申冰怡，王振忠

(厦门大学航空航天学院，福建 厦门 361102)

近年来在CCD摄像镜头、智能手机、显微镜、医疗器械等领域，小口径非球面光学透镜有着广阔的应用范围和巨大的市场潜力.非球面透镜的光学折射效果优良，能够有效矫正影像畸变和消除彗星像差，提高成像质量和系统分辨率，还可以简化仪器结构，减轻仪器重量，降低生产成本[1].模压成形技术是常见的小口径非球面光学透镜制造技术之一，一般模具要有较高的表面精度，在高温条件下依旧可以保持高硬度、高强度、高稳定性和高耐氧化性的特性[2].光学模压模具的基材主要使用碳化钨(WC)、碳化硅(SiC)与氮化硅(Si3N4)等非金属材料以及镀以合金膜层的金属陶瓷，属于硬脆性材料，加工难度较大[3].实际生产中，先使用超精密磨削或车削将基材加工成复杂的非球面工件[4]，材料表面易发生塑性形变和脆性断裂[5].为提高非球面工件的表面质量，还需进一步采用柔性的方式抛光工件.

目前，针对非球面的抛光技术主要有计算机控制光学表面成型、离子束、磨料水射流、磁流变、气囊抛光和复合抛光方式等.使用计算机控制小磨盘抛光常用于大口径非球面镜，叶枫菲等[6]采用直径为15 mm的磨盘抛光K9平面镜，实际加工与仿真的面形误差在17%以内.离子束抛光的去除函数稳定性高且没有边缘效应，唐瓦等[7]使用离子束抛光直径为1 450 mm的离轴非球面，表面粗糙度在30 h的加工后由50.192 nm下降到8.785 nm，抛光效果理想，但离子束设备使用成本较高.磨料水射流抛光适合于各种复杂曲面但加工效率低，Wang等[8]研制了一种新型的多射流抛光工艺，在极大提高抛光效率的同时达到了与传统射流相同的抛光效果，使用五射流工具抛光BK7玻璃可以获得9.831 nm的表面粗糙度.磁流变抛光能够有效消除亚表面损伤，尹韶辉等[9]提出了一种针对小口径非球面的斜轴磁流变抛光技术，可以使直径6 mm的单晶硅非球面表面粗糙度由10.3 nm降至3.2 nm.气囊抛光为一种柔性接触加工技术，适合于大中型复杂曲面的抛光，王云飞等[10 ]对直径为30 mm的BK7轴对称非球面镜加工后获得了3.239 μm的PV(peak to valley,面形精度指标之一)值.考虑到精度、成本和效率，这些技术较少用于小口径非球面模具的批量生产.国内在小口径非球面模具的抛光上仍依赖手工抛光，对操作工人的技术水平要求高，加工质量不稳定且耗时耗力.本文利用磁场的辅助作用，探究了一种针对小口径非球面碳化钨模具的便捷有效的抛光方式，以期获得高面形精度、低表面粗糙度、高加工效率和低成本.

1 试验原理

本文采用直径为18 mm、深度约0.5 mm的非球凹面回转对称的碳化钨模具进行试验，模具实体如图1(a)所示.磁场辅助抛光的原理是利用外加磁场中磁性抛光液凝聚成的链状结构与工件表面接触，在磁场作用力和较小的压力作用下，通过相对运动去除工件表面的多余材料，从而实现修形和抛光，抛光示意图如图1(b)所示.该原理与传统光学机械研抛类似，符合Preston假设.该假设将宏观上的研抛材料去除速率描述成如下的线性方程：

(1)

式中：K是比例常数，也是Preston系数，在抛光状态中，由速度和压力以外的其他环境因素决定；v是表面某点处的瞬时研抛相对速度；p是表面某点处的研抛压力，z是抛光区域的材料去除量，t是抛光时间.

图1 非球面碳化钨模具(a)和磁场辅助抛光示意图(b)Fig.1 Aspheric tungsten carbide mould (a) and diagram of magnetic field assisted polishing (b)

2 试验材料及装置

试验所用到的钕铁硼圆柱永磁体直径为8 mm，厚度为10 mm，牌号为N35.磁性抛光液在磁流变抛光液的基础上进行改造，由磁性颗粒、抛光颗粒、α-纤维素以及磁流变基液这4种成分按一定比例配置而成[11].磁性颗粒选用平均粒径为3～5 μm的羰基铁粉，抛光颗粒选择了多种规格的金刚石微粉.配置后的抛光液如图2所示.

本研究使用的试验装置为自主研制的四轴数控(computer numerical control,CNC)抛光机床，如图3所示.装有磁铁的工具头附着有磁性抛光液，通过刀柄和筒夹安装在机床上，可以实现主轴的旋转以及X、Y、Z轴的进给移动.

图2 常态(a)和磁场(b)下的抛光液形态Fig.2 Morphologies of polishing fluid under normal (a) and magnetic field (b) conditions

图3 四轴CNC机床Fig.3 Four-axis CNC machine tool

3 抛光试验与结果分析

3.1 金刚石微粉粒度对抛光效果的影响

不同粒度的金刚石微粉对材料去除效率和工件抛光后所能达到的表面粗糙度影响很大，较大粒度的金刚石微粉难以获得预期的表面粗糙度，因而本研究选择了1 500，3 000，8 000，15 000和80 000目的金刚石微粉，粒度分别为7.0，3.5，1.0，0.4和0.2 μm.抛光液配比按羰基铁粉61.7%、金刚石微粉7.0%、α-纤维素3.3%、磁流变基液28.0%的质量分数进行配制.加工参数选择转速600 r/min、加工间隙1 mm、抛光时间30 min、工具大小12 mm.考虑到碳化钨模具成本高，选择金刚石砂轮磨削后的碳化钨板(尺寸50 mm×50 mm×3 mm)作为定点抛光试验对象.试验前，使用轮廓仪(Form Talysurf PGI 1240)检测碳化钨板的面形PV值、表面波纹度指标Wv(最大轮廓谷深)、表面粗糙度指标Ra(轮廓算术平均偏差)，并使用超景深显微镜(基恩士VHX-5000)对表面样貌进行拍照记录.然后进行定点抛光试验，每组试验抛光30 min，每15 min 更换一次抛光液.试验完成后，再使用以上检测方法测量碳化钨板表面状况，将测试结果与抛光前的表面形貌参数对比，如表1所示.图4为1 500 目金刚石微粉抛光前后表面样貌的对比图，图5为显微镜3D拼接的表面样貌轮廓对比图.

表1 不同金刚石微粉粒度的抛光结果Tab.1 Polishing results of different sizes of diamond powder particle

图4 1 500目金刚石微粉抛光前(a)后(b)表面样貌的对比Fig.4 Comparison of the surface appearance before (a) and after (b) 1 500 mesh diamond powder polishing

图5 抛光前(a)后(b)3D拼接的表面样貌轮廓的对比图Fig.5 Contrast drawing of the surface profile spliced in 3D before (a) and after (b) polishing

由表1中的数据可知，1 500目的金刚石微粉抛光效率最高，在30 min内去除的工件材料最多，粗糙度和波纹度的变化量也最大.对于其他规格的金刚石微粉，随着目数的上升，微粉粒度减小，相同抛光时间内，PV、Ra和Wv的变化量不断减少，且在纳米量级，说明去除效率随着目数的增大逐渐降低，且30 min加工时长内的材料去除厚度在纳米量级.图4中给出了500倍显微镜下，1 500目金刚石微粉抛光前后工件的表面样貌，可以看到残余刀纹明显变浅；而从图5中可以看出，碳化钨板表面高度差距由3.5 μm缩小到2.5 μm，这说明工件面形精度在微米量级，30 min内材料去除厚度在亚微米量级的1 500目金刚石微粉更适合.因此选择1 500目的金刚石微粉进行后续的试验.

3.2 抛光液成分配比对抛光效果的影响

抛光液的成分配比影响其流变性、稳定性和黏度，最终影响抛光效果，因此成分配比是制备抛光液中极其重要的一环.本试验将对抛光液的6种成分配比进行对比试验，配比方案如表2所示.

试验使用1 500目的金刚石微粉，各成分通过精密天平称量.依旧选用3.1节的工艺参数对碳化钨板进行定点抛光试验.试验前后的工件面形PV值、Ra和Wv的变化量如表2所示.

可以看出，其他条件不变时，随着金刚石微粉含量增加、羰基铁粉含量减少(M1～M4)，面形PV的变化量即材料的去除量先增大后减小.金刚石微粉是实现材料去除的关键物质，增加金刚石微粉会增强抛光体的去除能力.但羰基铁粉含量过低时，永磁体对整个抛光液的吸引力减小，不利于抛光体状态的保持，容易脱落且抛光压力也会变小.由Preston方程可知，抛光压力减小会导致材料去除量减少.另外，由于金刚石微粉的密度比羰基铁粉小得多，增加的金刚石微粉的体积比减少相同质量的羰基铁粉体积大，在相同质量基液的情况下，金刚石微粉含量高的抛光液更黏稠，更容易粘在碳化钨板表面，影响抛光效果.对比M2、M5、M6，可以发现，其他条件不变时，随着α-纤维素含量的增加和羰基铁粉含量的减少，材料去除量也是先增大后减小.虽然α-纤维素能够避免磁性颗粒在抛光液中聚合和沉降，可以增强抛光体的耐用性，但过多的α-纤维素降低了羰基铁粉的含量，其密度远小于羰基铁粉，同样不利于抛光效果的稳定，导致材料去除量减少.

表2 不同抛光液成分配比下的测试结果Tab.2 Test results of polishing fluid with different composition ratio

粗糙度和波纹度变化量的变化趋势与面形PV变化量的相同.当使用M3配方时，PV变化量达到最大值，即材料去除量达到最大值.使用M2配方时，粗糙度和波纹度的变化量达到最大值.

3.3 磁场辅助抛光工艺参数的正交试验

与其他抛光技术类似，磁场辅助抛光的效果也会受到各种工艺参数的影响.实验前，首先对碳化钨模具(下文的工件均是指碳化钨模具)的初始轮廓进行测量，获得如图6(a)所示的轮廓曲线.然后使用轮廓仪自带的非球面分析软件获得工件实测参数与标准非球面的面形误差值，如图6(b) 所示，其中轮廓误差的最大值为3.578 7 μm.标准非球面参数详见表3.分别在距离回转中心3，6和9 mm 处取一点测量粗糙度用于估计工件表面总体的粗糙度情况，3处的Ra分别为10.3，13.4和19.8 nm，通过比较可以看出，越靠近回转中心，工件表面粗糙度越小，总体在10～20 nm之间.使用基恩士显微镜对工件表面样貌进行检测，图7(a)是200倍镜下模具整体的样貌，模具表面环形刀纹明显，有少许划伤痕迹.图7(b)是500倍镜放大的表面刀纹，刀纹规则.由此可见，非球面碳化钨模具表面精度已经较高，与标准非球面的误差也很小，实际需要去除的表面材料很少，但是表面粗糙度和波纹度都需较大改善，考虑到加工效率，所以选择M2的配方(金刚石微粉7.0%、羰基铁粉61.7%、磁流变基液28.0%、α-纤维素3.3%)作为抛光非球面碳化钨模具的最佳配方.

影响磁场辅助抛光方式的工艺参数主要有工具大小(直径)、加工间隙、抛光时间和主轴转速，为考察其对材料去除量和粗糙度的影响，每个因素选取3个水平，不考虑因素间的相互作用，按照表4进行正交试验.

图6 碳化钨模具的初始轮廓(a)和实测与标准的面形误差曲线(b)Fig.6 Initial outline (a) and measured and standard surface error curve (b) of the tungsten carbide mould

表3 碳化钨模具的标准非球面参数

图7 200倍镜下模具的整体样貌(a)和500倍镜 放大的表面刀纹(b)Fig.7 The overall appearance of the mould under 200× lens (a) and surface tool marks magnified by 500× lens (b)

抛光体成分配比采用M2配方，根据工件实测与标准的误差特点确立抛光路径：每组试验的前半部分时间以回转对称中心为固定点进行定点抛光，后半部分时间围绕回转对称中心以1 mm为半径移动一个环形轨迹，中间更换一次抛光液.正交试验方案设计、试验结果及初步分析如表5所示.

表4 各因素及水平表Tab.4 Factors and levels

表5 L9(34)正交试验表及试验结果分析Tab.5 Analysis of L9(34) orthogonal table and experimental results

由表5可知，影响磁场辅助抛光材料去除量的工艺参数从主到次的顺序为：D(主轴转速)>B(加工间隙)>C(抛光时间)>A(工具大小)，本实验的最优方案为A1B2C3D3.

从表5可知，主轴转速越大，材料去除量越大，这是由于当压力不变时，材料的去除效果与相对速度成正比.同理，当相对速度不变时，材料的去除效果与压力也是成正比的.加工间隙与压力成反比，加工间隙越大，工件受到的压力越小，材料的去除量就会减少.但是加工间隙过小会使柔性链状结构被挤压甚至挤出工具端面，无法跟随工具转动正常加工.因此加工间隙为1.5 mm时，材料去除效果较好.

抛光时间的增加必然会导致材料去除量的增加，但长时间抛光中仍然只更换一次抛光液，单次使用抛光液的时间增长，基液的挥发使抛光液变粘稠，容易粘在工件表面，永磁体的吸引力不足以带动抛光体完全按照主轴转速旋转加工，相对速度会下降，去除效率就会降低.因此，虽然在45 min时材料去除量最大，但与抛光30 min相比，其增幅减少.

工具大小会影响加工面积区域，直径越大的工具上的最大线速度也会越大，更有利于材料的去除.在其他参数不变的情况下，工具直径与所能达到的最大线速度成正比，故而与面形PV变化量也成正比.

使用最优方案抛光，工件轮廓与标准非球面方程的误差值明显缩小，由3.578 7 μm减小到2.186 5 μm，抛光后的面形误差曲线如图8所示，其中长度内轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离为2.186 5 μm，Ra为0.554 9 μm.表面粗糙度也有很大改善，3处检测点的Ra由10.3，13.4和19.8 nm分别降至3.2，6.1和17.4 nm，距离回转中心越近，改善越明显，这不仅与3个检测点的原始粗糙度和面形精度有关，还与加工路径有关.按照加工路径，回转对称中心附近区域的抛光驻留时间比外围部分更长.在抛光前后，使用500倍显微镜对同一区域的表面样貌进行观察，从图9中可以看出刀纹痕迹明显变浅甚至消失.

图8 抛光后的实测轮廓与标准面形间的误差Fig.8 Error between the measured profile after polishing and the standard surface

图9 抛光前(a)后(b)的表面样貌对比图Fig.9 Comparation of the surface appearance before (a) and after (b) polishing

4 结 论

本研究采用1 500目的金刚石微粉配制抛光液，并筛选出稳定性好、能够有效去除材料的抛光液成分配比为金刚石微粉7.0%、羰基铁粉61.7%、磁流变基液28.0%、α-纤维素3.3%；利用正交试验获取了磁场辅助抛光的工艺参数的优方案为主轴转速750 r/min，加工间隙1.5 mm，抛光时间45 min，抛光工具直径16 mm，使用以上工艺参数可以获得的最低表面粗糙度为3.2 nm；并分析了不同工艺参数对抛光效果的影响规律，为采用磁场辅助抛光加工其他工件提供了一定的参考意义.

在实际抛光过程中，黏度较高的抛光液容易粘在工件表面，影响抛光效果.下一步研究可以将配比试验的梯度细化，选出更好的成分配比，或尝试其他材料.此外，可以根据抛光路径做驻留加工时间的仿真.计算抛光体在工件表面各处的加工时间有利于优化抛光路径，针对性地去除表面材料，提高抛光效率.