郝 宇, 姜 晨

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200093)

引 言

光學(xué)玻璃元件是各類光學(xué)儀器的核心組件如醫(yī)療內(nèi)窺鏡鏡片、大型望遠(yuǎn)鏡中光學(xué)零件、X射線波段工作儀器的反射面等[1]。光學(xué)玻璃元件制造過程中軸承振動、控制精度、加工工具磨損等因素,都會造成工件面形誤差、亞表面損傷等缺陷[2]。強(qiáng)激光領(lǐng)域及其他光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展,對光學(xué)元件的制造提出更苛刻的要求,不僅要求具有很高的表面精度,還要求無亞表面損傷(subsurface damage,SSD)[3-4]。磁性復(fù)合流體拋光是基于磁流變拋光方法形成的新的拋光方法,能夠在不產(chǎn)生亞表面損傷的情況下,快速有效地提高光學(xué)元件的表面質(zhì)量[5]。

20世紀(jì)80年代中期,Tain和Kawata[6]研發(fā)了磁流體(magnetic fluid,MF)光整加工技術(shù),他們借助磁場對聚丙烯工件進(jìn)行拋光,工件表面粗糙度降低了10倍。1988年白俄羅斯學(xué)者Kordonski[7]提出磁流變拋光(magnetorheological finishing,MRF),并對一塊直徑50 mm的SLAM55非球面工件進(jìn)行拋光,成功去除其5 μm的亞表面損傷層,面型精度P-V值由3.7 μm減小到0.2 μm。2002年,Shimada[8]將含有微米級磁性顆粒的磁流變液和納米級磁性顆粒的磁性流體混合在一起,綜合MF和MRF兩者的優(yōu)勢,研制出磁性復(fù)合液體(magnetic compound fluid,MCF)。MCF拋光方式具有拋光效率高、不產(chǎn)生亞表面損傷、流變性能好和抗沉淀穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)勢[9-11]。MCF拋光過程中工件的應(yīng)力分布,是實現(xiàn)MCF確定性拋光的核心問題之一,直接決定了拋光過程的材料去除和表面質(zhì)量。本文使用自行設(shè)計的拋光裝置進(jìn)行MCF拋光實驗,分別檢測自旋轉(zhuǎn)MCF拋光和行星旋轉(zhuǎn)MCF拋光的正應(yīng)力和剪切應(yīng)力分布并利用Taylor Hobson粗糙度儀檢測拋光后材料的去除率,分析拋光效果,為MCF確定性拋光提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 磁性復(fù)合流體拋光原理

表1 實驗參數(shù)Tab.1 Experimental parameters

在外加磁場作用下,磁性復(fù)合流體形成具有剪切力的粘彈性Bingham流體,而磨料則均勻分布在磁性簇表面。拋光過程中,磁性簇與待加工工件表面發(fā)生擠壓和摩擦作用,磁性簇中磨粒通過刮擦去除材料。實驗中使用的拋光液是由鐵粉(微米級的羥基鐵粉、納米級的四氧化三鐵顆?；旌衔?、水、氧化鈰、α-纖維素按一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比混合而成,各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比分別為鐵粉55%、水30%、氧化鈰12%、α-纖維素3%。主要實驗參數(shù)見表1。

2 拋光應(yīng)力分布實驗設(shè)計

拋光頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(a),載液盤電機(jī)通過皮帶帶動右側(cè)載液盤旋轉(zhuǎn)。磁鐵電機(jī)帶動具有一定偏心距(e=8 mm)的磁鐵旋轉(zhuǎn)。實驗中采用兩種拋光方式進(jìn)行拋光實驗:自旋轉(zhuǎn)拋光和行星旋轉(zhuǎn)拋光。只有磁鐵電機(jī)旋轉(zhuǎn)的自旋轉(zhuǎn)拋光方式,磁鐵以一定偏心距繞主軸旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,帶動拋光液旋轉(zhuǎn);磁鐵電機(jī)和載液盤電機(jī)同時旋轉(zhuǎn)的行星旋轉(zhuǎn)拋光,拋光液既隨著磁鐵的旋轉(zhuǎn)磁場運動,又隨著載液盤旋轉(zhuǎn)運動。

應(yīng)力分布實驗如圖1所示,條形BK7工件(長55 mm×寬4 mm×厚6 mm)固定在Kistler測力儀墊板上。工件上表面設(shè)置一塊厚3 mm的PMMA材質(zhì)蓋板,蓋板中間開條型槽(長55.5 mm×寬4.5 mm)。工件上表面與蓋板表面平齊,工件側(cè)面與蓋板不接觸。移動工作臺使工件中線經(jīng)過MCF拋光頭中心,且工件剛好接觸到MCF拋光頭如圖1(b)所示。拋光應(yīng)力實驗實物圖如圖1(c)所示。實驗設(shè)計工件進(jìn)給步長L=2.5 mm,每個步長工件面積Ai=t×4=2.5×4=10 mm2。進(jìn)給后拋光頭駐留5 s,Kistler測力儀記錄工件Y軸向切向力Fτ和Z軸向正應(yīng)力Fn。實驗過程,隨著工件的進(jìn)給,MCF拋光頭施加給工件的力是不斷疊加的,因此每個測量點的正應(yīng)力Pi和剪切應(yīng)力τi為:

圖1 應(yīng)力分布實驗示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of stress distribution experiment

實測MCF拋光頭為一個直徑約D=38 mm的規(guī)則圓形區(qū)域,設(shè)計n=D/2.5≈15個測量點進(jìn)行應(yīng)力分布實驗。

3 實驗結(jié)果及討論

3.1 自旋轉(zhuǎn)拋光實驗

3.1.1自旋轉(zhuǎn)拋光應(yīng)力

自旋轉(zhuǎn)拋光工件所受正壓力如圖2(a)所示,將工件受力測試結(jié)果代入式(1)、(2)得到拋光區(qū)域正應(yīng)力分布如圖2(b)。從圖2(a)可以看出,MCF拋光頭對工件的正壓力隨著MCF拋光頭接觸面積的增加而遞增,最大正應(yīng)力為1 N。工件受到的正應(yīng)力呈W形分布,即拋光區(qū)域中心和外側(cè)的正應(yīng)力較大,其中最大正應(yīng)力出現(xiàn)在中心區(qū)域,約為0.011 N,這是由于主軸帶動磁鐵產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場在拋光區(qū)域外側(cè)磁場較強(qiáng)和磁場旋轉(zhuǎn)擠壓中間區(qū)域MCF拋光液所致。自旋轉(zhuǎn)拋光正應(yīng)力分布的對稱中心在25 mm左右,可以看出有效拋光區(qū)域比實驗實測的直徑略大,直徑約為50 mm。

自旋轉(zhuǎn)拋光工件所受剪切力如圖3(a) 所示,將工件受力測試結(jié)果代入式(1)、(2)得到拋光區(qū)域剪切應(yīng)力分布如圖3(b)所示。自旋轉(zhuǎn)拋光工件所受剪切力呈先增大,最大值約為0.22 N,后減小的趨勢。當(dāng)進(jìn)給總長度不超過MCF拋光頭半徑,工件的剪切力隨著工件的進(jìn)給增加;當(dāng)進(jìn)給總長度超過MCF拋光頭半徑,以MCF拋光頭中心為分界點,工件受到方向相反的剪切力,部分剪切力被抵消,因此剪切力隨著工件的進(jìn)給而減少。從自旋轉(zhuǎn)拋光工件剪切應(yīng)力分布圖可以看到MCF拋光頭邊緣對工件的剪切力比拋光頭中心要大,最大剪切應(yīng)力約為0.003 N。

圖2 自旋轉(zhuǎn)拋光工件受到的正壓力Fig.2 Positive pressure of workpiece by self-rotating polishing

圖3 自旋轉(zhuǎn)拋光工件受到的剪切力Fig.3 Shearing force of workpiece by self-rotating polishing

3.1.2自旋轉(zhuǎn)拋光材料去除率

自旋轉(zhuǎn)拋光BK7玻璃工件工作50 min。利用Taylor Hobson粗糙度測量儀檢測加工完成后拋光痕跡的深度,計算得到工件的材料去除率如圖4所示。工件表面材料去除率分布曲線呈W型。加工區(qū)域外側(cè)材料去除率較大,最大約為0.011 μm/min,這是由于加工區(qū)域外側(cè)剪切應(yīng)力較大所致。

圖4 自旋轉(zhuǎn)拋光工件材料去除率Fig.4 Material removal rate of workpiece by self-rotating polishing

3.2 行星旋轉(zhuǎn)拋光實驗

3.2.1行星旋轉(zhuǎn)拋光應(yīng)力

行星旋轉(zhuǎn)拋光工件所受正壓力如圖5(a)所示,將工件受力測試結(jié)果代入式(1)、(2)得到拋光區(qū)域正應(yīng)力分布如圖5(b)。正壓力隨著MF拋光頭作用在工件上的面積的增加而遞增,最大為0.8 N。正應(yīng)力在拋光頭直徑方向上的分布呈‘凹’字形,工件接觸拋光液外側(cè)的區(qū)域收到的正應(yīng)力較大,其中最大正應(yīng)力為0.007 3 N。

圖5 行星拋光的正應(yīng)力Fig.5 Positive stress of workpiece by planet-polishing

行星旋轉(zhuǎn)拋光工件所受剪切力如圖6(a) 所示,將工件受力測試結(jié)果代入式(1)、(2)得到拋光區(qū)域剪切應(yīng)力分布如圖6(b)。剪切力呈中心對稱,隨著作用面積的增加先遞增后遞減,其中最大剪切力為0.23 N。行星旋轉(zhuǎn)拋光工件剪切力與行星旋轉(zhuǎn)拋光工件所受正壓力分布相似,都是呈‘凹’字形,外側(cè)最大剪切力為0.004 2 N。

圖6 行星旋轉(zhuǎn)拋光工件受到的剪切力Fig.6 Shearing force of workpiece by planet-polishing

3.2.2行星旋轉(zhuǎn)拋光材料去除率

行星旋轉(zhuǎn)拋光BK7玻璃工件工作50 min,工件的材料去除率如圖7所示。材料去除率分布曲線呈現(xiàn)中間高兩側(cè)低的山丘形狀,除去率從拋光區(qū)域中心到邊緣遞減,最大的材料去除率出現(xiàn)在工件中心區(qū)域附近,約為0.038 μm/min。行星旋轉(zhuǎn)拋光材料去除率明顯大于自旋轉(zhuǎn)拋光材料去除率,這與行星旋轉(zhuǎn)拋光工件受到剪切應(yīng)力大的實驗結(jié)果吻合。

圖7 行星旋轉(zhuǎn)拋光工件材料去除率Fig.7 Material removal rate of workpiece by planet-polishing

4 結(jié) 論

1) 通過自旋轉(zhuǎn)式和行星旋轉(zhuǎn)式拋光應(yīng)力實驗,發(fā)現(xiàn)兩種拋光中正應(yīng)力均明顯大于剪切應(yīng)力,工件外側(cè)剪切應(yīng)力大于中心剪切應(yīng)力。

2) 進(jìn)行拋光加工,檢測工件表面形貌,結(jié)果表明行星旋轉(zhuǎn)拋光式材料去除率明顯大于自旋轉(zhuǎn)拋光。