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)

0 引言

近年來(lái)，隨著現(xiàn)代光學(xué)、慣性約束聚變和集成電路等領(lǐng)域的快速發(fā)展，高精度光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-2]。作為光學(xué)系統(tǒng)中關(guān)鍵零件的光學(xué)元件，要求其具有更高的表面質(zhì)量、加工精度和晶格結(jié)構(gòu)。拋光是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量光學(xué)元件表面的主要手段[3]，它是集機(jī)械、物理、材料和化學(xué)等多學(xué)科融合的一種加工方法。其中，廣泛采用的傳統(tǒng)古典法拋光對(duì)操作人員依賴性強(qiáng)、影響工藝因素多。氣囊拋光具有工藝參數(shù)可控性好、材料去除性相對(duì)均勻和易于加工復(fù)雜型面等優(yōu)點(diǎn)[4]，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。氣囊拋光技術(shù)是利用一個(gè)充氣球冠拋光頭與光學(xué)元件表面相接觸，當(dāng)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，夾持在兩者之間的拋光液實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)元件表面材料的去除、拋光。

目前，倫敦光學(xué)試驗(yàn)室[5]設(shè)計(jì)研發(fā)了IRP系列氣囊拋光機(jī)床并進(jìn)行了商業(yè)化應(yīng)用，利用該設(shè)備對(duì)BK7材料進(jìn)行了拋光壓力、拋光路徑等工藝參數(shù)的研究，工件表面粗糙度值可達(dá)到0.5 nm。國(guó)內(nèi)浙江大學(xué)計(jì)時(shí)鳴等[6]設(shè)計(jì)了機(jī)器人氣囊拋光樣機(jī)，進(jìn)行了工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響試驗(yàn)。廈門(mén)大學(xué)潘日等[7]研發(fā)了數(shù)控氣囊拋光機(jī)床，分析了材料去除函數(shù)和去除率，并且針對(duì)磨頭磨損現(xiàn)象提出了修正方案。哈爾濱工業(yè)大學(xué)高波[8]制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，對(duì)BK7工件材料的光學(xué)零件進(jìn)行拋光，工件表面粗糙度Ra可達(dá)1.249 nm。然而，除國(guó)外有少量商業(yè)化氣囊拋光機(jī)外，國(guó)內(nèi)科研院所的氣囊拋光技術(shù)大多尚處于試驗(yàn)摸索階段，特別是針對(duì)圓孔氣囊拋光技術(shù)的研究還較少報(bào)道。

1 橢圓體氣囊拋光頭現(xiàn)狀

圓孔是零件常見(jiàn)和常用的特征，按照作用與用途，可分為工藝孔、裝配孔和定位孔等。由于光學(xué)元件一般是硬脆性材料，相比于傳統(tǒng)機(jī)械零件上孔的加工工藝，圓孔光學(xué)元件作為光通道或激光發(fā)生器的重要組成部分，對(duì)孔的拋光加工精度有著更高要求。氣囊拋光頭作為氣囊拋光技術(shù)的核心部件，對(duì)光學(xué)元件的高質(zhì)量表面拋光起著關(guān)鍵作用，因此，圓孔氣囊拋光頭的合理設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)圓孔光學(xué)元件高質(zhì)量拋光的基礎(chǔ)。橢圓體氣囊拋光頭的氣囊外形是一個(gè)橢圓體，拋光圓孔運(yùn)動(dòng)方式示意圖如圖1所示，橢圓體氣囊固定在拋光桿上，拋光桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是主運(yùn)動(dòng)，拋光桿的上下往返運(yùn)動(dòng)為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，橢圓體氣囊的外表面與玻璃圓孔內(nèi)表面接觸并相互擠壓，當(dāng)拋光桿旋轉(zhuǎn)并上下往返運(yùn)動(dòng)時(shí)，將拋光液加入橢圓體氣囊與圓孔之間，實(shí)現(xiàn)對(duì)圓孔表面的拋光。在橢圓體氣囊外觀尺寸、壓強(qiáng)一定的情況下，不同孔徑的圓孔光學(xué)元件需要設(shè)計(jì)加工出不同規(guī)格的橢圓體氣囊，此類氣囊拋光圓孔光學(xué)元件具有局限性。因此，設(shè)計(jì)一種新型圓孔氣囊拋光頭，實(shí)現(xiàn)不同孔徑圓孔光學(xué)元件的拋光具有較高的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用意義。

1—拋光桿；2—?dú)饽遥?—玻璃圓孔。

2 理論分析

為了實(shí)現(xiàn)不同孔徑圓孔光學(xué)元件的高精度拋光，需要對(duì)橢圓體氣囊拋光頭進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出合理的伸縮式圓孔氣囊拋光頭。從圖1可以發(fā)現(xiàn)橢圓體氣囊拋光頭為回轉(zhuǎn)體，橢圓體氣囊剖面的簡(jiǎn)化示意圖如圖2所示。當(dāng)△ABC繞AC所在的軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，B點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)與圓孔表面的接觸。其中，△ABC為等腰三角形，BO為AC的垂線。假設(shè)橢圓體拋光頭可拋光圓孔的直徑為d，BO=r，AB=BC=l，從等腰三角形的幾何關(guān)系可得

圖2 圓孔氣囊拋光范圍分析示意圖

d=2lsin∠OAB

(1)

由式(1)可知，l不變的情況下，∠OAB越小，則d越??；反之，∠OAB越大，d就越大，d的理論數(shù)值范圍為0～1。換言之，如果∠OAB的角度大小能夠?qū)崿F(xiàn)改變，橢圓體氣囊拋光頭即可適用于不同孔徑圓孔光學(xué)元件的拋光。結(jié)合氣囊拋光技術(shù)和橢圓體氣囊拋光頭的實(shí)際情況，拋光頭的最外層為拋光布，拋光過(guò)程中，拋光布與圓孔光學(xué)元件的表面相接觸。如果l不變，即拋光布在剖面內(nèi)的曲線長(zhǎng)度不變，通過(guò)合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)改變拋光布與旋轉(zhuǎn)軸的夾角，即可實(shí)現(xiàn)伸縮式氣囊拋光頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3 伸縮式拋光頭結(jié)構(gòu)

伸縮式氣囊拋光頭是利用氣囊表面的拋光布對(duì)圓孔類光學(xué)元件表面進(jìn)行拋光，在一定直徑范圍內(nèi)，可根據(jù)孔徑大小進(jìn)行不同尺寸氣囊拋光頭的調(diào)整選擇，從而適應(yīng)不同圓孔類光學(xué)元件內(nèi)孔表面的高質(zhì)量。根據(jù)前面的理論分析和介紹，經(jīng)過(guò)大量的研究與實(shí)踐，本文設(shè)計(jì)的伸縮式氣囊拋光頭的結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由固定模塊、滑動(dòng)模塊和氣室模塊等3部分組成。固定模塊包括螺母、下壓圈和拋光桿等零件，其功能主要是固定下端的密封膜和拋光布。其中，拋光桿下端設(shè)置有圓餅狀凸臺(tái)和外螺紋，外螺紋在圓餅狀凸臺(tái)的下端，并且延伸至拋光桿的最底端，下壓圈的內(nèi)孔直徑大于拋光桿的直徑，下壓圈的外圈直徑小于拋光桿下端圓餅凸臺(tái)的直徑，利用螺母將密封膜和拋光布?jí)壕o在圓餅凸臺(tái)的下端面?；瑒?dòng)模塊包括圓柱滑塊、上壓圈、壓緊螺母、密封圈和鎖緊螺母等零件，其主要用于實(shí)現(xiàn)上端密封膜和拋光布的伸縮移動(dòng)和固定作用，圓柱滑塊上端設(shè)置有圓錐形內(nèi)孔，其底端設(shè)置有圓餅狀凸臺(tái)，圓柱滑塊圓柱表面設(shè)置有外螺紋，上壓圈的內(nèi)孔直徑大于圓柱滑塊的外螺紋直徑，上壓圈的外圈直徑小于圓柱滑塊下端的圓餅凸臺(tái)直徑，使用壓緊螺母將密封膜和拋光布?jí)壕o并固定圓柱滑塊圓餅凸臺(tái)的上端面，彈簧夾頭的內(nèi)孔與拋光桿的直徑相一致，彈簧夾頭的外圓錐面與圓柱滑塊上端圓錐孔相匹配，并且在彈簧夾頭的下端面和圓柱滑塊上端圓柱孔內(nèi)放置有密封圈，擰緊鎖緊螺母時(shí)，在彈簧夾頭的作用下使圓柱滑塊固定在拋光桿上，松開(kāi)鎖緊螺母，圓柱滑塊可在拋光桿上上下移動(dòng)。當(dāng)通過(guò)拋光桿內(nèi)的氣道充入氣體時(shí)，密封膜、密封圈、上圓餅狀凸臺(tái)和下圓餅狀凸臺(tái)等就形成了氣室模塊，密封膜在氣體的作用下膨脹并撐起拋光布，其中，拋光桿中心為圓柱形深小孔，深小孔的下端封閉，深小孔的徑向有小通孔，保證氣體通過(guò)氣道可充入氣室模塊。

1—螺母；2—下壓圈；3—拋光材料；4—密封膜；5—上壓圈；6—壓緊螺母；7—圓柱滑塊；8—鎖緊螺母；9—彈簧夾頭；10—拋光桿；11—?dú)獾溃?2—密封圈。

伸縮式氣囊拋光頭的安裝步驟和使用方法如下：首先，將密封膜的一端套在拋光桿圓餅狀凸臺(tái)的下端面上，拋光布的下端覆蓋在密封膜上面，下壓圈套在拋光桿的下端并壓住拋光布，旋緊螺母，通過(guò)螺母的擰緊使密封膜、拋光布的一端固定在拋光桿上；其次，先將圓柱滑塊和拋光桿擦洗干凈，擦洗干凈的圓柱滑塊從拋光桿的上端套入，并且與下圓餅狀凸臺(tái)接觸；再次，密封膜、拋光布和上壓圈依次套在圓柱滑塊的圓餅狀凸臺(tái)上，旋轉(zhuǎn)壓緊螺母，壓緊螺母擠壓上壓圈，實(shí)現(xiàn)密封膜、拋光布的另一端固定在圓柱滑塊上；然后，左手提著圓柱滑塊，右手依次將擦拭干凈的密封圈、彈簧夾頭和鎖緊螺母套入圓柱滑塊上端的圓錐孔內(nèi)，此時(shí)不需擰緊鎖緊螺母；最后，將拋光桿上端安裝在機(jī)床主軸孔內(nèi)，壓縮氣體通過(guò)機(jī)床主軸孔充入氣道。根據(jù)被拋光圓孔光學(xué)元件的直徑，合理調(diào)整圓柱滑塊在拋光桿的位置，并擰緊鎖緊螺母，固定圓柱滑塊的位置，實(shí)現(xiàn)拋光布?xì)饽遗c圓孔直徑相匹配。

4 拋光試驗(yàn)

4.1 不同孔徑拋光試驗(yàn)

利用伸縮式圓孔氣囊拋光頭對(duì)K9材料的光學(xué)元件進(jìn)行拋光試驗(yàn)，調(diào)整拋光頭的拋光直徑分別為20 mm、25 mm和30 mm，拋光頭的氣囊壓強(qiáng)3 kPa、轉(zhuǎn)速360 r/min，上下往復(fù)速度為20次/min，K9光學(xué)元件初始表面粗糙度值為390 nm左右。采用某公司的Form Taylor Surf Series輪廓儀進(jìn)行拋光后光學(xué)元件的檢測(cè)。在拋光頭不同尺寸下拋光光學(xué)元件。圖4描繪出了K9玻璃表面粗糙度隨著拋光時(shí)間變化的曲線圖，橫坐標(biāo)為拋光時(shí)間，縱坐標(biāo)為表面粗糙度值。

圖4 K9玻璃表面粗糙度變化曲線圖

由圖4的結(jié)果可以看出，在利用伸縮式拋光頭進(jìn)行不同直徑拋光光學(xué)元件過(guò)程中的變化可以總結(jié)出兩點(diǎn)：1)拋光前段時(shí)間比后段時(shí)間的拋光效率高，隨著拋光時(shí)間的增加，表面粗糙度值趨于穩(wěn)定。這是由于前半段主要拋光前道工序加工留下來(lái)的凸凹層和裂紋層，拋光時(shí)其表面大的凸起和凹陷迅速減小，表面粗糙度值下降非常迅速，拋光效率高，經(jīng)過(guò)前半段的拋光，工件表面已無(wú)深的凹坑和一些大的尖銳凸點(diǎn)，只有一些輕微的起伏，后半段的表面粗糙度值已經(jīng)比較小，且趨于穩(wěn)定；2)拋光前半段時(shí)間下，拋光頭的直徑越小，表面粗糙度值減小得越快。由式(1)分析可知，拋光布與旋轉(zhuǎn)軸線的夾角∠OAB在理論上趨近于0時(shí)，拋光孔徑趨近于0，拋光布與工件趨于全部接觸擠壓，實(shí)際拋光過(guò)程中，在壓強(qiáng)不變情況下，隨著拋光圓孔直徑的不斷增大，使兩圓餅狀凸臺(tái)間的距離減小，實(shí)現(xiàn)拋光頭直徑的增大，而拋光布與光學(xué)元件的接觸擠壓面積在逐漸減小，同一拋光時(shí)間下的材料去除率也減小。因而，小直徑的拋光頭在前半段拋光效率高，表面粗糙度值下降的較快，材料去除率大，后半段時(shí)間由于氣囊拋光所能達(dá)到的表面粗糙度值趨于穩(wěn)定，不同尺寸磨頭的拋光粗糙度值趨于一致。

4.2 分階段拋光試驗(yàn)

利用伸縮式氣囊拋光頭加工不同孔徑的光學(xué)元件，通過(guò)比較不同孔徑下表面粗糙度及拋光效率的差異，在不同拋光階段，應(yīng)進(jìn)行工藝參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整。氣囊壓強(qiáng)是影響拋光質(zhì)量的關(guān)鍵工藝因素，通過(guò)改變氣囊壓強(qiáng)適應(yīng)不同氣囊拋光階段的特點(diǎn)，即在各個(gè)拋光階段選擇一個(gè)最佳值，然后在拋光過(guò)程中，根據(jù)拋光所處的階段，依次變換氣囊壓強(qiáng)的最佳參數(shù)值，用組合參數(shù)完成最后的拋光。伸縮式氣囊拋光時(shí)劃分為3個(gè)階段：第一階段采用大的氣囊壓強(qiáng)實(shí)現(xiàn)工件表面材料的快速去除；第二階段氣囊壓強(qiáng)適中，在保證材料去除的同時(shí)減小工件的表層損傷；第三階段氣囊壓強(qiáng)最小，以此保證獲得較小的表面粗糙度值和較低的表層損傷。經(jīng)過(guò)大量工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)組合，各階段拋光的氣囊壓強(qiáng)分別為5 kPa、4 kPa和3 kPa，分階段選用氣囊壓強(qiáng)，在40 min內(nèi)，使表面粗糙度由約390 nm降到了10.853 nm。拋光前后表面形貌如圖5所示，無(wú)論在效率和質(zhì)量方面都優(yōu)于固定氣囊壓強(qiáng)數(shù)值條件下的加工質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)元件的高質(zhì)量氣囊拋光。

圖5 拋光前后表面形貌對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究了一種基于氣囊拋光技術(shù)的可伸縮式圓孔氣囊拋光頭，詳細(xì)介紹了各個(gè)模塊的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成及使用方法。在氣囊一端固定的同時(shí)，設(shè)計(jì)的圓柱形滑塊模塊可以實(shí)現(xiàn)氣囊另一端的滑動(dòng)，從而使氣囊拋光頭的直徑在一定范圍內(nèi)可以進(jìn)行調(diào)整，擴(kuò)大了氣囊拋光頭的拋光范圍。分析探討了進(jìn)行不同孔徑圓孔光學(xué)元件拋光試驗(yàn)中影響表面粗糙度的變化規(guī)律及原因，利用5 kPa、4 kPa和3 kPa等不同氣囊壓強(qiáng)分階段拋光方式，獲得了10.853 nm表面粗糙度值。試驗(yàn)結(jié)果表明：該拋光頭可以實(shí)現(xiàn)不同孔徑光學(xué)元件的高精度拋光，為后續(xù)深入研究孔類光學(xué)元件的氣囊拋光裝置奠定了基礎(chǔ)，并提供了一種氣囊拋光方式的新思路。