王新海，馬 瑾，張永軍

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，陜西 西安 710300)

微晶玻璃是一種具有超低膨脹系數(shù)的結(jié)構(gòu)材料，它是由特定組成的基礎(chǔ)玻璃在一定條件下進(jìn)行晶化熱處理，形成微晶和玻璃相交織的多相復(fù)合材料[1]。隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，具有良好機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性的微晶玻璃在光學(xué)、機(jī)械、微電子、生物醫(yī)學(xué)和化工等學(xué)科領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，特別是在光學(xué)領(lǐng)域，其良好的熱穩(wěn)定性和可控的微觀結(jié)構(gòu)可滿足不同的使用要求，大型天文望遠(yuǎn)鏡和慣性導(dǎo)航儀表激光陀螺中的光學(xué)元件多采用微晶玻璃[2-3]。利用磁流變拋光、離子束拋光等先進(jìn)的特種拋光方法進(jìn)行局部尺寸精度的修正和亞納米級(jí)尺度的材料去除，可以獲得亞納米級(jí)的精度和質(zhì)量要求[4]。白林山等[5]通過(guò)往SiO2拋光液中添加EDTA (乙二胺四乙酸)絡(luò)合劑、過(guò)硫酸銨氧化劑、丙三醇潤(rùn)滑劑等方式對(duì)微晶玻璃進(jìn)行了化學(xué)機(jī)械拋光，得到了0.12 nm的納米級(jí)光滑表面。李雄[6]通過(guò)搭建漿料輔助磨削加工系統(tǒng)，對(duì)50 mm×50 mm×10 mm的微晶玻璃方孔開展了磨射流拋光實(shí)驗(yàn)，利用600#金剛石流體磨料進(jìn)行脆性域去除，利用2000#金剛石和3500#碳化硅流體進(jìn)行塑形域去除，最后使用2000#金剛石磨料拋光后獲得了0.074 μm的表面粗糙度。目前，利用磁流變拋光技術(shù)、化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)和磨射流拋光技術(shù)等可加工出超精密的微晶玻璃表面質(zhì)量，但大多數(shù)的先進(jìn)技術(shù)存在設(shè)備昂貴等特點(diǎn)，特別是針對(duì)內(nèi)孔、型腔等特殊表面的拋光方式還需進(jìn)一步改善。

1 圓孔氣囊拋光方式

圓孔拋光是對(duì)光學(xué)元件內(nèi)表面的加工，與平面、球面等光學(xué)元件相比，其拋光過(guò)程的觀察、控制和冷卻等難度比較大。由于受孔的直徑大小限制，拋光速度一般很難提高，從而影響拋光效率和表面加工質(zhì)量，此外拋光工具的形狀和材料等因素也會(huì)影響孔的拋光質(zhì)量。氣囊拋光技術(shù)[7]利用柔性氣囊自動(dòng)匹配光學(xué)元件的被拋光表面形狀，實(shí)現(xiàn)表面材料去除，從而得到高質(zhì)量的拋光表面。相比于傳統(tǒng)拋光技術(shù)，氣囊拋光技術(shù)具有拋光精度高、成本低和效率高的特點(diǎn)，特別適用于型腔和自由曲面光學(xué)元件的拋光[8]。針對(duì)微晶玻璃光學(xué)元件內(nèi)孔拋光的特點(diǎn)，結(jié)合氣囊拋光技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了3種氣囊拋光方式，如圖1所示。

圖1 圓孔氣囊拋光方式示意圖

圖1(a)所示的拋光頭為盤狀氣囊，其周邊與圓孔內(nèi)壁接觸，拋光頭做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并上下往復(fù)移動(dòng)，在拋光液的作用下完成對(duì)孔內(nèi)表面的拋光；圖1(b)所示的拋光頭為圓柱型氣囊，其外表面與圓孔內(nèi)壁緊密貼合，做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的拋光頭帶動(dòng)夾持在氣囊與孔壁之間的拋光液完成孔內(nèi)表面拋光；圖1(c)所示的拋光頭為三棱柱型，其外表面的3條棱在氣壓的作用下與孔內(nèi)壁擠壓接觸，在拋光液的作用下，旋轉(zhuǎn)的拋光頭完成內(nèi)表面拋光。由圖1可以看出，3種氣囊拋光方式中圓柱型氣囊拋光頭與孔內(nèi)壁接觸面積最大，即參與孔內(nèi)材料去除的面積最大。在旋轉(zhuǎn)速度不變、拋光時(shí)間相同等條件下，圖1(b)的拋光效率最高，圖1(c)的拋光效率次之，圖1(a)的拋光效率最低。光學(xué)元件內(nèi)孔的拋光不僅需要?dú)饽覓伖忸^與孔內(nèi)壁相互擠壓、運(yùn)動(dòng)，還需要往兩者之間注入拋光液，圖1(a)、圖1(c)的拋光液注入比圖1(b)容易。在氣囊拋光頭加工過(guò)程中，拋光頭必須與工件之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，圖1(a)中的氣囊不僅需要做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，還需要做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而圖1(b)和圖1(c)中的氣囊只需要做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。3種圓孔氣囊拋光方式的特點(diǎn)見表1，綜合各方面的因素，微晶玻璃圓孔氣囊拋光頭最終選擇三棱柱型氣囊，其具有拋光液加注較容易、接觸面積適中和不需進(jìn)給運(yùn)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。

表1 3種氣囊拋光方式特點(diǎn)比較

2 氣囊拋光頭結(jié)構(gòu)

三棱柱型氣囊拋光頭是利用貼合在棱柱表面3條棱上的拋光布對(duì)光學(xué)元件內(nèi)孔表面進(jìn)行拋光，其結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，圖2(a)為主框架，圖2(b)為覆蓋有拋光布的拋光頭，主要由充氣柱、旋轉(zhuǎn)軸、上支撐板、下支撐板和拋光布等組成。其中，旋轉(zhuǎn)主軸上固定有上支撐板和下支撐板，上支撐板內(nèi)部布置有氣道和氣閥，3個(gè)充氣柱為圓筒狀，其表面均勻分布有若干的小圓孔，如圖2(a)所示，并且與上、下支撐板固定在一起，從而形成由旋轉(zhuǎn)主軸、上支撐板、下支撐板和3個(gè)充氣柱組成的主框架；主框架中的上支撐板、下支撐板和3個(gè)充氣柱外側(cè)都包裹上具有彈性的膠皮，在上、下支撐板之間形成密閉的空間，彈性膠皮的外側(cè)面貼合有拋光布，氣體從上支撐板外表面的氣閥充入，接著沿上支撐板內(nèi)的氣道通入到3個(gè)充氣柱內(nèi)，然后通過(guò)充氣柱表面上的小圓孔沖壓使得彈性膠皮向外擴(kuò)張，隨著氣體的不斷充入，形成一個(gè)富有彈性的三棱柱型氣囊拋光頭，如圖2(b)所示。

圖2 三棱柱型氣囊拋光頭結(jié)構(gòu)示意圖

三棱柱型氣囊拋光頭僅繞旋轉(zhuǎn)軸的中心做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)拋光布旋轉(zhuǎn)，再通過(guò)充氣閥往拋光頭內(nèi)充入氣體，并使三棱柱的3個(gè)圓弧棱面與工件內(nèi)孔表面相互擠壓。在進(jìn)行圓孔工件拋光時(shí)，拋光液進(jìn)入拋光布與圓孔表面間，因工件與拋光布之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，形成剪切力，從而對(duì)圓孔內(nèi)表面的材料進(jìn)行去除，以此實(shí)現(xiàn)圓孔內(nèi)表面拋光的效果。

3 三棱柱型氣囊的應(yīng)用

本文利用設(shè)計(jì)出的三棱柱型氣囊拋光頭進(jìn)行拋光工藝實(shí)驗(yàn)，用于評(píng)價(jià)其對(duì)光學(xué)零件圓孔表面粗糙度的影響，與此同時(shí)，工藝實(shí)驗(yàn)也是衡量三棱柱型氣囊拋光應(yīng)用效果的最佳手段。氣囊拋光過(guò)程中，主軸轉(zhuǎn)速、拋光布與工件的間隙和拋光頭氣壓壓強(qiáng)是影響表面粗糙度的主要工藝因素。經(jīng)過(guò)大量工藝實(shí)驗(yàn)與分析，可知工件表面粗糙度在一定范圍內(nèi)會(huì)隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高而降低，隨著轉(zhuǎn)速的提高，拋光布表面的拋光液處于飽和狀態(tài)，拋光液流過(guò)拋光區(qū)的速度會(huì)增大，剪切力隨之增大，材料去除率增大，表面粗糙度呈現(xiàn)不變或增大現(xiàn)象，從而降低了加工質(zhì)量。拋光頭與工件的間隙也影響著表面粗糙度，隨著間隙的增大，拋光區(qū)的拋光布表面對(duì)工件的壓力會(huì)減小，導(dǎo)致壓力不足以使拋光液產(chǎn)生足夠的剪切應(yīng)力，使得工件的表面質(zhì)量無(wú)法到達(dá)一個(gè)較高的水平；當(dāng)拋光頭的拋光布表面和工件的間隙太小時(shí)，拋光區(qū)的拋光粉就會(huì)受到很強(qiáng)的擠壓，從而對(duì)表面進(jìn)行機(jī)械磨削，使表面產(chǎn)生劃痕，此外也不利于拋光粉的附著，從而影響拋光質(zhì)量。在主軸轉(zhuǎn)速和拋光布與工件的間隙不變時(shí)，拋光區(qū)域的拋光頭對(duì)工件表面壓力可由充氣量的大小來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，通過(guò)控制氣壓的大小能夠?qū)崟r(shí)控制氣囊拋光頭對(duì)工件表面的壓力，氣壓大小對(duì)表面粗糙度值的影響類似于間隙對(duì)表面粗糙度的影響。

綜合考慮主軸轉(zhuǎn)速、拋光布與工件的間隙和拋光頭氣壓壓強(qiáng)等工藝因素，針對(duì)孔徑為16 mm的微晶玻璃工件，選定了合適的工藝參數(shù)組合進(jìn)行了工藝實(shí)驗(yàn)，并利用Taylor Hobson非接觸式輪廓儀檢測(cè)零件拋光后的孔內(nèi)表面粗糙度。圓孔內(nèi)的初始表面粗糙度值為1.701 3 μm，使用三棱柱型氣囊拋光頭拋光后的孔內(nèi)表面粗糙度值為0.016 9 μm，如圖3 所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用三棱柱型氣囊拋光頭可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)零件圓孔表面的材料去除，工件在拋光后得到了一個(gè)較高的表面質(zhì)量。

圖3 表面粗糙度值為0.016 9 μm時(shí)內(nèi)孔表面起伏情況

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的利用三棱柱型氣囊拋光頭對(duì)微晶玻璃圓孔進(jìn)行加工的方法，可以實(shí)現(xiàn)微晶玻璃高精度表面質(zhì)量的要求，為光學(xué)零件的內(nèi)孔高精度拋光提供了新思路，但是由于拋光質(zhì)量與主軸轉(zhuǎn)速、拋光布與工件的間隙以及拋光頭氣壓壓強(qiáng)等工藝因素密切相關(guān)，今后還需要更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為開展拋光裝置的研究提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。