薛陽韓江，郭忠達，李 宏

(西安工業(yè)大學 光電工程學院，西安 710021)

低熔點玻璃[1-5]以其較低的轉變溫度、膨脹系數(shù)，通常在600 ℃以下，主要用于玻璃的精密模壓。低熔點玻璃透鏡模壓成型技術是一種高精度光學元件熱加工技術，它將玻璃預形體放入高精度的模具中，在加溫加壓和無氧的條件下，可一次性直接模壓成型出滿足使用要求的光學零件，主要應用于數(shù)碼相機、攝像機、移動電話等電子產品光學零部件[6-7]。光學玻璃直接精密模壓技術帶動了低熔點光學玻璃的發(fā)展[8-11]。低熔點玻璃作為一種環(huán)保材料，不含鉛、砷等不符合環(huán)境保護要求的物質等特點，也不同于傳統(tǒng)玻璃的折射率和色散系數(shù)，給光學設計帶來很多新材料的選擇。將低熔點玻璃直接進行研磨拋光，用于光學系統(tǒng)成為新的需求。光學玻璃的研磨拋光屬于光學冷加工技術。磁流變拋光[12-17]對低熔點玻璃的超光滑拋光，表面粗糙度小于1 nm。磁流變拋光是光學冷加工技術中實現(xiàn)超光滑光學表面加工的重要手段。低熔點玻璃材料的磁流變超光滑拋光未見相關報道。因此，開展用于超光滑表面的低熔點玻璃磁流變研磨拋光研究具有重要意義，文中嘗試進行低熔點玻璃研磨拋光冷加工研究，探索低熔點玻璃的超光滑加工特性。

1 實驗條件與方法

目前，低熔點光學材料轉換溫度Tg低于600 ℃，多在在200 ℃到600 ℃之間[18]。它們的組分和加工特性與傳統(tǒng)玻璃不同，如果用研磨拋光等方法直接進行加工會有不同的結果。實驗選用精密退火的低熔點玻璃D-ZK2N，長120 mm，寬100 mm，高10 mm。其光學常數(shù)nd為1.59，vd為59.59，溫度轉變點Tg為490 ℃。本文利用實驗室現(xiàn)有條件對其進行了磁流變拋光實驗，為了得到較好的光學表面，先用高速精磨拋光機對低熔點玻璃進行精磨，對被加工玻璃進行預處理。然后，進行磁流變拋光，所用的磁流變拋光設備是實驗室自研的一種大平面磁流變拋光機，如圖1所示。加工完成后，用Form Taylor Surf Series 2接觸式輪廓儀和白光干涉儀進行檢測評價。

圖1 磁流變拋光機

實驗主要研究拋光液質量分數(shù)、磨盤轉速、拋光時間等三個工藝參數(shù)對低熔點玻璃的去除影響作用。其他參數(shù)借用了相關研究[19]的工藝經驗，如拋光間隙大小控制在0.6 mm；磁流變拋光機的上盤153 kg，通過氣缸壓力反向提拉實現(xiàn)玻璃加壓控制，由于調節(jié)閥最小控壓的問題，玻璃壓力控制為10 kg；磁流變拋光盤是永磁體構成，磁場強度大小不變，磁感應強度為7 000 G；實驗采用實驗室自制的磁流變拋光液，主要成分是羰基鐵粉，顆粒大小約5 μm，添加氧化鈰拋光粉。選取拋光液質量分數(shù)參考值為5%、10%、15%、20%進行研究。磨盤轉速的太快，壓力波動范圍變大而導致玻璃直接破碎無法實驗，經過多次實驗確定為20 r·min-1、30 r·min-1、35 r·min-1、40 r·min-1。拋光時間設置為20 min、30 min、40 min、50 min。

實驗方法采用正交實驗，研究工藝參數(shù)對低熔點玻璃的表面粗糙度的影響，并確定光學材料磁流變拋光的最佳工藝參數(shù)。實驗根據以上情況選擇三因素四水平實驗方案，見表1。

表1 磁流變拋光表面粗糙度實驗參數(shù)分布表

2 實驗結果及分析

本實驗首先對低熔點玻璃D-ZK2N進行精磨加工，精磨后玻璃的表面粗糙值控制在約300 nm。所用精磨設備為JP350G高速精磨拋光機，精磨前要將低熔點玻璃黏接在工裝上，制備精磨盤，如圖2所示。再固定在主軸上進行加工，在機械壓力下通過轉動主軸和精磨盤用W40的金剛砂進行精磨，達到初步去除表面、修正面形的目的，為后面的拋光打下基礎。高速精磨拋光機的參數(shù)為工件轉速為80 r·min-1，精磨時間是10 min，精磨壓力為6.5 kg。

圖2 精磨盤

2.1 磁流變拋光正交實驗結果及分析

精磨表面粗糙度達到技術要求后，進行磁流變拋光。最終的拋光表面粗糙度實驗數(shù)據分布見表2。通過正交實驗處理數(shù)據結果見表3，繪制出了如圖3所示的工藝參考因素和指標的關系圖。

表2 拋光表面粗糙度實驗數(shù)據分布表

表3 正交實驗結果均值極差分析表

通過分析實驗數(shù)據并處理結果得出，拋光液質量分數(shù)從5%上升到20%的過程中，表面粗糙度先升高再降低再升高；磨盤轉速20 r·min-1升高到40 r·min-1的過程中，表面粗糙度先降低再升高；拋光時間從20 min升到50 min的過程中，先降低后保持不變。低熔點玻璃拋光后表面粗糙度影響最大的工藝參數(shù)排名依次為：磨盤轉速>拋光時間>拋光液質量分數(shù)。低熔點玻璃通過磁流變拋光是可以達到表面粗糙度小于1 nm的超光滑要求，正交實驗結果是用白光干涉儀進行檢測評價結果，其中實驗3的表面粗糙度測量為0.883 nm，如圖3所示。

圖3 拋光液質量分數(shù)5%、磨盤轉速35 r·min-1、拋光時間40 min的表面粗糙度檢測數(shù)據

2.2 拋光液質量分數(shù)對表面粗糙度的影響

從圖4可以看出在選定的拋光液質量分數(shù)范圍(5%～20%)內，拋光液質量分數(shù)變化對表面粗糙度影響較小。

圖4 拋光液質量分數(shù)與表面粗糙度的關系

隨著拋光液質量分數(shù)的增大，材料的表面粗糙度先升高再降低再升高。造成該現(xiàn)象的主要原因在于拋光液質量分數(shù)過高會影響磁流變液中的磨料質量分數(shù)，黏塑性介質能夠控制的拋光粉的數(shù)量是有限的，過高的拋光液質量分數(shù)不僅不會減小表面粗糙度，反而對材料表面造成損壞，導致表面粗糙度變大。綜合以往對其他玻璃材料研究結果，認為拋光液質量分數(shù)為15%為本次實驗的最佳參數(shù)。

2.3 磨盤轉速對表面粗糙度的影響

從表2最佳的表面粗糙度所對應的工藝參數(shù)中可以得出磨盤轉速是對本次實驗拋光效果影響最重要的工藝因素。圖5中可以看出當磨盤轉速增大時表面粗糙度迅速下降，但是當把磨盤轉速從35 r·min-1升高到40 r·min-1時，表面粗糙度反而上升。其原因是磨盤轉速和磁場強度共同作用的結果影響拋光磨料對玻璃的去除剪切力，磨盤轉速增大時拋光區(qū)域的水解和機械去除比較穩(wěn)定，可以逐漸降低表面粗糙度，但過高的磨盤轉速會導致磁流變液補充不上，反而增大表面粗糙度。

圖5 磨盤轉速和表面粗糙度的關系

2.4 拋光時間對表面粗糙度的影響

從圖6中可看出隨著拋光時間的增加，工件的表面粗糙度速度下降,但是當拋光時間到40 min以后低熔點光學玻璃的表面粗糙度趨于一種穩(wěn)定的趨勢。為了降低工件的表面粗糙度可以適當?shù)难娱L拋光的時間，實驗中從40 min開始工件的表面粗糙度下降趨于穩(wěn)定，故以后用本實驗拋光裝置進行拋光玻璃時可以把時間控制在50 min，可以大大的減少拋光時間，增加拋光的效率，還能獲得穩(wěn)定的加工表面粗糙度。

圖6 拋光時間和表面粗糙度的關系

通過以上分析，在現(xiàn)有的實驗條件下，三個工藝參數(shù)因素的最優(yōu)化組合為：拋光液質量分數(shù)為15%、磨盤轉速為35 r·min-1、拋光時間50 min。進行了工藝參數(shù)最優(yōu)組合重復實驗加工，將上述低熔點玻璃重新精磨處理，然后，在相同工藝條件下進行磁流變拋光，結果都能達到表面粗糙度小于1 nm。最好的表面粗糙度達到0.890 9 nm,如圖7所示。

圖7 最佳工藝參數(shù)下的表面粗糙度

3 結 論

文中采用了正交實驗方法，利用自制的磁流變拋光機和自配的磁流變拋光液，對低熔點玻璃進行磁流變拋光。經過反復實驗發(fā)現(xiàn)在工藝參數(shù)為拋光液質量分數(shù)15%、磨盤轉速35 r·min-1、拋光時間50 min，低熔點玻璃通過磁流變拋光加工可以達到超光滑的技術水平，低熔點玻璃的表面粗糙度可以達到0.879 nm。