葉 卉，李曉峰，崔壯壯，姜 晨

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

1 引 言

熔石英玻璃作為典型的寬禁帶介質(zhì)材料，廣泛應(yīng)用于制造光柵、真空窗口、屏蔽片和透鏡等器件。為了實(shí)現(xiàn)高精度熔石英玻璃的批量制造，國(guó)內(nèi)外普遍采用“磨削成形→精密研磨→超精密拋光”的工藝流程［1-2］。其中，拋光加工作為光學(xué)材料精密/超精密制造工序的最后一個(gè)步驟，對(duì)元件的加工質(zhì)量和表面完整性有著重要作用。

傳統(tǒng)的化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)通過化學(xué)能和機(jī)械能的耦合作用獲得光潔平整的表面，但由于工件在加工過程中受到磨粒的法向切削作用，很容易在表面以下產(chǎn)生劃痕、微裂紋或凹坑等機(jī)械缺陷，這些缺陷在強(qiáng)激光輻照下極易誘導(dǎo)材料的熔融炸裂損傷［3-4］。近年來，利用流體動(dòng)壓剪切進(jìn)行材料去除的磁輔助拋光技術(shù)得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，并已逐漸發(fā)展為強(qiáng)光元件“近零”缺陷表面的加工方法。根據(jù)拋光液中磁性微粒（微米級(jí)鐵粉或納米級(jí)四氧化三鐵）的不同，磁輔助拋光技術(shù)主要分為磁流變（Magnetorheological Fluid，MRF），磁流體（Magnetic Fluid，MF）和磁性復(fù)合流體（Magnetic Compound Fluid，MCF）拋光3種［5-7］。磁輔助拋光利用磁性微粒、非磁性磨粒、纖維素和去離子水等形成黏稠性的半固態(tài)柔性拋光頭，拋光頭下方的磨粒與工件發(fā)生接觸、相對(duì)運(yùn)動(dòng)和微切削作用而實(shí)現(xiàn)低損傷、高精度拋光。Shi等基于彈塑性變形理論分析了彈性MRF拋光的可行性，并通過改變磁流變液組分和拋光參數(shù)實(shí)現(xiàn)了大口徑熔石英玻璃的化學(xué)主導(dǎo)彈性磁流變拋光，最終獲得粗糙度Ra為0.167 nm的超光滑表面［8］。Jiang等對(duì)比了傳統(tǒng)MCF拋光和超聲輔助MCF拋光過程中工件所受法向拋光力、切向拋光力、材料去除率和表面粗糙度的差異，結(jié)果表明，超聲輔助拋光有利于提升工件的材料去除率和表面光潔度［9］。Guo等研究表明，在端面MCF拋光過程中，BK 7玻璃的材料去除率與載液盤轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)關(guān)系，與拋光間隙負(fù)相關(guān)，并建立了與工件切向力和法向力有關(guān)的材料去除率模型［10］。上述研究從理論和實(shí)驗(yàn)上研究了磁輔助拋光技術(shù)的材料去除機(jī)理和表面質(zhì)量形成機(jī)制，推動(dòng)了磁輔助加工技術(shù)在光學(xué)制造領(lǐng)域的應(yīng)用。

本文采用不同拋光間隙和不同鐵粉體積比的磁性拋光液對(duì)熔石英元件進(jìn)行不同時(shí)間的磁輔助拋光加工，并對(duì)熔石英的材料去除率、表面粗糙度和透過率等進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，結(jié)合對(duì)空間磁感應(yīng)強(qiáng)度仿真計(jì)算，明確空間磁感應(yīng)強(qiáng)度和鐵粉體積比對(duì)材料去除效率和表面質(zhì)量的影響，提出“小拋光間隙+高鐵粉比例拋光液→大拋光間隙+低鐵粉比例拋光液”的拋光工藝，為實(shí)現(xiàn)高效低缺陷的強(qiáng)激光元件加工提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 樣品制備

本實(shí)驗(yàn)使用自主搭建的圓周式拋光機(jī)床對(duì)熔石英玻璃元件進(jìn)行磁性輔助拋光。拋光設(shè)備如圖1所示，水平主軸驅(qū)動(dòng)一磁通密度為0.4T的銣鐵硼（Nd-Fe-B）環(huán)形磁鐵以nt的轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)，形成空間動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)，磁鐵左右兩端面各安裝一塊環(huán)形聚乳酸樹脂（PLA）擋板，磁鐵和擋板具有相同的外徑40 mm和內(nèi)徑25 mm，厚度分別為8 mm和4 mm。環(huán)形擋板和環(huán)形磁鐵共同構(gòu)成拋光輪，拋光輪與其下方的工件之間存在拋光間隙δ。以40 mm×40 mm×5 mm的熔石英玻璃為加工對(duì)象，工件在拋光前經(jīng)W5～W10碳化硅雙面研磨，初始表面粗糙度Ra為0.2～0.25μm，亞表面裂紋深度在4.5μm以內(nèi)［11］。選取同組研磨工藝下的3個(gè)工件進(jìn)行磁性輔助拋光加工，各工件表面劃分為3個(gè)拋光時(shí)間區(qū)域（t=0，90，150 min）。拋光參數(shù)如表1所示，拋光液由磁性羰基鐵粉（粒徑為7.5μm）、非磁性氧化鈰磨粒（粒徑為1μm）、α纖維素和去離子水按照一定的比例配制，工件Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ所用拋光液對(duì)應(yīng)的成分質(zhì)量比依次為62∶10∶3∶25，60∶10∶3∶27和50∶10∶5∶35，計(jì)算后可知3種拋光液中磁性鐵粉體積比分別為14.18%，13.31%，9.93%。拋光輪轉(zhuǎn)速nt為300 r/min，拋光間隙δ為0.5 mm（工件Ⅰ），1 mm（工件Ⅱ）和1.5 mm（工件Ⅲ）。

圖1 MCF拋光裝置及原理Fig.1 Devices and schematic diagram of MCF polishing

表1 拋光參數(shù)Tab.1 Polishing parameters

拋光時(shí)，用微量滴管向環(huán)形磁鐵圓周面均勻滴入3～5 g拋光液對(duì)工件定點(diǎn)拋光，拋光液內(nèi)部的磁性粒子在磁場(chǎng)力的作用下沿著閉合的磁力線形成鏈狀結(jié)構(gòu)或磁性簇，而非磁性磨粒會(huì)被擠壓到磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱的位置，即移動(dòng)到下方與工件表面接觸，如圖1所示。拋光過程中每隔15 min補(bǔ)充約1～3 g的拋光液，拋光完成后對(duì)拋光斑進(jìn)行輪廓檢測(cè)、粗糙度及透過率測(cè)試。

2.2 表面輪廓、粗糙度及透過率測(cè)試

采用Taylor Surf i200表面輪廓儀檢測(cè)拋光斑截面輪廓，將檢測(cè)探針沿拋光斑X向和Y向（見圖1）進(jìn)行完整采樣，兩個(gè)方向均采集兩條以上輪廓數(shù)據(jù)，并確保探針經(jīng)過拋光斑底部。利用Taylor Surf i200粗糙度測(cè)試探針對(duì)元件進(jìn)行表面粗糙度檢測(cè)，研磨表面（拋光時(shí)間為0 min）采樣區(qū)間為工件表面拋光斑之外的任意位置，拋光表面（拋光90或150 min）的采樣區(qū)間位于拋光斑去除深度的最大位置且采樣長(zhǎng)度約為1 mm，各待測(cè)表面均測(cè)量5段數(shù)據(jù)并取其平均值作為粗糙度結(jié)果。使用LS-108H透過率儀檢測(cè)元件的紫外光透過率，測(cè)試光斑直徑約為1 mm，各待測(cè)表面均測(cè)試5個(gè)點(diǎn)，并將其平均值定義為透過率測(cè)量結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 材料去除率

圖2所示為工件Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ上6個(gè)拋光斑的截面輪廓。沿平行于拋光輪軸向的X方向上，拋光斑截面輪廓呈中間淺兩側(cè)深的近似“W”形（圖2（a）），中間位置的材料去除量較少；沿垂直于拋光輪軸向的Y方向上，拋光斑截面輪廓呈近似“V”形（圖2（b）），中間位置的材料去除量最大。拋光斑的最大材料去除深度DMRmax見表2，隨著拋光時(shí)間從90 min增加至150 min，工件Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ的最大材料去除深度均提升70%以上，從28.362 5，18.201 3和5.952μm分別提升至65.875 1，57.608 7和10.192 2μm。在相同的拋光時(shí)間下，工件Ⅲ（間隙為1.5 mm）上的拋光斑Y向尺寸最大。拋光間隙越大，強(qiáng)磁場(chǎng)作用下形成的柔性拋光膜層與工件表面的接觸面積較大，這是導(dǎo)致大間隙下拋光斑開口尺寸增加的原因。

表2 拋光實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Polishing experimental results

對(duì)輪廓儀測(cè)量得到的拋光斑X向和Y向輪廓進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和曲線擬合，重構(gòu)出相應(yīng)拋光斑的三維空間幾何形貌，如圖2（c）所示。拋光斑呈現(xiàn)雙倒峰結(jié)構(gòu)，結(jié)合式（1）計(jì)算得到工件II（拋光間隙δ=1 mm，鐵粉體積比φ=13.31%）經(jīng)150 min拋光后材料的體積去除量Rv約為0.015 5 mm3。

圖2 拋光斑的截面輪廓及三維形貌Fig.2 Section profile and three-dimensional topography of polishing spot

其中：f（x）為拋光斑沿X向輪廓擬合函數(shù)，a為拋光斑X向長(zhǎng)度，f（y）為拋光斑沿Y向輪廓擬合函數(shù)，b為拋光斑Y向長(zhǎng)度。采用如上方法獲得工件Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ上6個(gè)拋光斑的體積去除量，結(jié)果見表2。材料去除體積隨拋光時(shí)間延長(zhǎng)而顯著提升，工件Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ拋光150 min時(shí)相比于90 min的材料體積去除量提升了5～13倍，且相同拋光時(shí)間工件Ⅰ,Ⅱ比工件Ⅲ的材料去除體積始終高1個(gè)量級(jí)。

將材料的最大去除深度DMRmax及去除體積Rv與拋光時(shí)間t之比分別定義為材料的深度去除率RMRd（μm/min）和 體 積 去 除 率RMRv（mm3/min）。如圖3所示，3個(gè)工件的材料去除率隨拋光時(shí)間延長(zhǎng)均呈現(xiàn)一定的上升趨勢(shì)。其中，拋光間隙為0.5 mm、所用拋光液鐵粉體積比為14.18%的工件I的材料去除率最高，其RMRd和RMRv分別從90 min時(shí)的0.315 1μm/min，4.96×10-5mm3/min上升 到150 min時(shí) 的0.439 2μm/min，1.49×10-4mm3/min，分別提高至1.39倍和3.00倍。同時(shí)，工件I在150 min的深度去除率和體積去除率約為工件II/III的1.14/6.46和1.45/31.59倍，即拋光間隙越小且磁性微粒體積比越大，材料去除效率越高。與光學(xué)制造應(yīng)用最廣泛的化學(xué)機(jī)械拋光工藝（材料去除率為16～17.2 nm/min［12］）相 比，工 件I的 最 大 深 度 去 除 率 高 達(dá) 其27.45倍，因此，使用小拋光間隙及高鐵粉體積比拋光液（工件I）有利于實(shí)現(xiàn)熔石英高效加工。

圖3 材料去除率隨時(shí)間的演變規(guī)律Fig.3 Evolution of material removal rate over time

3.2 粗糙度與透過率

圖4所示為工件Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ經(jīng)不同拋光時(shí)間后的表面微觀形貌，由金相顯微鏡（M 230-21BLC，400×）觀察所得。由圖4（a），4（d）和4（g）可知，研磨后未拋光表面存在明區(qū)（高部）和暗區(qū)（低部），且明暗分布不均勻，這是因?yàn)檠心ケ砻娲嬖诎纪共黄降臋C(jī)械結(jié)構(gòu)缺陷，Ra粗糙度為（0.23±0.2）μm。經(jīng)過90 min拋光后，表面機(jī)械缺陷被大量去除，但工件Ⅰ,Ⅱ表面順著拋光液的流動(dòng)方向出現(xiàn)一定的拋光軌跡，如圖4（b）和4（e）中黃色虛線所示，二者粗糙度為59.6～110.3 nm，工件III表面未產(chǎn)生明顯的拋光軌跡（圖4（h）），其粗糙度為21.8 nm。延長(zhǎng)拋光時(shí)間至150 min，研磨產(chǎn)生的機(jī)械缺陷完全被去除，但工件Ⅰ,Ⅱ表面產(chǎn)生大量密集的拋光軌跡（圖4（c）和4（f）），粗糙度分別為66.8 nm和48.9 nm，工件III表面光滑平整，未產(chǎn)生新缺陷，粗糙度降至8.1 nm。圖4（c）和4（f）中的拋光軌跡可能與磁輔助拋光過程中材料塑性剪切導(dǎo)致的磨粒周圍溝槽和材料塑性堆積有關(guān)，主要取決于磨粒進(jìn)入材料的切削深度和工件所承受的載荷［2，13］。綜上，使用大拋光間隙及低鐵粉體積比拋光液（工件III）有助于獲得光潔表面。

熔石英元件應(yīng)用于激光聚變系統(tǒng)時(shí)需要具有較強(qiáng)的紫外光透過能力，以確保高能量激光的穩(wěn)定傳輸，因此元件的紫外光透過率是評(píng)價(jià)強(qiáng)激光元件加工質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。使用透過率儀測(cè)得工件Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ的紫外光透過率如表2所示，雙面研磨元件的初始透過率為（24.5±3.5）%，顯著低于雙面精拋元件的約93%［11］。磁輔助拋光能夠?qū)⒐ぜ腹饴侍嵘粒?5±2.5）%，達(dá)到未拋光表面的1.72倍以上。本實(shí)驗(yàn)中僅對(duì)熔石英進(jìn)行單面拋光，未拋光面仍為粗糙研磨表面，因此，元件透光率最高不超過50%。

圖5所示為元件表面透過率與粗糙度的關(guān)系曲線，二者之間雖不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，但粗糙度大的表面往往透過率較低。由圖4可知，元件表面的機(jī)械結(jié)構(gòu)缺陷及拋光軌跡共同影響著表面粗糙度，同時(shí)，它們也會(huì)增強(qiáng)光散射能力從而導(dǎo)致元件的光透射能力下降［12］。因此，為獲得高透光率的元件必須降低其表面粗糙度。

4 分析與討論

4.1 拋光壓力與材料去除率

磁性流體通過在拋光區(qū)域內(nèi)形成一定的相對(duì)速度和壓力，利用磨粒的剪切去除作用實(shí)現(xiàn)工件表面材料的去除。根據(jù)Preston方程，材料去除率與拋光輪的轉(zhuǎn)速及拋光輪與工件之間的壓力等參數(shù)有關(guān)。材料去除率的計(jì)算公式如下［10］：

式中：K為Preston系數(shù)，與拋光參數(shù)、工件材料、磁性輔助拋光液組分等有關(guān)，在特定的工藝參數(shù)下，K為常數(shù)；p為拋光區(qū)域內(nèi)工件表面所受壓力；v代表工件與拋光輪的相對(duì)轉(zhuǎn)速，本實(shí)驗(yàn)中取300 r/min。由于磁性流體的不可壓縮性，流體的磁致伸縮壓力為零且磁流變液浮力可忽略［15］，因此，決定拋光區(qū)域壓力p的主要因素為流體動(dòng)壓力pd和磁化壓力pm。其中，磁化壓力pm的計(jì)算公式如下［16］：

式中：φ是磁性微粒在磁流變液中占的體積比；μ0和μ分別代表空間磁導(dǎo)率和磁性微粒磁導(dǎo)率；H代表拋光區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度。其中，磁場(chǎng)強(qiáng)度H與磁感應(yīng)強(qiáng)度（磁通密度）B之間存在如下關(guān)系［17-18］：

其中χ是磁性微粒的磁化系數(shù)。由式（3）和式（4）可知，在使用相同的磁性微粒的前提下（μ0，μ和χ相同），磁化壓力會(huì)隨著磁性微粒體積比φ和磁通密度B的增加而增加。

采用有限元仿真法對(duì)永磁鐵周圍的空間磁感應(yīng)強(qiáng)度分布進(jìn)行模擬計(jì)算，仿真參數(shù)如下：銣鐵硼磁鐵外徑為40 mm、內(nèi)徑為25 mm、寬度為8 mm，剩余磁通密度為0.4 T。圖6（a）～6（c）為不同拋光間隙（δ=0.5，1，1.5 mm）所處水平面（即圖1中正Z向視角）的磁通密度分布，其中，左右虛線代表永磁鐵的左右端面。圖6（d）～6（f）對(duì)應(yīng)圖6（a）～6（c）中紅線位置的磁通密度值，可知沿拋光輪軸向上，磁通密度B在磁鐵左右端面處達(dá)到最大；沿拋光輪徑向上，越靠近磁鐵外圓周面B值越大，拋光間隙0.5，1和1.5 mm處磁通密度的最大值分別約為0.15，0.14和0.13 T。此外，在離開磁鐵端面后，磁通密度B向磁鐵外的衰減速度顯著大于向內(nèi)的衰減速度。

圖6 不同間隙處空間磁通密度分布Fig.6 Spatial magnetic flux intensity distribution at different gaps

從圖6（d）～6（f）的磁通密度曲線中提取6個(gè)拋光斑最大深度位置所對(duì)應(yīng)的磁通密度值，建立材料去除率與磁通密度的關(guān)系曲線，如圖7（a）所示，材料去除率隨磁通密度的增加呈冪函數(shù)上升。同時(shí)，分析鐵粉體積比對(duì)材料去除率的影響，如圖7（b）所示，提升鐵粉體積比有利于增加材料去除效率。工件I（拋光間隙為0.5 mm，鐵粉體積比為14.18%）相比于工件II/III能夠獲得更高材料去除率的原因主要包括：首先，小拋光間隙時(shí)工件表面分布著更大的磁通密度B，因而產(chǎn)生更大的磁場(chǎng)強(qiáng)度H（式（4））；其次，工件I所用拋光液中含有最高的磁性鐵粉體積比φ，上述因素共同作用使工件I在拋光過程中承受更強(qiáng)的磁化壓力與拋光壓力（式（3）），因而能夠產(chǎn)生更高的材料去除效率。

圖7 材料去除率的變化趨勢(shì)Fig.7 Variation of material removal rate

4.2 材料去除機(jī)理與表面光潔度

磁輔助拋光過程中磨粒與工件的接觸狀態(tài)決定了材料去除機(jī)理（彈性、彈塑性或塑性）并最終影響工件的加工質(zhì)量。對(duì)于硬脆熔石英玻璃材料，在較小的法向載荷下首先會(huì)發(fā)生彈性變形；隨著載荷的增加，材料從彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)閺椝苄宰冃?；?dāng)載荷進(jìn)一步增加到臨界值時(shí)，工件會(huì)發(fā)生全塑性變形。將拋光磨粒簡(jiǎn)化為半徑為R的球形磨粒，磨粒與平面工件的接觸狀態(tài)可以用Hertz接觸理論解釋［9］，工件發(fā)生彈性變形的最大壓入深度δe及最大臨界彈性變形接觸力Fe為：

工件發(fā)生全塑性變形的最小壓入深度δp及最小臨界全塑性變形接觸力Fp為：

其中：Hw和Ew分別代表工件的硬度和彈性模量，k代表平均接觸載荷與工件硬度的比值［9］。本實(shí)驗(yàn)中使用的氧化鈰磨粒粒徑約為1μm時(shí)，根據(jù)式（5）～式（8）可以求得臨界載荷Fe=3.625×10-9N，F(xiàn)p=3.75×10-7N。當(dāng)磨粒所受的法向載荷F n≤Fe時(shí)，工件會(huì)完全以彈性接觸變形形式完成材料去除，由于CeO2磨粒很容易與熔石英表面的Si原子反應(yīng)形成Ce-O-Si［19］，此時(shí)材料去除以化學(xué)反應(yīng)去除為主，效率較低但拋光表面較為光潔平整；當(dāng)Fe＜F n＜Fp時(shí)，工件以彈性和塑性混合接觸模式實(shí)現(xiàn)材料去除，元件表面可能殘留塑性劃痕；當(dāng)磨粒所受法向載荷F n≥Fp時(shí)，工件以全塑性變形實(shí)現(xiàn)材料去除。

采用如圖8（a）所示的接觸模型分析拋光磨粒的受力情況，并將磨粒尖端刃圓半徑定義為磨粒壓入工件的深度。磨粒粒徑x1=1μm，則磨粒尖端刃圓直徑x2=10 nm［9］。由文獻(xiàn)可知，磁輔助拋光過程中磨粒與工件接觸區(qū)的最大壓應(yīng)力p=3.8～160 k Pa［9-10，20］，具體數(shù)值與拋光工藝參數(shù)及拋光液組分有關(guān)。單顆磨粒的法向載荷［20］為：

帶入刃圓直徑x2和拋光區(qū)域壓應(yīng)力p求得：2.983×10-9N≤F n≤1.25×10-7N，將計(jì)算結(jié)果與臨界載荷Fe=3.625×10-9N和Fp=3.75×10-7N對(duì)比可知，磁輔助拋光處于全彈性至彈塑性域去除范圍。由文獻(xiàn)［10］可知，每增大0.25 mm的拋光間隙，拋光區(qū)域的最大壓應(yīng)力會(huì)下降10%以上，且拋光間隙越大，下降越顯著，導(dǎo)致單顆磨粒的法向載荷顯著下降。此外，在不同鐵粉體積比的拋光液中，磨粒的分布規(guī)律如圖8（b）所示［9］。鐵粉濃度較高時(shí)，鐵粉將與拋光磨粒相互碰撞并混合形成粒狀流（圖8（b）左），根據(jù)動(dòng)量守恒原理，碰撞會(huì)對(duì)較小的拋光磨粒產(chǎn)生較大的法向載荷，促進(jìn)磨粒壓入工件一定深度完成材料去除。當(dāng)鐵粉濃度較低時(shí)，鐵粉受磁場(chǎng)拉力作用分布于拋光輪附近，拋光磨粒則遠(yuǎn)離拋光輪并浮于磁性簇緞帶層上（圖8（b）右），因此，鐵磁顆粒簇對(duì)磨粒的作用力較弱，顆粒受力主要來自流體動(dòng)壓力。此時(shí)，除機(jī)械去除外，磨粒和熔石英材料之間的化學(xué)作用將對(duì)材料的去除起主導(dǎo)作用。

圖8 磨粒的微觀力學(xué)模型及分布特性［9］Fig.8 Micromechanical model and distribution characteristics of abrasive particles［9］

綜上，增大拋光間隙和減小拋光液中鐵磁微粒比例，有利于促進(jìn)工件從彈塑性域去除逐漸轉(zhuǎn)向彈性域去除，進(jìn)而獲得高質(zhì)量拋光表面。

考慮到3個(gè)工件研磨表面初始粗糙度的差異，本文定義粗糙度優(yōu)化比△Raratio=△Ra/Ra0=（Ra0-Ra）/Ra0，以衡量拋光前后表面光潔度的提升情況。其中，Ra0代表初始研磨表面粗糙度，Ra為拋光表面粗糙度，結(jié)果見表2及圖9。使用大拋光間隙及低鐵粉比例拋光液拋光的工件III（δ=1.5 mm，φ=9.93%）的粗糙度優(yōu)化比始終高于另外兩個(gè)工件。這是因?yàn)樵龃髵伖忾g隙會(huì)減小磨粒的最大正應(yīng)力，同時(shí)，降低鐵粉比例使得柔性拋光膜上的磁性鏈/磁性簇對(duì)磨粒的作用力減弱，二者共同作用導(dǎo)致磨粒受力減小，促使材料去除機(jī)理逐漸從彈塑性域去除向彈性域去除過渡，繼而獲得粗糙度低至8.1 nm的光潔表面。結(jié)合圖4中拋光表面形貌可知，工件I，II拋光表面均出現(xiàn)塑性變形和塑性溝槽，證明它們?cè)趶椝苄匀コ騼?nèi)，工件III長(zhǎng)時(shí)間拋光仍無明顯塑性劃痕，說明材料去除的主導(dǎo)機(jī)制更傾向于彈性變形作用。

圖9 粗糙度優(yōu)化比與拋光條件的關(guān)系Fig.9 Roughness optimization ratio versus polishing parameters

5 結(jié) 論

本文采用磁輔助拋光技術(shù)對(duì)研磨熔石英元件進(jìn)行定點(diǎn)拋光，并對(duì)不同拋光條件下的拋光斑進(jìn)行二維輪廓檢測(cè)、三維形貌重構(gòu)、粗糙度檢測(cè)、透過率測(cè)試和空間磁場(chǎng)仿真分析等。所用拋光條件涉及不同的拋光間隙（0.5，1，1.5 mm）和拋光液鐵粉體積比（14.18%，13.31%，9.93%），拋光時(shí)間為0，90和150 min。材料去除率實(shí)驗(yàn)和空間磁感應(yīng)強(qiáng)度仿真結(jié)果可知，減小拋光間隙并增大拋光液中鐵粉體積比能夠產(chǎn)生更高的拋光壓力，從而實(shí)現(xiàn)材料的高效率去除。使用拋光間隙為0.5 mm、鐵粉體積比為14.18%的磁輔助拋光液拋光熔石英元件時(shí)，最大深度去除率和體積去除率分別達(dá)0.439 2μm/min和1.49×10-4mm3/min，深度去除率達(dá)到傳統(tǒng)化學(xué)機(jī)械拋光的27.45倍。在磁輔助拋光過程中，單顆磨粒受力和拋光斑表面形貌可以在一定程度上反映材料的去除機(jī)理。通過單顆磨粒受力分析可知，增大拋光間隙并減小鐵粉體積比會(huì)引起壓應(yīng)力的下降和磁性簇作用力減弱，可能導(dǎo)致磨粒所受載荷降至最大彈性變形接觸力以下，促進(jìn)材料從彈塑性域去除逐漸向以化學(xué)反應(yīng)為主的彈性去除轉(zhuǎn)變。結(jié)合拋光斑表面形貌，工件I和II拋光150 min后由于材料彈塑性剪切引起的塑性流動(dòng)和側(cè)向隆起，在表面形成大量拋軌跡紋路，表面粗糙度為48.9～66.8 nm；大拋光間隙且低鐵粉體積比拋光液加工的工件III（δ=1.5mm，φ=9.93%）表面光潔無明顯塑性劃痕，粗糙度低至8.1 nm，表明其更傾向于彈性域去除。

元件表面粗糙度和紫外光透過率之間并不存在簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，但粗糙度大的表面往往透過率較低。二者受研磨殘留機(jī)械缺陷與拋光軌跡紋路的共同影響，因此，為了獲得高透光率表面，需要降低元件的表面粗糙度。

綜上，為實(shí)現(xiàn)熔石英元件的高效低缺陷加工，在磁輔助拋光過程中應(yīng)先采用小拋光間隙、高鐵粉比例拋光液拋光，以便快速去除前序加工殘留的表面及亞表面裂紋等缺陷，然后使用大拋光間隙、低磁粉比例拋光液進(jìn)行后續(xù)拋光，以獲得光潔、低缺陷表面。