宽度及厚度、柔性缎带的浸入深度等关键工艺参数来实现。

2.1 大、小磨头的去除有效性工艺研究

材料去除有效性主要包括其形态有效性和效率有效性2个方面。当抛光斑外形轮廓呈单峰分布、外形尺寸及其长宽比适中、且其宽度方向对称性较好时，则认为抛光斑形态有效。当抛光斑峰值去除效率为（2～18）λ／min、体积去除效率为（0.02～0.5）mm3／min时，则认为抛光斑效率有效。仅当形态与效率均有效时，抛光斑才能满足高确定性抛光工艺条件。

为研究大磨头抛光斑的有效性，专门对大磨头进行了斑采集工艺实验。在这里，选用氧化铈水基磁流变抛光液作为抛光介质。首先，匹配好大磨头参数并获得稳定的柔性缎带；然后，按照标准工艺流程，在一块小口径平面元件（材料为UBK7、大小为φ50mm）上连续采集2个抛光斑；最后，分析测量这2个抛光斑的去除形态与效率特征，并对其有效性进行评估。小磨头的去除有效性研究方法与大磨头完全相同，采用此方法，同样可获得小磨头的去除有效性评估。

本实验所获得的大、小磨头抛光斑特征如图2所示。由图2可知，大磨头抛光斑长为15.7mm、宽为8.6mm、长宽比为1.83，小磨头抛光斑长为4.6mm、宽为2.4mm、长宽比为1.92。大、小磨头抛光斑的长度及宽度轮廓均为单峰去除形态且在宽度方向具有较好的对称性，均满足形态有效性要求。大磨头抛光斑的峰值去除效率为6.655λ／mm、体积去除效率为0.245mm3／min，小磨头抛光斑的峰值去除效率为4.25λ／mm、体积去除率为0.035mm3／min，同样满足效率有效性要求。大磨头抛光斑的体积去除率比小磨头高了一个数量级，主要原因是大磨头的抛光斑有效去除面积比小磨头大了一个数量级。

图2 大、小磨头抛光斑的形态与效率特征Fig.2 Polishing spot shape and efficiency characteristics for large and small polishing heads

2.2 大、小磨头的去除稳定性工艺研究

大口径光学元件通常需经数小时乃至数十小时的抛光，因此，抛光斑的稳定性对于长时间抛光来讲十分关键。磁流变抛光机床在相同工件材料、抛光液配比及工艺参数条件下连续运行48h，若其抛光斑峰值去除效率或体积去除效率波动不超过5%，则认为其稳定性较优。

为研究大磨头抛光斑的稳定性，选用了氧化铈水基磁流变抛光液作为抛光介质，准备了两块小口径平面元件，其材质为UBK7、大小为φ50mm、初始面形精度PV值不大于λ／4；设置了2个时间节点，其间隔为48h；每个时间节点使用一块元件，每件均连续采集4个斑。采用激光干涉仪对各元件采斑前、后面形进行测量，采用测量软件对前、后面形进行相减并提取斑，分别计算每个抛光斑的峰值去除效率和体积去除效率。小磨头抛光斑的稳定性研究方法与大磨头相同，采用此方法，同样可获得小磨头抛光斑的稳定性评估。大、小磨头抛光斑的稳定性实验数据如表1所示。其峰值去除效率和体积去除效率的波动值δ按公式（1）计算：

式中：ri表示第i个斑的峰或体去除效率；max（ri）表示ri的最大值；min（ri）表示ri的最小值；N 表示斑个数。

表1 大、小磨头抛光斑的稳定性实验数据Table 1 Polishing spot stability experiment data for large and small polishingheads

由表1可知，大磨头的最大、最小与平均峰值去除效率为8.691λ／mm、8.382λ／mm、8.523λ／mm，最大、最小及平均体积去除效率为0.316mm3／min、0.303mm3／min、0.311mm3／min。由式（1）可得，大磨头在48h内的峰值及体积去除效率的波动值为3.63%和4.18%；同理可得小磨头在48h内的峰值及体积去除效率的波动值为3.87%和4.53%。很明显，大、小磨头的峰值及体积去除效率在48h内均优于5%，满足了高确定性长时间抛光对去除函数的稳定性要求。

3 大、小磨头的平面修形工艺研究

大、小磨头的修形能力主要通过其面形精度收敛工艺实验来研究。无论是大磨头，还是小磨头，其修形工艺流程均包含采集抛光斑、提取去除函数、计算驻留时间、生成抛光程序与加工光学元件等工步，即首先采用推荐的抛光液组份和机床工艺参数，采集抛光斑并提取去除函数特征；然后，根据提取的去除函数以及待加工元件的初始面形数据，使用工艺软件进行工艺规划并生成面形修正数控程序；最后，上载数控程序、驱动机床运行并实现元件加工。元件加工前后的面形精度主要采用Wyko 24″高精度相移干涉仪进行检测。

3.1 基于小磨头的小口径平面修形工艺

针对小磨头，采用小口径平面光学元件对其修形能力进行工艺验证。小口径平面元件材质为UBK7、大小为φ50mm，且在φ45mm口径内初始面形精度PV＝0.21λ、RMS＝0.053λ，如图3（a）所示。

采用推荐的抛光液组份和机床工艺参数获取小磨头抛光斑去除函数，其长为4mm、宽为1.5mm、峰值去除效率为4.384λ／min、体积去除效率为0.019mm3／min。

采用工艺软件生成数控程序，整个程序又分解为4个子程序，总加工时间为13.68min，且在一个加工循环内执行完成。在φ45mm口径内，机床实际加工面形精度 PV＝0.08λ、RMS＝0.015λ，如图3（b）所示。由此可见，采用小磨头加工小口径平面，不仅可获得高收敛精度，而且能获得快收敛速度。

图3 基于小磨头的小口径平面光学元件加工前后面形精度（φ45mm口径内）Fig.3 Initial and final figures of small plano optics based on small polishing head（φ45mm）

3.2 基于大磨头的大口径平面修形工艺

针对大磨头，采用大口径平面光学元件对其修形能力进行了工艺验证。大口径平面元件材质为UBK7、大小为435mm×435mm，且在410mm×410mm口径内初始面形精度PV＝0.40λ、RMS＝0.068λ，如图4（a）所示。

本实验获取的大磨头抛光斑去除函数长为17.435mm、宽为8.445mm、峰值去除效率为8.752 λ／min、体积去除效率为0.332mm3／min；共执行了3次迭代抛光，程序总执行时间约2h。经过3次面形修正，大口径平面光学元件在410mm×410mm口径内，面形精度PV＝0.10λ、RMS＝0.013λ，如图4（b）所示。由此可见。采用大磨头加工大口径平面，同样可获得高收敛精度和快收敛速度。

图4 基于大磨头的大口径平面光学元件加工前后面形精度（410mm×410mm口径内）Fig.4 Initial and final figures of large plano optics based on large polishing head（410 mm×410 mm）

4 结论与展望

本文针对单磨头磁流变抛光技术在大口径平面、非球面特别是连续位相板等光学元件超精密、高效率加工中存在的诸多问题，研制了一台以双柔性磨头为核心、以双Z轴龙门床身为主体的八轴四联动磁流变抛光机床，其最大平面加工尺寸为1 000mm×1 000mm、最大非球面加工尺寸为430mm×430mm，不仅支持大、小磨头的独立与组合运行加工，而且支持大、小磨头的平行线与螺旋线轨迹加工。研究了双磨头磁流变抛光机床的微量去除特性，并从有效性和稳定性2个方面进行了表征，获得了形态有效（单峰分布形态、宽度方向对称）、效率有效且去除稳定（48h内优于5%）的大、小磨头抛光斑去除函数特征。研究了大、小磨头的修形能力，针对小磨头，采用材质为UBK7、大小为φ50mm的小口径平面进行修形工艺研究，经过1次共计13.68min的加工，在φ45mm内其面形精度PV由0.21λ收敛至0.08λ、RMS由0.053λ收敛至0.015λ；针对大磨头，采用大口径平面进行研究，材质为UBK7、大小为435mm×435mm的大口径平面，经过3次共约2h的迭代加工，在410mm×410mm内其面形精度PV由0.4λ收敛至0.1λ、RMS由0.068λ收敛至0.013λ。由此证明，所研制的双磨头磁流变抛光机床不仅具有较好的去除稳定性能，而且具有较强的面形修形能力。

未来将基于双磨头磁流变抛光机床进一步开展大、小磨头的差异化工艺能力与大口径平面、非球面以及连续位相板的双磨头组合工艺研究，并结合相关工艺研究进一步优化完善机床的功能及性能。

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